Tekanan merupakan gaya yang bekerja pada suatu permukaan tertentu.
A. TEKANAN PADA ZAT PADAT
Tekanan yang diberikan gaya terhadap permukaan benda yang disentuhnya merupakan dasar dari teknologi sederhana maupun canggih, misalnya mata paku dibuat runcing, fondasi dibuat juga meluas di dalam tanah. Tekanan pada permukaan benda dimana gaya bekerja dipengaruhi oleh:
1. Gaya yang bekerja
2. Luas bidang tekan tempat gaya bekerja.
Hubungan antara tekanan, gaya dan luas bidang tekan dalam suatu persamaan adalah sebagai berikut:
Keterangan:
P = tekanan (N/m2)
F = gaya tekan (N)
A = Luas penampang (m2)
Berdasarkan rumus di atas untuk gaya yang
sama, makin kecil luas bidang tekan gaya, makin besar tekanannya dan makin luas
bidang tekan gaya, makin kecil tekanannya.
Contoh soal:
Contoh 1:
Sebuah balok kayu terletak di atas lantai
seperti pada gambar. Jika gaya berat balok 12 N, maka besar tekanan
balok terhadap lantai adalah ....
Diket: F = 12 N
p = 30 cm = 0,3 m , l= 20 cm = 0,2 m dan t = 15 cm=1,5 m
Soal : P . . . .?
Jawab:
(i) Langkah 1 ( mencari luas penampang alas pada balok) karena alasnya berbentuk persegi panjang maka:
A= p . l
A = 0,3 . 0,2
A = 0,06 m2
(ii) mencari tekanan dengan memasukkan rumus berikut:
P
=
P = 200 N/m2
Contoh soal 2
Sebuah balok beton berukuran 1,5 m x 2 m x 4 m adalah 2400 kg.jikapercepatan gravitasi = 10 m/s2, maka tekanan maksimum yang dikerjakan balok beton pada tanah adalah . . ..
Diketahui ; m = 2400 kg
g = 10 m/s2
Ditanya : p max…?
Jawab : P max terjadi pada A min
F = w=m.g
2400 kg . 10 m/s2 = 24ooo N
A min terjadi pada luas beton 1,5m x 2m = 3 m2
Jadi tekanan maximum p mak, adalah
P max = F/ A min
24000 / 3 = 8000 Pa
Contoh 3:
Seorang murid mendorong gerobak dengan kedua tangannya dengan gaya sebesar 90 N. Jika luas sebuah telapak tangan adalah 150 cm2. Tekanan yang diberikan murid tersebut adalah . . ..
Diketahui:
F = 90 N
A = 2 X 150 cm2 = 300 cm2 = 0,03 m2
Ditanya : P . . .?
Jawab :
P = 90 / 0,03
P = 3000 N.
B. TEKANAN PADA ZAT CAIR
1. TEKANAN HIDROSTATIS
Tekanan hidrostatis merupakan tekanan yang disebabkan oleh zat cair yang diam sehingga memberikan tekanan ke lingkungan sekitarnya.
Zat cair memiliki berat sehingga memberikan gaya ke segala arah, oleh karena itu zat cair memiliki tekanan. Tekanan zat cair diam dikenal dengan tekanan hidrostatis, sedangkan zat cair bergerak sebagai fluida bergerak dipelajari di SMA.
Menurut percobaan dengan menggunakan pesawat Hartl dapat disimpulkan bahwa:
1. Pada kedalaman yang sama atau ketinggian yang sama tekanan hidrostatis sama besar.
2. Makin besar kedalaman zat cair, tekanan hidrostatis makin besar
3. Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah
4. Makin besar massa jenis zat cair, tekanan hidrostatisnya makin besar.
Tekanan hidrostatis juga dipengaruhi oleh massa jenis zat. Semakin
besar massa jenis zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan.
Secara matematis dirumuskan:
karena berat (w) = m × g
m = ρ × V
V = h × A
Maka dapat ditulis bahwa:
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 (m3)
A = Luas bidang
Contoh
penerapan tekanan hidrostatis:
1.
Waterpass (alat untuk menentukan
kerapatan suatu permukaan)
2.
Pembangunan struktur bendungan yang
mana pada bagian bawah dibuat tembok semakin ke bawah temboknya semakin tebal
karena semakin ke dasar tekanan air semakin besar.
Contoh soal
Soal 2.1
Perhatikan gambar tabung yang berisi air dengan massa jenis 1000
kg/m3 dan percepatan
gravitasi 10 m/s2.
50 cm ۰P 30 cm
Besarnya tekanan di titik P adalah …
Diketahui:
P = 1000 kg/m3
; g = 10 m/s2 ; h =
50 - 20 cm = 30 cm = 0,3 m
Ditanya: P . . ..?
Jawab:
P = p.g.h
= 1000. 10. 0,3
= 3000 N/m2
Contoh soal 2.2
Pada sebuah dasar kolam air dideteksi oleh alat pengukur tekana
hidrostatis menunjukkan angka 50.000 pascal. Maka berapakah kedalaman kolam air
tersebut?
Pembahasan :
ditanya h = ….?
ρ = 1000 kg/m3, g = 10 m/s2
Ph = 50.000 Pa
Ph = ρ.g.h
50.000 = 1000 x 10 x h
h = 5 meter.
Contoh soal 2.3
Seekor ikan sedang berenang diakuarium. Ikan tersebut sedang
berada 50 cm dari permukaan akuarium. Maka berapakah tekanan hidrostatis yang
diterima oleh ikan? Apabila massa jenisair=1000 kg/m3 kemudian
dengan percepatan gravitasi bumi 10 m/s2)
Pembahasan :
Diketahui : h = 50 cm = 0,5 m
ρ = 1000 kg/m3, g = 10 m/s2
Ph = ρ.g.h
Ph = 1000 x 10 x 0,5
Ph = 5000 Pa.
Jadi tekanan hidrostatis yang diterima oleh ikan ialah 5000
pascal.
C. BEJANA BERHUBUNGAN
Bejana
berhubungan adalah benda yang mempunyai lubang permukaan yang berbeda dan diisi
dengan zat cair. Contoh bejana berhubungan
antara lain cerek, teko, dan selang air minum, air mancur, aliran pipa
ledeng. Konsep bejana berhubungan yakni
permukaan zat yang sejenis dalam suatu
bejana berhubungan selalu mendatar dan sama tinggi.
Asas bejana
berhhubungan tidak berlaku pada kondisi:
1. Pada bejana diisi oleh
zat cair dengan massa jenis berbeda.
2. Bejana dalam keadaan tertutup, baik salah satu bejana maupun
semuanya.
3. Adanya unsur pipa
kapiler pada bejana, yaitu pipa kecil yang memungkinkan air menaiki sisi
bejana.
4. Jika zat cair dalam
bejana berhubungan digoncang-goncangkan atau zat cairnya bergerak.
Persamaan
penentuan permukaan zat cair tak sejenis
dalam bejana berhubungan berlaku sebagai berikut:
Keterangan:
P1 = masa jenis
zat cair 1 (kg/m3)
P2 = massa jenis
zat cair 2 (kg/m3)
h1 = ketinggian
zat cair 1 (m)
h 2= ketinggian
zat cair 2 (m)
Contoh soal 3.1
Sebuah
pipa U mula-mula diisi dengan air. Pada salah satu kaki bejana tersebut diberi
minyak. Tinggi minyak adalah 10 cm dan selisih tinggi permukaann air adalah 8
cm. Jika diketahui massa jenis air adalah
Perhatikan
gambar berikut!
Diketahui: hm =10 cm, ha = 8 cm ; pa = 1 gr/cm3
Ditanyakan: pm . . . .?
Jawab : pa = pm
D. Hukum Archimides
Bunyi:
Bila benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair, akan mendapat
gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang didesak
(dipindahkan).
Makin
besar benda, maka makin besar pula zat cair yang didesaknya.
Jika
benda dicelupkan ke dalam zat cair seolah-olahberatnya berkurang berarti ada
sesuatu yang menyebabkan. Sesuatu tersebut adalah gaya ke atas yang diberikan
oleh air. Besarnya gaya ke atas sama dengan berat zat cair yang di desak.
Jika volume zat cair yang dipindahkan besarnya V dan kerapatan
fluida (massa per satuan volume) adalah ρ maka besarnya massa fluida yang
dipindahkan adalah:
m = ρ.V
Besarnya berat fluida yang dipindahkan adalah
w = m.g = ρ.V.g
Menurut prinsip Archimedes, besarnya gaya tekan keatas sama dengan
berat benda yang dipindahkan:
Fa = w= ρ.V.g
Jika suatu sistem dalam keadaan seimbang, maka dapat dirumuskan
Fa= w
ρf.Vbf.g= ρb.Vb.g
ρf.Vbf = ρb.Vb
Keterangan:
m = massa (kg)
ρ = massa jenis (kg/m3)
V = volume (m3)
Fa = gaya apung (N)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
wf = gaya berat benda (N)
ρf = massa jenis fluida (kg/m3)
Vbf = volume benda yang tercelup ke dalam zat cair (m3)
ρb = massa jenis benda (kg/m3)
Vb = volume benda (m3)
|
Benda terapung |
Benda melayang |
Benda tenggelam |
|
Syarat: · Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis
zat cair · Volume zat cair yang dipindahkan lebih kecil
daripada volume benda · Berat benda sama dengan gaya ke atas |
Syarat: ·
Massa
jenis benda sama dengan massa jenis zat cair ·
Volume
zat cair yang dipindahkan sama dengan volume benda ·
Berat
benda sama dengan gaya ke atas |
Syarat: ·
Massa
jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair ·
Volume
zat cair yang dipindahkan sama dengan volume benda ·
Berat
benda lebih besar daripada gaya ke atas |
Alat-
alat yang bekerjanya berdasarkan Hukum Archimides:
1. Hidrometer
( alat untuk mengukur massa jenis zat)
2. kapal
laut
Kapal
dibuat makin kecil ke bagian bawah agar volume kapal yang tercelup jauh lebih
kecil dari volume kapal yang tersembul di atas permukaan air. Gaya ke atas yang
dialami kapal sama dengan berat air laut yang volumenya sama dengan volume
kapal yang tercelup.
3.galangan
kapal
4. balon
udara
5. Kapal
selam
Prinsip
kerja kapal selam:
a)
Bila
kapal pada kedudukan mengapung, tangki-tangki berisi udara agar bobot kapal
berkurang
b)
Bila
kapal ingin melayang, tangki diisi dengan air laut tidak penuh, agar kapal
mulai terbenam sampai kedudukan melayang
c)
Bila
kapal ingin tenggelam mendekati dasar laut tangki diisi penuh dengan air agar
kapal makin berat dan tenggelam
d)
Bila
kapal ingin bergerak naik ke permukaan air dalam tangki segera dipompa keluar
agar kapal makin ringan dan mulai bergerak naik.
Contoh
soal 4.1
Besi
yang volumenya 200 cm3 dimasukkan ke bensin. Massa jenis bensin 700
kg/m3. Berapakah gaya ke atas yang dialami besi:
Diketahui:
vb = 200 cm3
P bensin
= 700 kg/m3
Ditanyakan
: Fa ..............?
Penyelesaian:
V zat
cair yang dipindahkan = V besi
V = 200
cm3 = 0,002 m3
FA = p.g
V
FA = 700
.10.0,002
FA = 14
N/m3
Contoh
soal 4.2
Balok
kayu yang volumenya 300cm3 dicelupkamm ke dalam air, yang massa
jensinya 1000 kg/m3. Jika massa jenis kayu 600 kg/m3,
berapakah gaya ke atas yang dialami balok tersebut?
Diketahui:
Vk = 300 cm3, p air =
1000 kg/m3, p kayu = 600 kg/m3
Ditanya
: FA ............?
Pembahasan:
ρf.Vbf = ρb.Vb
1000. Vbf = 600.300
Vbf = 180 cm3 = 0, 00018
m3
FA = p.g V
FA = 1000. 10. 0,00018
FA = 1,8 N
Contoh soal 4.3
Berat kapal pengangkut barang dalam keadaan kosong 16.000 N. Kapal
akan mengangkut beban barang yang beratnya 14.000 N serta beberapa orang
termasuk penumpang dan anak buah kapal (ABK). Kapal dapat berlayar dengan aman
jika lambung kapal yang berada di bawah permukaan air memiliki volume 4,2 m3.
Berat rata – rata satu orang 600N. Jika massa jenis air laut 1000 kg/m3 .
Berapakah jumlah orang terbanyak yang dapat diangkut kapal?
Penyelesaian:
FA = W total
FA = W kapal + W barang + W orang
p.g Vtercelup = W kapal + W
barang + n.W orang
1000. 10. 4,2 = 16.000 + 14.000 + n. 600
42.000 = 30.000 + 600.n
42.000 – 30.000 = 600.n
12.000 = 600.n
12.000 / 600 = n
20 = n
Jadi banyak orang maksimum adalah 20 orang
Bunyi
hukum Pascal : Jika gaya diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup, maka
tekanannya diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama rata dan
sama kuat.
Contoh
penerapan hukum pascal dalam kehidupan sehari-hari: dongkrak hidrolik, alat
pengangkat mobil, rem mobil, kempa hidrolik. Persamaan pada hukum pascal:
Pmasuk =
Pkeluar
Dengan gambar diatas, persamaan dari Hukum Pascal
dapat dituliskan sebagai :
P1=P2
F1/A1=F2/A2
Dengan :
P1 : tekanan masuk (Pa)
P2 : tekanan keluar (Pa)
F1 : gaya yang diberikan (N)
F2 : gaya yang dihasilkan (N)
A1 : luasan gaya yang diberikan (m2 )
A2 : luasan dihasilkan (m2 )
Pada pengangkat
mobil hidrolik, fluida di dalam sistem akan selalu memiliki volume yang sama
sehingga persamaan Hukum Pascal dapat pula dituliskan sebagai perbandingan
volume keluar dan masuk yang mana:
V1=V2
atau dapat dituliskan sebagai
A1.h1=A2.h2
Dimana :
V1 = volume yang terdorong masuk
V2 = volume yang keluar
A1 = luasan penampang masuk
A2 = luasan penampang keluar
h1 = kedalaman penampang yang masuk
h2 = ketinggian penampang yang keluar
Contoh
soal 5.1
Perhatikan gambar di
atas!
Sebuah dongkrak
hidroulis memiliki penampang kecil dan besar masing-masing 10 cm2
dan 100 cm2. jika beban
seberat 200 N di letakkan pada penampang besar, berapakah gaya yang diperlukan
untuk menekan penampang kecil?
Diketahui:
— A1 = 100 cm2
— A2 = 10 cm2
— F1 = 200 N
Ditanyakan:
F2=…?
Jadi besar gaya angkat
yang digunakan untuk menekan penampang kecil adalah 20 N
Contoh
soal 5.2
Ada dua buah tabung yang berbeda luas penampangnya
saling berhubungan satu sama lain. Tabung ini diisi dengan air dan
masing-masing permukaan tabung ditutup dengan pengisap. Luas pengisap A1 =
50 cm2 sedangakan luas pengisap A2 adalah
250 cm2. Apabila pada pngisap A1 diberi beban
seberat 100 N. Berpakah besar gaya minimal yang harus bekerja pada pada A2 agar
beban tersebut dapat diangkat?
Diketahui
A1 = 50 cm2
A2 = 250 cm2
F1 = 100 N
Ditanya F2 =
Jawab
F1/A1 = F2/A2
100/50 = F2/100
F2 = 100.
100 /50 = 200 N
Contoh
soal 5.3
Sebuah pompa hidrolik berbentuk silinder memiliki jari-jari 4 cm
dan 20 cm. Jika pengisap kecil ditekan dengan gaya 200 N, berapakah gaya yang
dihasilkan pada pengisap besar?
Jawab :
Contoh
soal 5.4
Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap masing-masing
sebesar 0,10 m2 dan 4×10–4 m2 digunakan
untuk mengangkat mobil seberat 2 × 104 N. Berapakah besar gaya yang harus
diberikan pada pengisap yang kecil?
F. TEKANAN ZAT GAS
Udara memiliki berat.
Tekanan udara paling besar dialami oleh
tempat-tempat yang ketinggiannya hampir sejajar dengan permukaan laut.
Angin muncul karena perbedaan tekanan
udara (angin bertiup dari daerah bertekanan udara tinggi ke daerah bertekanan
udara rendah.
Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan
udara disbut barometer.
Tekanan udara dipengaruhi oleh tempat.
Tekanan berkurang 1 mmHg setiap kenaikan 10 m dari permukaan laut. Dengan kata
lain setiap kenaikan 100 m, terjadi
pengurangan tekanna sebesar 1 cmHg. Dirumuskan:
Ph = (Pu
– h/100) cmHg
Ph = tekanan pada ketinggian h
Pu = tekanan udara permukaan air laut
h = tinggi suatu tempat
untuk
mencari ketinggian
h =
(Pu-Ph) x 100 m
Contoh Soal 6.1
Wilayah
Jakarta utara memiliki ketinggian 10 m dibawah permukaan air laut. Berapakah
tekanan udara di tempat tersebut.
Jawab
Ph = (Pu – h/100) cmHg
Ph = (76 – (-10)/100) = 76 + 0,1 = 76,1 cmHg
jika disuatu puncak gunung tekanan udaranya adalah 45 cmHg, berapa
ketinggian gunung tersebut dari permukaan air laut?
h = (Pu-Ph) x 100
h = (76-45 x 100) = 31 x 100 = 3100 m di atas permukaan laut.
G.
APLIKASI KONSEP TEKANAN ZAT pada MAKHLUK HIDUP
1. Pengangkutan
Air dan Nutrisi pada tumbuhan.
·
Mekanisme
pengangkutan pada tumbuhan dapat berlangsung karena peristiwa-peristiwa
berikut:
1.
Difusi:
perpindahan zat terlarut dari larutan berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah
tanpa melalui selaput semipermeabel
2.
Osmosis:
perpindahan zat terlarut dari konsentrasi rendah ke konsentrasi tinggi melalui
selaput semipermeabel.
3.
Imbibisi:
peresapan air ke dalam ruangan antar sel
4.
Transpor
aktif: perpindahan zat melawan gradien konsentrasi
·
Pengangkutan
air dan mineral
1.
Pengankutan
ekstraseluler (berlangsung di luar jaringan pengangkut
|
Pen gangkutan simplas |
Pengangkutan apoplas |
|
Pengangkutan air dan mineral melalui
sitoplasma dan terjadi secara osmosis serta transpor aktif. Urutan: Air dalam tanah – bulu akar – epidermis –
korteks – endodermis – stele - xylem |
Air dan mienral dari dalam tanah diserap
secara difusi dam dilewatkan melalui ruang antarsel |
2.
Pengankutan intravaskuler (berlangsung dalam jaringan pengangkut)
Urutan
pengangkutan air dan mineral secara intravaskuler sebagai berikut:
Xylem
akar - xylem batang – xylem tangkai daun
– xylem tulang daun – mesofil.
Pengangkutan
air dan hara dalam xylem dipengaruhi oleh beberapa faktor:
1.
Daya
kapilaritas batang: Air dan mineral dapat naik dari akar menuju daun
dikarenakan air berada pada batang tumbuhan akna lebih tinggi dibandingkan
dengan air yang berada dalam tanah. Daya kapilaritas batang dipengaruhi oleh
gaya adhesi dan kohesi.
2.
Daya
tekan akar: Tekanan akar ini disebabkan perbedaan konsentrasi air dalam tanah
dan cairan dalam xylem
3.
Daya
isap daun: Air dan mineral dapat diangkut kedaun karena pada daun terjadi
transpirasi yang mengakibatkan air bergerak dari bawah ke atas daun
4.
Pengaruh
sel-sel yang hidup, terutama di sekitar xylem yaitu sel parenkim dan jari –
jari empulur.
2. Pengangkutan hasil fotosintesis (nutrisi)
Pengangkutan
hasil fotosintesis dari daun ke bagian
tumbuhan yang memerlukan disebut translokasi. Proses pengangkutan air ini
dimulai dari daun (daearah yang memiliki konsentrasi gula tinggi) ke bagian
tumbuhan lain yang dituju (daerah yang memiliki konsentrasi gula rendah).
Pengangkutan nutrisi ini dibantu oleh sirkulasi air yang melalui pembuluh xylem
dan floem.
3. Tekanan
darah pada sistem peredaran darah manusia
Pada
saat jantung memompa darah, darah akan mendapat dorongan sehingga mengalir
melalui pembuluh darah. Saat darah mengalir melalui pembuluh darah, darah
memberikan dorongan pada dinding pembuluh darah yang disebut tekanan darah.
Agar tekanan darah tetap terjaga, pembuluh darah harus terisi penuh darah.
Apabila terjadi kecelakaan yang mengakibatkan seseorang kehilangan darah,
tekanan darah dapat menghilang sehingga darah tidak dapat mengalir menuju sel
tubuh akibatnya sel tubuh akan mati karena tidak mendapat pasokan nutrisi dan
oksigen.
Proses
pengukuran tekanan darah berlaku hukum pascal. Tekanan darah yang berada pada
aorta akan sama dengan tekanan darah yang terjadi pada arteri yang ada di
bagian tubuh yang lain.
4. Tekanan
gas pada proses pernafasan manusia
Hukum gas
ideal yang menyatakan bahwa:
pV = nRT
Dari sini terlihat bahwa tekanan (p) berbanding terbalik dengan
volume (V) artinya, bila volume meningkat (mengembang), maka tekanan akan
menurun. Sebaliknya, bila volume menurun (mengempis), maka tekanan akan naik.
Prinsip perubahan tekanan akibat
perubahan volume ini terjadi pada saat kita bernafas.
Udara akan bergerak dari tempat dengan tekanan tinggi menuju ke tempat
bertekanan rendah.
Dengan mengatur volume paru-paru, kita bisa
mengatur tekanan udara di paru-paru, dan pada akhirnya mengatur apakah udara
keluar atau masuk di tubuh kita.
Saat kita menarik nafas, diafragma akan bergerak ke atas, volume
paru-paru akan meningkat, dan tekanan
udara di paru-paru akan menurun. Akibatnya, udara
dari atmosfer luar akan masuk ke dalam paru-paru.