Tekanan - IPA kelas VIII

Tekanan

A.   Pengertian Tekanan.

Tekanan adalah besarnya gaya yang dikenakan pada suatu bidang dengan luas tertentu. Tekanan berbanding terbalik dengan luas bidang tekan. Dengan demikian, tekanan adalah hasil bagi antara gaya tekan dengan luas bidang tempat gaya tersebut bekerja.

Secara matematis rumus tekanan ditulis dengan persamaan:

dengan:

P = tekanan (N/m²)

F = ­gaya yang menekan (N)

A = luas bidang tekan (m²)

Beberapa contoh penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari:

1)   Menggunakan sepatu dengan hak lebih sempit akan lebih cepat lelah dibanding menggunakan sepatu dengan hak lebih lebar.

2)   Pijakan kaki ayam yang tidak ada berselaput akan lebih dalam tenggelam di tanah lembek dibanding dengan pijakan kaki itik yang berselaput.

3)   Orang yang tinggal di daerah bersalju menggunakan sepatu dnegan alas lebar agar tidak tenggelam di salju ketika berjalan.

4)   Mata pisau atau kapak dibuat tajam agar mudah membelah benda yang akan dipotong.

5)   Sirip ikan yang lebar akan lebih mudah bergerak karena makin lebar sirip, maka gaya dorong akan makin besar.

B.   Tekanan Hidrostatis (Tekanan Pada Zat Cair).

Tekanan hidrostatis adalah tekanan dalam zat cair yang disebabkan oleh zat cair itu sendiri.

Sebagaimana yang kita alami pada saat kita berenang, maka semakin dalam kita menyelam, maka tekanan zat cair makin besar. Pada kedalam yang sama, tekanan zat cair di segala arah sama besar. Besarnya tekanan zat cair dipengaruhi oleh jenis zat cair dan tidak bergantung pada bentuk bejana.

Secara matematis rumus tekanan hidrostatis ditulis dengan persamaan:

dengan:

P_h = tekanan zat cair (N/m²)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m³)

g­ = percepatan gravitasi (m/s²)

h = kedalaman zat cair (m)

1.   Bejana Berhubungan.

Zat cair selelu mengikuti bentuk wadah yang ditempatinya.

Contoh, saat kita tuangkan air ke gelas dari dalam teko, maka terlihat permukaan air di teko dan ujung ceret sama tinggi. Demikianlah, permukaan zat cair dalam kedaan tenang tanpa ada goyangan selalu menunjukkan permukaan yang mendatar. Hal sama berlaku juga pada bajana berhubungan.

 Hukum bejana berhubungan berbunyi: Bila bejana berhungungan diisi zat cair yang sama, dalam keadaan setimbang zat cair dalam bejana-bejana itu terletak pada satu bidang yang datar.

Secara matemastis hukum bejana berhubungan dinyatakan sebagai berikut:

  

dengan:

ρ₁ = massa jenis zat cair 1 (kg/m³)

h₁ = massa jenis zat cair 1 (kg/m³)

ρ₂ = massa jenis zat cair 2 (kg/m³)

h₂ = massa jenis zat cair 2 (kg/m³)

Hukum bejana berhubugan tidak berlaku apabila;

1.   Tekanan di atas bejana tidak sama (misalnya, salah satu bejana tertutup).

2.   Diisi dua macam atau lebih zat cair.

3.   Digoyang-goyangkan.

4.   Salah satu bejana merupakan pipa kapiler.

Kapilaritas adalah gejala turun atau naikknya zat cair dalam pembuluh yang sempit, jika pembuluh yang kedua ujungnya terbuka itu dimasukkan tegak lurus ke dalam bak yang berisi zat cair.

Pembuluh yang sempit disebut pipa rambut atau pipa kapiler, misalnya pembuluh kayu dan batang pohon. Dalam pipa kapiler, air akan naik karena adhesi antara air dan pipa kapiler lebih besar dari kohesi air. Sedangkan sebaliknya, yaitu dalam pipa kapiler raksa akan turun.

Berikut ini beberapa contoh alat-alat teknik yang bekerja berdasarkan Bejana Berhubungan:

1)   Penampung Air.

Penampung air diletakkan lebih tinggi dari tempat yang akan dialiri air.

2)   Teko Air.

Teko air merupakan alat untuk menuangkan air minum ke dalam gelas. Ketika teko dimiringkan dengan mulut teko lebih rendah, maka permukaan air yang selalu rata akan memenuhi mulut teko dan air akan tumpah ke dala gelas.

3)   Water Pass.

Water Pass adalah alat yang digunakan tukang bangunan untuk mengetahui sudut kemiringan sebuah permukaan.

4)   Sumur.

Prinsip pembuatan sumur adalah, permukaan sumur harus lebih rendah dari permukaan tanah, agar air tidak pernah kering.

2.   Hukum Pascal.

Blaile Pascal, seorang ilmuan Prancis, berdasarkan hasil percobaan yang dia lakukan  mengemukakan suatu hukum yang disebut Hukum Pascal.

Hukum Pascal berbunyi : Gaya yang bekerja pada suatu zat cair dalam ruang tertutup, tekanannya diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besar.

Secara matemastis Hukum Pascal dinyatakan sebagai berikut:

     

    

dengan:

F₁ = gaya yang bekerja pada penghisap 1 (N)

F₂ = gaya yang bekerja pada penghisap 2 (n)

A₁ = luas penampang penghisap 1 (m²)

A₂ = luas penampang penghisap 2 (m²)

Tekanan 1 pascal (Pa) adalah gaya 1 newton yang bekerja pada bidang tekan seluas 1 m² atau 1 Pa = 1 N/m². Dengan menggunakan Hukum Pascal, kita dapat mengangkat beban berat hany dengan gaya yang kecil saja.

Berikut ini beberapa contoh alat-alat teknik yang bekerja berdasarkan Hukum Pascal:

1)   Dongkrak Hidrolik

2)   Mesin Pengangkat Mobil Hidrolik.

3.   Hukum Archimides.

Archimides, seorang ahli Fisika, berdasarkan hasil percobaan yang dia lakukan  mengemukakan suatu hukum yang disebut Hukum Archimides.

Hukum Archimides berbunyi : Suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair, baik sebagian atau seluruhnya, akan mendapatkan gaya dorong ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan (didesak) oleh benda tersebut.

Secara matemastis Hukum Archimides dinyatakan sebagai berikut:

dengan:

F_A = gaya ke atas (N)

V = volume zat cair yang dipindahkan (didesak)

   = volume benda yang tercelup (m³)

S = berat jenis benda zat cair (N/m³)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m³)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)

Berikut ini adalah kondisi yang terjadi pada benda yang masuk ke ke dalam zat cair:

a)   Tengelam.

Jika massa jenis benda (yang masuk ke dalam zat cair) lebih besar dari massa jenis zat cair, maka benda akan tenggelam.

b)   Terapung.

Jika massa jenis benda (yang masuk ke dalam zat cair) lebih kecil dari massa jenis zat cair, maka benda akan terapung.

c)   Melayang.

Jika massa jenis benda (yang masuk ke dalam zat cair) sama besar dengan massa jenis zat cair, maka benda akan melayang.

Berikut ini beberapa contoh alat-alat teknik yang bekerja berdasarkan Hukum Archimides:

1)   Kapal Laut.

Kapal yang terbuat dari baja tentu sangat berat untuk dapat terapung di laut. Namun karena kapal memiliki rongga yang berisi udara, dimana massa jenis udara lebih kecil dari massa jenis air, maka kapal dapat mengapung.

2)   Galangan Kapal.

Galangan kapal digunakan untuk mengangkat kapal ke atas permukaan air untuk proses pembuatan atau perbaikan kapal. Untuk dapat memasukkan kapal ke galangan, maka sebagian rongga galangan diisi air agar ketinggian dek galangan berada di bawah air dan kapal dapat masuk. Setelah kapal masuk ke galangan, maka air dipompa keluar dari rongga galangan, sehingga galangan akan terapung dan mengangkat kapal.

3)   Hidrometer.

Hidrometer adalag alat untuk mengukur massa jenis zat cair. Jika hidrometer dimaukkan ke dalam zat cair, hidrometer akan terapung dan menunjukkan angka pada skala sesuai dengan masa jenis cairan tersebut.

4)   Jembatan Ponton.

Jembatan ponton dibuat dengan menempatkan drum-drum kosong yang tertutup rapat dan berisi rongga udara di bawah jembatan dengan cara diikat. Dengan memanfaat massa jenis udara yang lebih kecil dari massa jenis zat cair, maka jembatan akan terapung.

C.   Tekanan Udara dan Ketinggian Tempat.

Tekanan udara disebut juga sebagai tekanan atmosfer. Tekanan udara memiliki nilai maksimum di permukaan laut. Sehingga, semakin tinggi suatu tempat, maka semakin kecil tekanan udara di tempat tersebut.

Secara matematis, tekanan udara pada ketinggian h (diukur dari permukaan laut) adalah:

­­­­

dengan:

­P = tekanan udara di ketinggian h (Pa)

P₀ = tekanan udara pada permukaan laut (101.300 Pa)

ρ = massa jenis udara (sekitar 1,3 kg/m³)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)

h = ketinggian yang diukur dari permukaan laut (m)

Tekanan atmosfer dapat menjaga keseimbangan tubuh agar tidak terjadi sesuatu yang keluar dari dalam tubuh. Sebagaimana kita ketahui, jika kita naik gunung hingga ketinggian tertentu, maka dari hidung dapat keluar darah

Berikut ini beberapa contoh hal –hal dan alat-alat teknik yang bekerja berdasarkan tekanan udara:

1)   Pengaruh ketinggian terhadap tekanan udara.

Semakin dekat ke permukaan bumi maka tekanan udara akan semakin tinggi. Sebaliknya semakin jauh dari permukaan bumi maka tekanan udara semakin kecil.

Tekanan udara di permukaan laut adalah 76 cmHg atau 1 atm. Setiap ketinggian bertambah 100 m tekanan udara berkurang 1 cmHg.

Secara matematis rumus perubahan tekanan udara di ketinggian h ditulis:

dengan:

∆P = perubahan tekanan udara di ketinggian h (Pa)

h = ketinggian yang diukur dari permukaan laut (m)

2)   Barometer.

Barometer adalah alat untuk mengukur tekanan atmosfer. Penunjukan besaran tekanan atmosfer oleh barometer disebut sikap barometer.

Ada dua macam barometer, yaitu; barometer raksa dan barometer aneroid.

Pada barometer raksa, sikap barometernya adalah tinggi permukaan raksa. Jika tenanan udara luar bertambah, permukaan raksa makin tinggi. Tekanan udara di permukaan laut mengakibatkan permukaan raksa menjadi setinggi 76 cm sehingga dikatakan bahwa tekanan atmosfer adalah 76 cmHg = 101.300 Pa (Hg berasal dari kata hidrargirum yang berarti raksa). Pengurangan tekanan udara tiap 1 cmHg setara dengan kenaikan setiap 100 cm.

Pada barometer aneroid, terdiri kotak hampa udara yang tipis dan penampangnya berbentuk lingkaran. Dinding atas dan bawahnya berombak, dan dilengkapi dengan pegas lengkung. Jika tekanan udara luar bertambah, kotak tertekan dan pegas melengkung ke dalam. Gerakan pegas ini diteruskan ke daftar skala pada barometer.

3)   Manometer.

Manometer adalah alat untuk mengukur tekanan gas pada ruang tertutup.

Ada tiga macam manometer, yaitu; manometer raksa terbuka, manometer raksa tertutup dan manometer logam.

Manometer raksa terbuka digunakan untuk mengukur tekanan gas sebesar sekitar 1 atm, sedangkan manometer raksa tertutup digunakan untuk mengukur tekanan gas di atas 1 atm. Manometer logam digunakan untuk mengukur tekanan gas yang sangat tinggi. Yang termasuk manometer logam adalah manometer Schaffer-Budenberg, manometer Bourdon dan manometer pegas. Manometer pegas digunakan untuk mengukur tekanan udara dalam roda kendaraan.

Hukum Boyle.

Hukum Boyle menyatakan bahwa hasil kali antara tekan dan volume gas dalam ruang tertutup adalah tetap, asalkan suhu-nya tetap.

Secara matematis Hukum Boyle dinyatakan sebagai berikut:

dengan:

P₁ = tekanan  gas mula-mula (atm atau cmHg)

P₂ = tekanan gas setelah diubah (atm atau cmHg)

V₁ = volume gas mula-mula (m³ atau cm³)

V₂ = volume gas setelah diubah (m³ atau cm³)

C = konstanta (tetapan)

Hukum Boyle berlaku apabila:

a)   suhu gas tetap, tetapi terjadi perubahan volume dan tekanan.

b)   massa gas tetap, tetapi terjadi kebocoran tabung (ruang tertutup).

c)   gas tidak dalam keadaan penuh.

d)   tidak terjadi reaksi kimia di dalam tabung gas.

Berikut ini beberapa contoh  alat-alat teknik yang bekerja berdasarkan Hukum Boyle:

1)   Manometer tertutup.

Manometer tertutup bekerja berdasarkan Hukum Boyle dan hukum pertama Hidrostatika.

2)   Pompa udara.

Terdiri dari:

a)   Pompa tekanan udara.

Gunanya untuk memasukkan udara ke dalam ban atau tabung gas. Contoh; pompa sepeda dan pompa angin.

b)   Pompa isap udara.

Gunanya untuk mengeluarkan udatra dari dalam penyungkup agar hampa udara.

c)   Pompa air.

*) Pompa isap air, gunanya untuk menaikkan air atau minyak dari dalam drum maupun dari dalam tanah.

*) Pompa tekan, gunanya untuk menaikkan air dari dalam tanah atau sumur.

d)   Pipet tes.

Gunanya untuk meneteskan larutan yang akan dipindahkan ke tempat lain.

e)   Alat suntik.

Gunanya untuk memasukkan obat ke dalam tubuh.