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
A = 30 cm x 10 cm = 300 cm² = 0,03 m²
P = 400 N/m²
Balok II
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 =
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.
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.
Lihat juga : pesawat sederhana