TEKANAN ZAT
1. Tekanan zat Padat
Tekanan adalah besarnya gaya yang bekerja pada benda tiap satuan luas bidang tekan.
Besar tekanan dapat ditulis dalam bentuk rumus berikut.
P=F/A
Keterangan:
- P = tekanan (N/m2)
- F = gaya tekan (N)
- A = luas bidang tekan (m2)
Dalam SI satuan tekanan adalah pascal (Pa) atau N/m2.
Semakin besar gaya tekan, semakin besar tekanannya. Semakin luas bidang tekan, semakin kecil tekannya.
Dari rumus tersebut dapat diketahui bahwa:
- Makin besar gaya tekan yang diberikan, makin kecil tekanan yang dihasiilkan
- Makin kecil luas permukaan bidang tekan, makin besar tekanan yang dihasilkan.
Contoh menghitung besarnya tekanan, luas bidang tekan dan gaya yang bekerja pada benda:
Indah kalalo memiliki massa 50 kg pergi ke pasar dengan menggunakan sepatu hak lancip, jika tekanan yang indah berikan pada lantai 1500 N/m2, hitunglah berapa luas permukaan sepatu indah….!! (g = 10 m/s2 )
Jawab:
Pada penjelasan di awal, diberikan beberapa contoh penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini diberikan contoh lain penerapan konsep tekanan.
1. Kapak
Mata kapak dibuat tajam untuk memperbesar tekanan sehingga memudahkan tukang kayu dalam memotong atau membelah kayu. Orang yang memotong kayu dengan kapak yang tajam akan lebih sedikit mengeluarkan tenaganya daripada jika ia menggunakan kapak yang tumpul dengan gaya yang sama. Jadi, kapak yang baik adalah kapak yang mempunyai luas permukaan bidang yang kecil. Dalam bahasa sehari-hari luas permukaan kapak yang kecil disebut tajam.
2. Sirip Ikan
Sirip ikan yang lebar memungkinkan ikan bergerak dalam air karena memperoleh gaya dorong dari gerakan siripnya yang lebar. Sirip ini memberikan tekanan yang besar ke air ketika sirip tersebut digerakkan. Akibatnya, ikan memperoleh gaya dorong air sebagai reaksinya.
3. Sepatu Salju
Orang-orang yang hidup di daerah bersalju secara langsung atau tidak telah memanfaatkan konsep tekanan. Mereka membuat sepatu salju yang luas alasnya besar sehingga mampu memperkecil tekanan berat tubuhnya pada salju. Hal ini mempermudah mereka berjalan di atas salju.
2. Tekanan Zat Cair
Tekanan yang dihasilkan oleh zat cair tersebut dinamakan tekanan hidrostatis.
Semakin dalam posisi zat yang diam, maka semakin besar tekanannya. Hal ini menunjukkan bahwa tekanan hidrsotatis sebanding dengan kedalaman.
Jenis zat cair juga dapat mempengaruhi tekanan hidrostatis. Semakin besar massa jenis zat cair, maka semakin besar pula tekanan yang dihasilkan pada kedalaman tertentu.
Tekanan hidrostatis disebabkan oleh berat zat cair, sehingga :
P = w/A
karena
- w = m x g
- m = ρ x V
- V = h x A
maka :
P = (ρ x g x h x A) / A
atau
P = ρ x g x h
dengan :
- P = tekanan (N/m2)
- m = massa benda (kg)
- ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
- g = percepatan gravitasi (m/s2)
- h = tinggi zat cair (m)
- V = volume zat cair (m3)
Di dalam dunia teknik bendungan, para arsitek membuat suatu bendungan dengan memperhitungkan tekanan hidrostatis. Hal ini ditunjukkan dengan semakin menebalnya dinding bendungan ke dasar permukaan air.
Selain itu, para arsitek kapal juga memperhitungkan tekanan hidrostatis air laut dalam membuat kapal selam, sehingga kapal selam mampu menyelam ke dasar laut dengan kedalaman hingga ratusan meter tanpa bocor atau rusak.
Manusia ternyata hanya mampu menyelam hingga kedalaman sekitar 20 m. Hal tersebut dikarenakan paru-paru manusia tidak dapat menahan tekanan yang besar (> 240.000 Pa).
1. Hukum Archimedes
Apabila kamu berdiri di dalam kolam renang yang sedang diisi air, semakin penuh air kolam tersebut, kamu akan merasakan seolah-olah badan kamu semakin ringan.
Bahkan apabila air kolam sudah sampai kepala, maka kamu akan dapat terapung. Prinsip tersebut juga biasa digunakan agar kapal laut terapung di permukaan air.
Ketika suatu benda dimasukkan ke dalam air, ternyata beratnya seolah-olah berkurang. Peristiwa tersebut tentu bukan karena ada massa benda yang hllang, akan tetapi disebabkan oleh suatu gaya yang mendorong benda yang arahnya berlawanan dengan arah berat benda.
Seorang ahli fisika yang bernama Archimedes mempelajari hal ini dengan cara memasukkan dirinya ke dalam bak mandi.
Ternyata Archimedes merasakan beratnya menjadi lebih ringan ketika di dalam air. Gaya ini disebut dengan gaya apung (Fa). Gaya apung sama dengan berat benda di udara dikurangi dengan berat benda di dalam air.
Fa = wu – wa
dengan :
- Fa = gaya apung (N)
- wu = gaya berat benda di udara (N)
- wa = gaya berat benda di air (N)
Besarnya gaya apung tergantung pada banyaknya air yang didesak oleh benda. Semakin besar air yang didesak, maka semakin besar pula gaya apungnya. Hasil penemuan ini dikenal dengan Hukum Arcihemedes, yang menyatakan :
“jika suatu benda dicelupkan ke dalam zat cair, baik sebagian atau seluruhnya, maka benda akan mendapatkan gaya apung (gaya ke atas) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang desak oleh benda tersebut.”
Secara matematis ditulis :
Fa = wf
Karena
wf = mf x g
dan
mf = ρf x V
maka
wf = ρf x V x g
dengan :
- Fa = gaya apung (N)
- ρf = massa jenis za cair (kg/m3)
- V = volume air yang didesak atau volume benda yang tercelup (m3)
- g = percepatan gravitasi (m/s2)
Benda di dalam zat cair dapat berada pada tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam.
Benda mengapung, jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair (ρb < ρa)
Benda melayang, jika massa jenis benda sama besar dengan massa jenis zat cair (ρb = ρa)
Benda tenggelam, jika massa jenis benda lebih besar daripada mass jenis zat cair (ρb > ρa)
Beberapa teknologi yang memanfaatkan prinsip hukum Archimedes adalah sebagai berikut.
a. Kapal selam
Kapal selam adalah kapal yang dapat bergerak dalam tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam.
Pada badan kapal selam, terdapat bagian yang dapat diisi udara dan air. Ketika kapal selam ingin terapung, maka bagian tersebut harus diisi udara.
Ketika akan melayang, udaranya akan dikeluarkan dan disi air, sehingga mencapai keadaan melayang. Jika ingin tenggelam, maka airnya harus lebih diperbanyak lagi.
b. Hidrometer
Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Cara menggunakan hidrometer adalah dengan mencelupkannya pada zat cair yang akan diukur massa jenisnya.
Setelah itu dilihat skala permukaan zat cair. Nilai yang tampak merupakan skala massa jenis dari zat cair tersebut.
c. Jembatan ponton
Di pelabuhan, kita dapat melihat jembatan yang terbuat dari drum-drum besar yang mengapung di atas air. Jembatan itu dinamakan jembatan ponton.
Drum-drum tersebut biasanya terbuat dari besi dan didalamnya diisi dengan udara sehingga massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis zat cair.
d. 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 di atmosfer sehingga dapat terbang karena mendapatkan gaya ke atas.
2. Hukum Pascal
Pernahkah kamu melihat mobil yang dicuci di tempat pencucian kendaraan? Mobil yang akan dicuci tersebut diangkat dengan menggunakan alat pengangkat yang dinamakan pompa hidrolik. Pompa hidrolik adalah salah satu alat yang bekerjanya menggunakan prinsip hukum Pascal.
Hukum Pascal menyatakan bahwa :
“Tekanan yang diberikan pada zat cair di ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama rata.”
Mengapa gaya yang lebih kecil dapat mengangkat gaya berat beban yang lebih besar? Pada pompa hidrolik, terdapat dua luas penampang yang berbeda, yaitu luas penampang kecil (A1) dan luas penampang besar (A).
Jika penampang dengan luas A1 diberi gaya dorong F1, maka akan dihasilkan tekanan P1.
Menurut hukum Pascal, tekanan P1 tersebut diteruskan ke segala arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang A2. Dengan demikian, pada penampang A akan muncul gaya angkat F2 dengan tekanan P2.
Secara matematis akan diperoleh persamaan pada dongkrak hidrolik sebagai berikut.
dengan :
- P1 dan P2 = tekanan (N/m2)
- F1 dan F2 = gaya yang diberikan (Newton)
- A1 dan A2 = luas penampang (m2)
- Contoh soal :
Sebuah alat pengangkat mobil menggunakan luas penampang pengisap kecil 10 cm2 dan pengisap besar 50 cm2.
Berapakah gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil dengan berat 20.000 N?
Pembahasan :
Diket : A1 = 10 cm2, A2 = 50 cm2, F2 = 20.000 N
Dit : F1 = … ?
Jawab :
F1 = (F2/A2) x A1
= 4.000 N
Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan gaya 4.000 N dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N menggunakan konstruksi mesin pengangkat mobil tersebut.
Beberapa peralatan lainnya yang menerapkan hukum Pascal, antara lain rem hidrolik pada kendaraan bermotor, kempa hidrolik, dan alat berat untuk mengeruk tanah dan pasir.
3. Tekanan Gas
Tekanan zat gas dalam bahasa sehari – hari, sering disebut dengan tekanan udara.
Bumi ini diselimuti oleh lapisan udara, seperti yang udah kamu ketahui udara mempunyai berat dan berat udara dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi.
Jadi, karena udara itu mempunyai sebuah berat maka udara juga mempunyai tekanan.
Tekanan merupakan satuan fisika buat menyatakan kalo gaya (F) per satuan luas (A), dan satuan tekanan sering dipakai buat mengukur kekuatan dari suatu cairan dan gas.
Selain itu, tekanan juga bisa dihubungkan dengan memakai satuan volume dan juga suhu.
a. Hukum Tekanan Zat Gas
Sekitar tahun 1627 sampai 1691 ada seorang ahli Fisika bernama Robert Boyle yang berasal dari Inggris ini melakukan percobaan pemampatan suatu udara.
Hasil dari pecobaannya ini menyatakan kalo:
Hasil dari tekanan dan volume gas dalam ruang tertutup selalu tetap, yang penting suhu gas gak berubah – ubah.
Dari pernyataan tersebut, yang sekarang dikenal dengan Hukum Boyle. Nah, hukum boyle ini bisa ditulis dalam rumus seperti berikut ini:
p.V = c
Keterangan:
- P = Tekanan
- V = Volume
- c = Bilangan tetap (konstanta)
Nah karena p.V = c, berarti:
p1.V1 = p2.V2
Keterangan:
- p1 = Tekanan udara mula – mula
- V1 = Volume udara mula – mula
- p2 = Tekanan udara akhir
- V2 = Volume udara akhir
4.Rumus Tekanan Zat Gas
Nah, buat menghitung suatu tekanan zat gas pada ketinggian tertentu, maka kamu pakai persamaan yang ada dibawah ini:
h = (76 cmHg – Pbar) x 100m
Pgas = (Pbar ± h) cmHg
Keterangan:
- Pgas = Tekanan gas
- Pbar = Tekanan pada barometer
- h = Ketinggian tempat (m)
Jadi, tekanan zat gas dalam ruang terbuka maka pakai barometer. Sedangkan, tekanan gas dalam ruang tertutup bisa diukur dengan manometer.
Manometer dibedakan menjadi dua jenis, yaitu manometer raksa dan manometer logam.
5. Alat Untuk Mengukur Tekanan Zat Gas
Alat buat mengukur tekanan zat gas sendiri dibagi menjadi 3 jenis, diantaranya sebagai berikut ini:
1. Manometer Raksa Terbuka
Manometer raksa terbuka merupakan sebuah tabung berbentuk (U) yang kedua ujungnya terbuka.
Salah satu kaki manometer raksa terbuka dibiarkan terbuka, supaya berhubungan dengan udara luar. Sedangkan, kaki lainnya dihubungkan ke suatu ruang yang akan diukur tekanan gasnya.
Kemudian, buat menghitung tekanan gas memakai manometer terbuka ini memakai sebuah persamaan seperti dibawah ini:
Pgas = Pbar + h
Kalo permukaan raksa dalam kaki yang terbuka lebih tinggi dari pada permukaan kaki lainnya, maka tekanan gas nya adalah:
Pgas = (pu + h) cmHg
Lalu, kalo permukaan raksa dalam kaki terbuka lebih rendah dari pada permukaan lainnya, maka tekanan gasnya adalah:
Pgas = (pu – h) cmHg
Keterangan:
- Pgas = Tekanan gas dalam ruang reservoir
- pu = Tekanan udara luar
- h = Selisih tinggi permukaan raksa pada kedua kaki pipa.
2. Manometer Raksa Tertutup
Manometer raksa tertutup merupakan sebuah tabung berbentuk (U) yang salah satu ujungnya tertutup.
Sebelum dipakai, permukaan raksa pada kedua kaki sama tinggi, ujung pipa yang terbuka dihubungkan keruang yang akan diukur tekanan gasnya.
Dengan itu, bisa kamu buat sebuah persamaan yaitu:
Pgas adalah selisih tinggi raksa + tekanan udara dalam tabung
Pgas adalah h + (h1/h2).pu
Keterangan:
- Pgas = Tekanan gas dalam ruang reservoir
- h = Selisih tinggi permukaan antara kedua kaki pipa
- h1 = Tinggi kolom udara sebelum kran terbuka
- h2 = Tinggi kolom udara sesudah kran terbuka
- pu = Tekanan udara luar.
3. Manometer Bourdon atau Logam
Nama Bourdon ini merupakan penemu alat manometer yang penemuannya di patenkan sejak 18 juni 1849.
Manometer yang satu ini terbuat dari bahan logam yang dipakai buat mengukur tekanan uap atau udara yang sangat tinggi.
Contohnya: Uap pembangkit listrik PLTU, alat buat mengukur tekanan udara ban, tekanan dalam ketel uap.
Buat parameter ini, gak memerlukan rumus separti yang lainnya. Karena, jarum di manometer udah menunjukan angka tekanan udara dari uap tersebut.
Sedangkan, dalam kehidupan sehari – hari kejadian yang berhubungan dengan tekanan zat gas adalah angin.
Angin merupakan udara yang bergerak dari tempat yang bertekanan tinggi ke tempat yang bertekanan lebih rendah. Ahli meteorologi sering memanfaatkan tekanan zat gas buat meramalkan cuaca.
Contoh Soal Tekanan Gas
1. Diketahui kota A terletak pada ketinggian 700 m di atas permukaan air laut. Tentukan tekanan udara di kota A!
Jawaban:
Diketahui:
h = 700 m
Ditanya: Tekanan udara di kota A?
Dijawab:
- h.1 cmHg = (76 cmHg – x).100 m
- 700 m . 1 cmHg = (76 cmHg – x).100 m
- 700 cmHg = 7600 cmHg – 100 x
- 100 x = 7600 cmHg – 700 cmHg
- 100 x = 6900 cmHg
- x = 6900 cmHg/100 = 69 cmHg
- Jadi, tekanan udara yang ada pada kota A adalah 69 cmHg
2. Ruang tertutup yang volumenya 0,2 m3 berisi gas dengan tekanan 60.000 Pa. Berapakah volume gas kalo tekanannya dijadikan 80.000 Pa?
Jawaban:
Diketahui:
P1 = 60.000 Pa
P2 = 80.000 Pa
V1 = 0,2 m3
Ditanya: V2 ?
Dijawab:
P1 . V1 = P2 . V2
60.000 Pa . 0,2 m3 = 80.000 Pa . V2
V2 = 1,2 m3/8
V2 = 0,15 m3
Jadi, volume gas yang tekanannya dijadikan 80.000 Pa adalah 0,15 m3
Tidak ada komentar:
Posting Komentar