Jawaban:

Untuk menghitung besar dan arah gaya yang dihasilkan oleh aliran air di pipa tersebut, kita perlu menggunakan persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli menyatakan bahwa total energi pada suatu aliran fluida dalam kondisi steady dan inkompresibel (seperti air) tetap konstan dalam suatu sistem tertutup.

Persamaan Bernoulli adalah sebagai berikut:

P1 + 0.5ρv1^2 + ρgh1 = P2 + 0.5ρv2^2 + ρgh2

Di mana:

P1 dan P2 adalah tekanan pada masing-masing titik (1) dan (2),

ρ adalah berat jenis fluida (100 N/m^3 dalam kasus ini),

v1 dan v2 adalah kecepatan aliran pada masing-masing titik (1) dan (2),

g adalah percepatan gravitasi (9.8 m/s^2),

h1 dan h2 adalah ketinggian pada masing-masing titik (1) dan (2).

Dalam kasus ini, kita akan mengabaikan perubahan energi potensial karena bidang horizontal dan kecepatan aliran yang relatif rendah.

Jadi, persamaan Bernoulli dapat disederhanakan menjadi:

P1 + 0.5ρv1^2 = P2 + 0.5ρv2^2

Kita diberikan nilai tekanan pada titik (1), yaitu P1 = 2 N/cm^2 = 20000 N/m^2. Juga diberikan nilai kecepatan aliran pada titik (1), yaitu v1 = 10 m/d = 10/(246060) m/s.

Mari kita hitung tekanan pada titik (2) terlebih dahulu:

P1 + 0.5ρv1^2 = P2 + 0.5ρv2^2

P2 = P1 + 0.5ρv1^2 - 0.5ρv2^2

Untuk menghitung v2, kita perlu menggunakan prinsip kontinuitas, yang menyatakan bahwa debit aliran fluida akan tetap konstan dalam suatu sistem tertutup.

A1v1 = A2v2

A1 adalah luas penampang lintang hulu (1) = 1 m^2

A2 adalah luas penampang lintang bagian hilir (2) = 0.5 m^2

v2 = (A1/A2) * v1

= (1 m^2 / 0.5 m^2) * v1

= 2 * v1

Kini kita dapat menghitung tekanan pada titik (2):

P2 = P1 + 0.5ρv1^2 - 0.5ρv2^2

= 20000 N/m^2 + 0.5 * 100 N/m^3 * v1^2 - 0.5 * 100 N/m^3 * (2 * v1)^2

Selanjutnya, kita dapat menghitung gaya yang dihasilkan oleh aliran air tersebut dengan mengalikan perubahan tekanan dengan luas penampang lintang bagian belokan (1 m^2):

F = P1 - P2

= 20000 N/m^2 - P2

Terakhir, untuk mengetahui arah gaya yang dihasilkan, kita perlu mengetahui apakah tekanan pada titik (2) lebih besar atau lebih kecil dari tekanan pada titik (1). Jika tekanan pada titik (2) lebih besar, maka gaya akan berlawanan dengan arah aliran air.

Jadi, untuk menentukan arah gaya, kita perlu membandingkan tekanan pada titik (1) dan titik (2). Jika P2 > P1, maka gaya akan berlawanan dengan arah aliran air.

Sekarang kita dapat menghitung nilai P2 dan arah gaya yang dihasilkan oleh aliran air.