Tekanan

Tujuan:

Menyelidiki tekanan pada benda padat, cair, dan gas serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari

Apa yang kamu rasakan pada telingamu saat kamumenyelam di dalam air? Telingamu seperti ada yang menekan. pengalamanmu itu menunjukkan bahwa air mengerahkan gaya pada telingamu. Air termasuk fluida. Fluida adalah bahan yang tidak memiliki suatu bentuk tetap tertentu. Bentuk fluida bervariasi sesuai bentuk tempatnya. Zat cair dan zat gas adalah fluida.

A. Tekanan Pada Zat Padat
Manakan yang lebih sakit, ketika membawa tas dengan tali yang besar dibandingkan dengan tali kecil, jika beban yang sama? Sesuai dengan pengalaman yang kita rasakan, maka kita akan menjawab tali yang kecil. Karena beban yang diangkat bertumpu pada luas kulit. Berdasarkan hal ini, maka dapat disimpulkan, bahwa tekanan berhubungan dengan beban (gaya) dan luas permukaan. 

Jadi, tekanan adalah besarnya gaya pada suatu luas permukaan.
P = gaya/ luas permukaan
P = F/A
Bila gaya diukur dalam satuan newton (N) dan luas diukur dalam meter persegi (m²), maka tekanan diukur dalam satuan newton per meter persegi (N/m²).
Pascal (Pa) adalah satuan SI untuk tekanan.
Satu pascal tekanan adalah suatu gaya sebesar satu Newton per meter persegi. Seringkali tekanan diukur dalam satuan kilopascal (kPa). Satu kPa sama dengan 1000 Pa.

Contoh Soal :

Sebuah kotak yang beratnya 500 N dan luas alasnya 1 m2 diletakkan di atas lantai. Hitunglah tekanan yang diberikan kotak pada lantai!

Penyelesaian:
Dik: F = 500 N
A = luas alas kotak = 1 m²;
Dit: P = .... ?
Jawab :
P = F/A
P = 500N/ 1m²
P = 500 N/m² = 500 Pa

Latihan:
Sebuah benda yang beratnya 200 N, akan diletakkan diatas meja. Bila tekanan pada meja tidak boleh melebihi 200 N/m² maka luas maksimum permukaan benda adalah ...
a. 2 m²
b. 1 m²
c. 0,2 m²
d. 0,1 m²

B. Tekanan Pada Zat Cair
Jika kita memasukkan balon/ atau bola ke dalam air, apa yang akan terjadi? Sifat-sifat tekanan zat cair pada dinding tabung antara lain sebagai berikut.

• Zat cair menekan ke segala arah.
• Semakin dalam letak suatu titik dari permukaan zat cair, tekanannya semakin besar.
• Tekanan zat cair tidak tergantung pada bentuk wadahnya, melainkan tergantung pada kedalaman dari permukaan zat cair.
• Tekanan zat cair bergantung pada massa jenis zat cair.

1. Jenis-jenis Tekanan Pada Zat Cair

A. Hukum Pascal
Oleh karena tekanan pada masing-masing bejana sama besar maka tinggi permukaan masing-masing bejana juga sama.
Peristiwa ini diamati oleh Blaise Pascal. Pascal menyatakan bahwa:
“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dan sama besar.”

Tekanan Hidrostatis

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

Sifat tekanan hidrostatis adalah sebagai berikut.

• Semakin dalam letak suatu titik dari permukaan zat cair, tekanannya semakin besar.
• Pada kedalaman yang sama, tekanannya juga sama.
• Tekanan zat cair ke segala arah sama besar.

Persamaan tekanan hidrostatis dapat dirumuskan sebagai berikut.

P = ρ • g • h

Ket: P : tekanan hidrostatis (Pascal)

ρ : massa jenis zat cair (kg/m³)

h : kedalaman dari permukaan zat cair (m)

Contoh Soal:

Seorang penyelam menyelam pada kedalaman 10 m di bawah permukaan air. Jika massa jenis air 1.000 kg/m³ dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s², tentukan tekanan hidrostatis yang dialami penyelam!

Penyelesaian:

Diketahui:

h = 10 m

ρ = 1.000 kg/m³

g = 10 m/s²

Ditanyakan: P = . . . ?

Jawab:

P = ρ. g . h

P = 1.000 kg/m³  x 10 m/s² x 10m

P = 100.000 Pascal

Jadi, penyelam tersebut mengalami tekanan hidrostatis sebesar 100.000 Pa atau 100 kPa.

Hukum Pascal banyak diterapkan pada beberapa peralatan, di antaranya:

• dongkrak hidraulis,
• pompa hidraulis,
• mesin pengangkat mobil hidraulis,
• kempa hidraulis, dan
• rem piringan hidraulis.

Dongkrak Hidrolik

Dongkrak hidrolik adalah alat yang digunakan untuk mengangkat mobil ketika mengganti ban mobil.

Ket: 

P₁ : tekanan bejana 1 (Pa)

P₂ : tekanan bejana 2 (Pa)

F₁ : gaya angkat bejana 1 (N)

F₂ : gaya tekan bejana 2 (N)

A₁ : luas permukaan bejana 1 (m²)

A₂ : luas permukaan bejana 2 (m²)

Contoh Soal :

Sebuah dongkrak hidraulis memiliki penampang kecil dan besar masing-masing 10 cm² dan 100 cm². Jika beban seberat 200 N diletakkan pada penampang besar, tentukan gaya yang diperlukan untuk menekan penampang kecil!

Penyelesaian:

Diketahui:

A₁ = 100 cm²

A₂ = 10 cm²

F₁ = 200 N

Ditanyakan:

F₂=…?

Jawab :

A₁/A₂ = F₁/F₂

100 cm² /10 cm² = 200 N/F₂

F₂ = 2N

Rem Piringan Hidrolik

Rem ini menggunakan fluida minyak. Ketika kaki menginjak pedal rem, piston (pipa penghubung) akan menekan minyak yang ada di dalamnya.
Tekanan ini diteruskan pada kedua piston keluaran yang berfungsi mengatur rem.
Rem ini akan menjepit piringan logam yang akibatnya dapat menimbulkan gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan sehingga putaran roda berhenti.





B. Hukum Archimedes
Pernahkah kamu berjalan di dalam air? Jika kamu pernah berjalan atau berlari di dalam air, kamu tentunya akan merasakan bahwa langkahmu lebih berat dibandingkan jika kamu melangkah di tempat biasa.
Pengamatan ini memunculkan sebuah hukum yang dikenal Hukum Archimedes, yaitu:

“Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda tersebut akan mendapat gaya yang disebut gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkannya”.

Akibat adanya gaya apung, berat benda dalam zat cair akan berkurang. Benda yang diangkat dalam zat cair akan terasa lebih ringan dibandingkan diangkat di darat. 

Berat ini disebabkan berat semu dan dirumuskan sebagai berikut:

W_semu = W_benda – F_a

Ket: 

W_benda = berat benda dalam zat cair (Kg⋅m/s2)

W_benda = berat benda sebenarnya (Kg⋅m/s2)

F_a = gaya apung (N)

Konsep Terapung, Melayang, dan Tenggelam
Jika kamu memasukkan batu dan kertas secara bersamaan ke dalam seember air, apa yang terjadi?
Massa jenis benda menentukan besar kecilnya gaya berat benda. Sedangkan, massa jenis zat cair menentukan besar kecilnya gaya Archimedes (gaya apung) zat tersebut.
Jadi, keadaan benda di dalam air dapat disimpulkan sebagai berikut.

1. Benda akan tenggelam jika ρ_benda > ρ_{zat cair}
2. Benda akan melayang jika ρ_benda = ρ_{zat cair}
3. Benda akan terapung jika ρ_benda < ρ_{zat cair}

Latihan:
Sebuah dogkrak hidrolik memiliki luas penampang besar 100 cm² dan penampang kecil 20 cm². Jika pada penampang kecil diberikan gaya 10 N, maka agar kedua penampang setimbang gaya pada penampang besar adalah...
a. 200 N
b. 100 N
c. 80 N
d. 50 N

Berikut ini adalah sifat tekanan pada zat cair kecuali...
a. menekan ke segalah arah
b. tekanan pada zat cair tidak tergantung pada wadahnya
c. makin besar massa jenis, maka makin kecil tekanan
d. makin ke dalam, tekanan zat cair makin ke dalam

Bila gaya ke atas lebih besar dari gaya berat, maka benda akan...
a. terapung
b. melayang
c. tenggelam
d. tercelup

C. Tekanan pada Zat Gas
1) Ruang Terbuka
Tekanan pada gas dalam ruang terbuka lebih akrab disebut dengan tekanan udara yang didefinisikan sebagai gaya per satuan luas yang bekerja pada suatu bidang oleh gaya berat kolom udara yang berada di atasnya.
Tekanan udara diukur menggunakan alat yang disebut barometer. Alat ini pertama kali dibuat secara sederhana oleh Evangista Torricelli (1608-1647).
Saat ini, terdapat 4 macam barometer, yaitu barometer raksa sederhana (sesuai yang dibuat oleh Torricelli), barometer Foertin (barometer raksa yang dapat mengukur tekanan udara sampai dengan ketelitian 0,01 cmHg), barometer aneroid (barometer kering tanpa zat cair), dan barometer air (barometer yang menggunakan air sebagai pengganti raksa).

Apa yang dapat kamu simpulkan dari ketiga peristiwa tersebut?

Ketiga peristiwa di atas memberikan gambaran bahwa tekanan udara memiliki hubungan yang cukup erat dengan ketinggian suatu tempat. 

Hal ini ternyata telah dibenarkan melalui suatu penelitian yang dilakukan para ahli. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa setiap kenaikkan10 m, tekanan udara berkurang 1mmHg sehingga makin tinggi suatu tempat dari permukaan air, makin rendah tekanan udaranya. 

Pernyataan ini dapat digunakan untuk memperkirakan ketinggian suatu tempat di atas permukaan laut, asalkan tekanan udara di sekitarnya diketahui.

Contoh Soal:

Tekanan udara suatu kota yang ditunjukkan oleh sebuah alat ukur adalah 56 cmHg. Hitunglah ketinggian kota tersebut di atas permukaan laut!

Penyelesaian:

Dik: P = 56 cmHg

Po = 76 cmHg (tekanan udara pada ketinggian 0 m)

Dit: h = ...?

Jawab:

ΔP = Po – P = 76 cmHg – 56 cmHg = 20 cmHg = 200 mmHg.

h= (ΔP/1mmHg) x 10 m

h= 2000 m

Latihan:
Besarnya tekanan 1 atmosfer ekuivaen dengan ...
a. Tekanan sebesar 10⁵ Pa
b. Tekanan sebesar 10⁷ Pa
c. Tekanan sebesar 76 mmHg
d. Tekanan sebesar 10⁵ N/cm²

2) Ruang Tertutup

Alat untuk mengukur tekanan udara dalam ruang tertutup dinamakan manometer. Manometer ada dua macam, yaitu manometer raksa dan manometer logam.

a. Manometer Raksa

Manometer raksa dibedakan menjadi:

1. Manometer Raksa Terbuka adalah sebuah tabung U yang kedua ujungnya terbuka. Besar tekanan gas dapat dihitung dengan rumus: P_gas = P_bar + h
2. Manometer Raksa Tertutup adalah sebuah tabung U yang salah satu ujungnya tertutup.

b. Manometer Logam

Digunakan untuk mengukur tekanan udara yang sangat tinggi.

Penerapan Tekanan pada Zat Cair dalam bidang teknik
a) Kran otomatis pada penampungan air
Jika di rumah kita menggunakan mesin pompa air, maka dapat kita lihat bahwa tangki penampungnya harus diletakkan pada ketinggian tertentu. Dalam tangki tersebut terdapat pelampung yang berfungsi sebagai kran otomotis. Kran ini dibuat mengapung di air sehingga ia akan bergerak naik seiring dengan ketinggian air. Ketika air kosong, pelampung akan membuka kran untuk mengalirkan air. Sebaliknya, jika tangki sudah terisi penuh, pelampung akan membuat kran tertutup sehingga secara otomatis kran tertutup.

b) Kapal selam

Pada kapal selam terdapat tangki yang jika di darat ia terisi udara sehingga ia dapat mengapung di permukaan air. Ketika kapal dimasukkan ke dalam air, tangki ini akan terisi air sehingga kapal dapat menyelam.

c) Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Alat ini berbentuk tabung yang berisi pemberat dan ruang udara sehingga akan terapung tegak dan stabil seketika. Hidrometer bekerja sesuai dengan prinsip Archimedes.

d) Jembatan Poton

Di pelabuhan kamu dapat melihat jembatan yang terbuat dari drum-drum besar yang mengapung di atas air. Jembatan ini disebut jembatan ponton. Drum-drum itu biasanya terbuat dari besi dan di dalamnya diisi dengan udara sehingga massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis zat cair.

e) Balon Udara

Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis udara atmosfer sehingga balon udara dapat terbang karena mendapat gaya ke atas, misalnya diisi udara yang dipanaskan.