Tekanan dan Pesawat Sederhana

 

Tekanan dan Pesawat Sederhana

Perhatikan gambar di atas. Seorang gadis berdiri di atas papan kayu yang mempunyai ukuran panjang dan lebar tertentu. Di permukaan bawah papan banyak terdapat paku yang menempel pada dada seorang laki-laki yang terlentang di atas paku-paku yang tersembul dari papan lain. Permainan semacam itu tidak bisa sembarangan ditiru karena biasa dilakukan oleh orang-orang yang mempunyai keahlian khusus, misalnya ahli yoga. Gaya berat gadis yang bekerja pada permukaan papan seluas A, menimbulkan tekanan pada papan itu, tekanan tersebut diteruskan sama rata ke tiap-tiap ujung paku ke tubuh laki-laki tersebut, dan diteruskan pula ke paku-paku di bawah punggungnya, sampai akhirnya diteruskan ke lantai. Bila laki-laki tersebut tidak menderita luka apapun, dalam fisika hal semacam itu tidak terasa aneh karena efek tekanan secara langsung terlihat pada penampang paling ujung /bawah. Lihatlah pada gambar di sebelah kanannya, seorang siswa SMP Negeri 1 Cimahi kelas 8 sedang mencoba alat yang sama, sementara dengan tenang dan gembira temannya melihat sambil berdiskusi tentang salah satu besaran dalam fisika yang menjelaskan kejadian ini, yaitu tekanan. Tentu saja siswa ini tidak perlu harus menjadi ahli yoga.

Tekanan atau dalam bahasa Inggris pressure diartikan sebagai gaya tiap satuan luas penampang, sehingga dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.

p = F/A

 

dimana F singkatan force adalah gaya dalam satuan newton, A singkatan area adalah luas penampang dalam satuan m² dan p adalah tekanan dalam satuan N/m² atau pascal (dalam system SI, sedangkan dalam sistem CGS satuan tekanan adalah dyne/cm²). Dalam sistem statis satuan tekanan dinyatakan dalam Kgf/m² atau gf/cm².

Tekanan yang dihasilkan oleh gaya sebanding dengan besar gaya dan berbanding terbalik dengan luas daerah yang dikenai gaya. Dengan gaya yang sama akan menghasilkan tekanan yang lebih besar bila luas penampangnya kecil.

 

Tekanan Pada Zat Padat

            Tekanan pada zat padat adalah hasil bagi antara gaya tekan dengan luas bidang tempat gaya itu bekerja. Tekanan dinyatakan dalam satuan newton / m² = N/m² atau Pascal (Pa).

Rumus tekanan :

P = F / A         atau                 F = P.A

Keterangan :
                        F = gaya tekan, satuannya newton ( N )

                        A = luas bidang sentuh, satuannya : m²

                        P = tekanan, satuannya : N / m² atau Pascal (Pa)

Besarnya tekanan sebanding dengan besarnya gaya dan berbanding terbalik dengan luas bidang tekannya. Ini berarti semakin besar gayanya semakin besar tekanannya, semakin luas bidang tekannya, semakin kecil tekanannya.

Misalnya itik dapat berjalan di atas tanah yang lembek, karena kaki itik berselaput. Kaki berselaput menyebabkan luas permukaan kaki itik lebih besar dibandingkan dengan kaki ayam, akibatnya tekanan yang diberikan itik lebih kecil.

Contoh Soal 1.

Perhatikan gambar berikut! Jika masing-masing balok mempunyai berat yang sama, yaitu 12 N, balok manakah yang memberikan tekanan lebih besar pada lantai?

 

 

 

Solusi :

Balok I

P=F/A

A = 30 cm x 10 cm = 300 cm² = 0,03 m²

P = 400 N/m²

Balok II

P=F/A

A = 20 cm x 10 cm = 200 cm² = 0,02 m²

P = 600 N/m²

Jadi, yang memberikan tekanan lebih besar pada lantai adalah Balok II, yaitu sebesar 600 N/m².

Kerjakan soal  di bawah ini serupa dengan soal 1. Dengan demikian kalian dapat menjelaskan mengapa ujung sebuah paku memberikan bekas lubang yang lebih dalam dibandingkan dengan bekas lubang yang diberikan sebutir kelereng pada plastisin jika dijatuhkan dari ketinggian yang sama. Demikian pula mengapa puluhan, bahkan ratusan paku di kursi tidak membahayakan kalau diduduki seorang siswa.

Tugas Individu :

Dua buah kubus masing-masing berbahan besi dan kayu berukuran sama mempunyai luas permukaan sebesar 40 cm²  diletakkan di atas lantai. Jika kubus I mempunyai berat  100 N dan kubus II mempunyai berat 80 N. Kubus manakah yang memberikan tekanan lebih besar pada lantai?

 

Tekanan Pada Zat Cair

            Tekanan Hidrostatis adalah  tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan.

Perhatikan gambar botol berisi air di sebelah ini. Titik E mengalami tekanan hidrostatis yang paling besar sehingga menyebabkan lubang E memancarkan air lebih jauh dari lubang A sampai D, sedangkan lubang A mengalami tekanan hidrostatis yang paling kecil, sehingga memancarkan air lebih kecil dari lubang B sampai E.  Mengapa demikian? Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah.  Makin tinggi zat cair dalam wadah, makin berat zat cair itu, sehingga makin besar pula tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Sehingga semakin dalam, tekanan hidrostatisnya akan semakin besar.

Tekanan hidrostatis disebabkan oleh berat zat cair, sehingga :

Karena w = m.g dan m = ρ.v  = ρ.h.A , maka :

Dimana:

p = tekanan hidrostatis (N/m²)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m²)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = kedalaman zat cair (m)

 

Hukum Utama Hidrostatis :

” Tekanan hidrostatis di semua titik yang berada dalam satu bidang mendatar di dalam suatu zat cair sejenis yang berada dalam keadaan seimbang adalah sama besar”.

 

            Penerapan hukum utama hidrostatis adalah pada konstruksi bendungan, yaitu semakin ke bawah, bendungan dibuat semakin tebal/kuat karena untuk menahan tekanan yang semakin dalam semakin kuat.Perhatikan waduk Saguling di bawah ini.

        Pernahkah Kamu melihat sebuah bola dipompa? Setelah bola menjadi cukup keras terlihat seluruh permukaan kulit bola menjadi sama keras. Hal itu menunjukkan udara di dalam bola menekan ke segala arah dengan sama kuatnya. Udara akan menghembus ke segala arah bila pompa ditekan

            Lakukan kegiatan berikut. Ambillah sebuah pompa pascal kemudian tariklah pengisap keluar sehingga pompa dalam keadaan terbuka. Isilah dengan air sampai penuh. Tekan pengisap perlahan-lahan. Apakah air memancar ? bagaimana kekuatan pancaran air pada seluruh bagian yang berlubang?.

                  

 

 Berdasarkan percobaan di atas, Blaise Pascal mengemukakan suatu hukum yang dikenal dengan Hukum Pascal, yaitu:

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar.

 

Aplikasi Hukum Pascal

Alat-alat teknik yang bekerjanya berdasarkan hukum Pascal antara lain; dongkrak hidrolik, kempa/alat pengepres hidrolik, rem hidrolik, pompa hidrolik, alat pengangkat mobil di tempat-tempat cucian mobil atau di bengkel, dan berbagai alat yang lain.

Hukum Archimedes

Pernahkah Kamu melihat bak mandi yang penuh dengan air. Bayangkan ada seseorang bernama Archimedes tiba-tiba menceburkan dirinya ke dalam bak mandi yang penuh berisi air tersebut. Apa yang terjadi ? tentunya air dari bak mandi sebagian akan tumpah, dan bila Archimedes keluar dari bak mandi pasti permukaan air dalam bak tidak meluap seperti sediakala. Bayangkan Kamu sempat menampung luapan air tadi tanpa satu tetespun yang terlewat. Lalu timbanglah, maka berat air tersebut sama persis dengan berat badan Archimedes.

Hukum Archimedes berbunyi sebagai berikut.

Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mendapat gaya ke atas seberat zat cair yang didesak oleh benda itu.

Alat-alat yang bekerjanya berdasar hukum Archimedes antara lain; kapal selam, galangan kapal, kapal laut, jembatan ponton (jembatan diatas air terbuat dari papan-papan kayu di atas drum-drum yang dirangkai menjadi satu).

 

Bejana Berhubungan

            Bejana berhubungan adalah dua buah bejana atau lebih yang bagian bawahnya saling berhubungan. Teko, bak penampungan air, pipa U tukang bangunan, merupakan beberapa contoh bejana berhubungan.

Jika bejana berhubungan tersebut kedalamnya diisikan dengan zat cair yang sejenis dan dalam keadaan diam (tidak bergoyang), maka tinggi zat cair pada masing-masing bejana mempunyai ketinggian yang sama, atau dapat dikatakan zat cair terletak dalam satu bidang datar. Begitu pula saat posisi bejana diubah, misalnya salah satu ujungnya diganjal dengan sebuah benda sehingga posisi bejana berhubungan menjadi miring, ternyata zat cair di dalamnya juga masih terletak  pada satu bidang datar. Seperti gambar di bawah ini.

 

 

 

 

 

Hal tersebut sesuai dengan bunyi hukum bejana berhubungan yang menyatakan bahwa : Jika bejana-bejana berhubungan diisi dengan zat cair sejenis dan dalam keadaan diam, permukaan zat cair itu terletak pada satu bidang datar.

 Bagaimana ya jika zat cair tersebut diisi dengan zat cair yang tidak sejenis?

Pipa “U” merupakan salah satu bentuk bejana berhubungan. Apabila ke dalam pipa “U” tersebut kita isikan air dengan volume tertentu, kemudian dari salah satu kakinya, misal kaki kiri kita isikan minyak dengan volume tertentu, ternyata ketinggian air di kedua kaki bejana menjadi tidak sama. Minyak tidak bercampur dengan air, akibatnya minyak akan mendesak air  yang ada di kaki kiri bejana sehingga permukaan air di kaki kanan bejana menjadi naik.

Bagaimana pula jika bejana berhubungan itu terdapat pipa kapilernya? Apakah tinggi permukaan zat cair yang sejenis juga akan sama? Ternyata, jika dalam bejana berhubungan terdapat pipa kapiler (pipa dengan lubang yang sangat kecil), maka permukaan zat cair tingginya pada masing-masing bejana tidak sama.  Kenapa ya? Hemm, ternyata ini berkaitan dengan adhesi dan kohesi. Jika bejana berhubungan yang terdapat pipa kapiler diisi dengan zat cair yang membasahi dinding (misalnya air) maka permukaan zat cair pada pipa kapiler akan lebih  tinggi daripada pipa lain yang diameternya lebih besar. Tetapi, jika bejana  berhubungan diisi dengan zat cair yang tidak membasahi dinding (misalnya air raksa), maka tinggi permukaan zat cair pada pipa kapiler lebih rendah daripada pipa dengan diameter yang lebih besar.

 

Dari keterangan diatas dapat disimpulkan bahwa hukum bejana berhubungan tidak berlaku apabila :

1. Bejana berhubungan diisi dengan zat cair yang tidak sejenis.

2. Bejana berhubungan memiliki pipa kapiler.

Nah, sekarang tahu kan mengapa tukang bangunan menggunakan selang yang berisi air untuk mengukur rata tinggi permukaan tembok pagar? Ketika selang itu ditarik di kedua sisinya membentuk huruf  “U” maka prinsip kerjanya sama dengan prinsip kerja bejana berhubungan, tinggi permukaan air dalam selang menunjukkan tinggi permukaan yang sama pula.

Lihat juga : pesawat sederhana