Tekanan pada zat padat, zat cair dan zat gas

Tekanan Zat Padat, zat cair dan zat gas serta Penerapannya di Kehidupan Sehari-hari 

Definisi Tekanan
Tekanan merupakan suatu ukuran yang terdiri dari besarnya gaya yang bekerja pada suatu benda untuk setiap satu satuan luas permukaan bidang tekan. Tekanan dapat dinotasikan sebagai simbolp (pressure). Satuan tekanan yang lain adalah pascal (Pa) dan bar.

Tekanan pada Zat Padat

tekanan pada suatu zat padat dapat dinyatakan sebagai gaya per satuan luas penampang. Secara matematis, tekanan dapat dinyatakan sebagai berikut.

dengan:                                                          p = f/a
p = tekanan (N/m²)
F = gaya (N)
A = luas bidang tekan (m²)

Contoh soal
Sebuah truk mempunyaii delapan roda berisi 2,5 ton muatan dan akan melintasi jembatan. luas permukaan bidang sentuh roda dengan permukaan jalan seluruhnya adalah 400 cm². Berapakah tekanan yang dialami setiap ban?
Penyelesaian:
Diketahui:    m  = 2,5 ton = 2500 kg
A   = 400 cm² = 4 x 10″² m²
g   = 10 m/s² Ditanyakan: p =….?
p = f/a =m.g/A
= 2500×10 0,04
= 625.000 N/m²

Tekanan seluruh ban adalah 625.000 N/m² atau 625.000 Pa. Dengan demikian, tekanan untuk setiap ban adalah: I/8 x p = 1/8 x 625000 = 78.125 Pa.

Tekanan pada Zat Cair

Tekanan pada zat cair sering disebut juga dengan tekanan hidrostatis. Tekanan hidrostatis ini tergantung pada suatu tingkatan kedalaman dan berat jenis pada zat cair. Tekanan pada zat cair mengarah ke segala arah. Rumus tekanan hidrostatis sebagai berikut.

P_h = p.g.h

dengan:
p_h = tekanan hidrostatis zat cair (N/m²)
p = massa jenis (kg/m³)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = kedalaman dari permukaan (m)

Contoh Soal
Seorang anak menyelam di kedalaman 100 m di bawah permukaan air. Jika massa jenis air adalah 1.000 kg/m³ dan percepatan gravitasi adalah 9,8 m/s² maka berapakah tekanan hidrostatis yang dialami anak tersebut? Penyelesaian:
Diketahui:      h    = 100 m
p    = 1000 k g/m³
g    = 9,8 m/s²
Ditanyakan:          p_h -….?
Jawab:   p_h = p . g . h
= 1000 . 9,8 . 100
= 9,8 x 10⁵ N/m²

Tekanan pada Zat Gas

Gas-gas yang ada di dalam ruangan yang tertutup akan mengeluarkan udar dan  menekan ke segala arah dengan sama besar. Tekanan gas pada ruang tertutup bisa diukur dengan menggunakan 2 alat yang berbeda yang masing-masing namanya seperti  manometer terbuka dan manometer tertutup. Tekanan gas dalam ruang terbuka dapat diukur dengan menggunakan barometer.
Manomemeter terbuka ini terdiri dari tabung pipa kapiler yang bentuknya seperti huruf U yang terhubung dengan tabung gas. Besar tekanan udara yang terbaca pada suatu sisi pipa yang terbuka sama dengan tekanan gas dalam suatu tabung. Perhatikan diagram manometer terbuka berikut ini.

Hukum Pascal

Hukum Pascal adalah hukum yang menerangkan tentang suatu sifat tekanan pada zat cair. Hukum Pascal menyatakan bahwa:
“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.”
dengan:
F₁ = gaya pada penampang A₁(N)
F₂ = gaya pada penampang A₂(N)
A₁= luas penampang 1 (m²)
A₂ = luas penampang 2 (m²)
Peralatan yang menggunakan prinsip hukum Pascal, antara lain seperti rem hidrolik, pompa hidrolik, dan dongkrak hidrolik.

Contoh Soal
Sebuah beban akan diangkat dengan menggunakan dongkrak hidrolik. Massa beban 64 ton diletakkan di atas penampang A seluas 0,5 m². Berapakah gaya yang harus diberikan
pada penampang B (luasnya 11/88  kali penampang A) agar beban dapat terangkat?
Penyelesaian:
Diketahui: A₁= 0,5 m²
A₂= 1/8 A₁
g   = 10 m/s²
Fi = w = m . g = 64000 kg x 10 = 640.000 N Ditanyakan: F₂ = ….?
Jawab: f₁/f₂ = f₂/A₂
640000/A₁ = F₂/1/8 A₁
F₂ = 1/8 x 640000 = 80.000 N

Hukum Bejana Berhubungan

Dalam suatu Hukum bejana berhubungan menyatakan bahwa:
“apabila bejana berhubungan diisi dengan zat cair yang sama, maka pada keadaan kesetimbangan permukaan zat cair dalam bejana berada dalam satu bidang datar.” Hukum ini tidak berlaku pada suatu bejana yang berisi kan cairan tak sejenis dan pipa kapiler. Secara matematis, hukum bejana berhubungan dirumuskan sebagai berikut.

P, = P₂

P_1. g.h₁=p_2.g.h₂

dengan:
p₁ = tekanan zat cair 1 (Nnr²)               p₂ = massa jenis zat cair 2 (kgnr³)
p₂ = tekanan zat cair 2 (Nnr²)                        h₁= tinggi permukaan zat cair 1 (m)
P₁ = massa jenis zat cair 1 (kgnr³)              h₂ = tinggi permukaan zat cair 2 (m)

Contoh Soal
Ke dalam kaki 1 pipa U dimasukkan cairan setinggi 32 cm dan ke dalam kaki 2 dimasukkan raksa dengan massa jenis 13,6 gr/cm³. Ketinggian bidang batas adalah 1,4 cm. Berapakah massa jenis cairan tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
32 cm
h₂ = 1,4 cm p₂ = 13,6 gr/cm³ Ditanyakan: p₁ = ….? Jawab:      p_t . g . h₁ = p₂g.h₂
p₁.10. 32      = 13,6 . 10 .1,4 p_l
= 0,595 gr/cm³

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes hanya berlaku pada zat yang dinamakan fluida. Zat yang termasuk dalam fluida adalah zat cair dan gas. “Benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya itu sebanding dengan berat zat cair yang dipindahkan.”
Dalam hukum Archimedes  ternyata bisa diterapkan dalam kehidupan sehari-hari kita antara lain sebagai berikut.
1.          Hidrometer, yaitu alat untuk mengukur massa jenis relatif zat cair terhadap air.
2.          Jembatan ponton, yakni jembatan yang menggunakan drum-drum kosong berisi udara.
3.          Kapal laut dan kapal seiam.
4.          Galangan kapal, yakni alat untuk mengangkat kapal laut ke permukaan air.
5.          Balon udara.

1. Tekanan Zat Padat

Tekanan dipengaruhi oleh gaya (F) dan luas bidang (A). Semakin besar gaya yang diberikan pada benda, tekanan yang dihasilkan semakin besar pula. Semakin luas permukaan suatu benda, tekanan yang dihasilkan semakin kecil. Secara sistematis, tekanan dapat dituliskan sebagai berikut : 

Dengan :
P = tekanan (N/m² disebut juga pascal (Pa))
F = gaya (Newton) 
A = luas bidang (m²)

Contohnya ketika berjalan di tanah berlumpur, lebih mudah menggunakan sepatu boot agar tidak masuk ke tenah lumpur daripada menggunakan sepatu dengan pijakan sempit. 

2. Tekanan Zat Cair

Tekanan hidrostatis adalah kedalaman zat cair dan massa jenis zat cair mempengaruhi tekanan yang dihasilkan oleh zat cair. Semakin dalam zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Semakin besar massa jenis zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. 

Pada zat cair, gaya (F) disebabkan oleh berat zat cair (W) yang berada diatas benda, sehingga : 

Karena berat
(W) = m × g 
m = ρ × V 
V = h × A 

Maka  atau  

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) 

Tekanan hidrostatis penting dalam merancang struktur bangunan penampungan air seperti pembangunan bendungan untuk PLTA. Para arsitek kapal selam memperhitungkan tekanan hidrostatis air laut agar kapal selam mampu menyelam ke dasar laut dengan kedalaman ratusan meter tanpa mengalami kebocoran atau kerusakan akibat tekanan hidrostatis. 

Berikut struktur bendungan :

Ketika suatu benda dimasukkan dalam air, beratnya seperti berkurang. Ini disebabkan oleh gaya apung (F_a) yang mendorong benda keatas atau berlawanan dengan arah berat benda. Secara sistematis, dapat dituliskan : 

F_a = W_bu – W_ba 

Sehingga, 

W_ba = W_bu – F_a 

dengan : F_a = gaya apung (N)

W_ba = berat benda di air (N)

W_bu = berat benda di udara (N) 

Berikut gaya pada batu yang tenggelam : 

Hukum Archimedes : jika benda dicelupkan kedalam zat cair, maka benda itu akan mendapat gaya keatas yang sama besar dengan berat zat cair yang didesak oleh benda tersebut. 

Menurut Archimedes, benda lebih ringan bila diukur dalam air daripada diukur diudara, karena di dalam air benda mendapat gaya keatas. Ketika di udara, benda memiliki berat mendekati yang sesungguhnya. Karena berat zat cair yang didesak atau dipindahkan benda adalah : 

W_cp = m_cp × g dan m_cp = ρ_cp × V_cp

Sehingga berat air yang didesak oleh benda adalah : 

W_cp = ρ_c × g × V_cp 

Berarti, menurut Archimedes, besar gaya keatas adalah : 

F_a = ρ_c × g × V_cp 

Dengan :
F_a = gaya apung (N) 
ρ_c = massa jenis zat cair (kg/m³) 
g = percepatan gravitasi (m/s²)
V_cp = volume zat cair yang dipindahkan (m³) 

Hukum Archimedes digunakan sebagai pembuatan dasar kapal laut dan kapal selam. Suatu benda dapat terapung atau tenggelam tergantung pada besarnya gaya berat (w) dan gaya apung (F_a).

Jika gaya apung maksimum lebih besar daripada gaya berat maka benda akan terapung. Jika gaya apung lebih kecil daripada gaya berat maka benda akan tenggelam. 

Jika gaya apung maksimum sama dengan gaya berat maka benda akan melayang. Gaya apung maksimum adalah gaya apung jika seluruh benda berada dibawah permukaan zat cair. 

Kapal laut dapat terapung karena ketika diletakkan secara tegak di lautan, kapal laut dapat memindahkan banyak air laut, sehingga kapal laut mendapat gaya keatas yang sama besar dengan berat kapal laut. Berikut struktur kapal laut di air : 

Kapal selam dapat terapung, melayang dan tenggelam di laut karena berat kapal selam dapat diperbesar dengan cara memasukkan air kedalam badan kapal dan dapat diperkecil dengan cara mengeluarkan air dari badan kapal. Ketika kapal selam akan tenggelam, air laut dimasukkan ke penampungan badan kapal. 

Berat kapal selam menjadi lebih besar daripada gaya keatas sehingga kapal selam tenggelam. Agar tidak tenggelam terus, air dalam badan kapal dikeluarkan dari penampungan sehingga berat kapal selam sama dengan gaya keatas dan kapal selam melayang dalam air. 

Saat kapal selam akan mengapung, air di penampungan badan kapal dikeluarkan sehingga volume kapal selam menjadi lebih kecil dari gaya keatas dan kapal selam dapat mengapung. Berikut mekanisme keluar masuknya air di badan kapal selam : 

Hukum Pascal : tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Penerapan dari hukum Pascal yaitu pompa hidrolik. Berikut model pompa hidrolik : 

Jika penampang luas A₁ diberi gaya dorong F₁ maka tekanan yang dihasilkan adalah :

Menurut hukum pascal, tekanan diteruskan ke segala arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang A_2. Pada penampang A₂ muncul gaya angkat F₂ dengan tekanan : 

Secara sistematis, diperoleh persamaan pompa hidrolik yaitu : 

 atau  

Dengan : 
P = tekanan (Pa) 
F₁ dan F₂ = gaya yang diberikan (N)
A₁ dan A₂ = luas penampang (m²)

Contoh soal Hukum Pascal

Luas penampang kecil (A₁) besarnya 1 cm² akan diberi gaya kecil (F₁) sebesar 10 N sehingga menghasilkan tekanan (P) sebesar 10 N/cm². Kemudian tekanan tersebut diteruskan ke luas penampang besar (A₂) besarnya 100 cm². Berapa gaya yang dihasilkan pada luas penampang (A₂)? 

Jawab : 

Jadi, dengan memberikan gaya pada luas penampang kecil (A₁) mampu menghasilkan gaya 1000 N pada luas penampang besar (A₂). Berdasarkan prinsip inilah sehingga pompa hidrolik dapat mengangkat mobil ataupun motor. 

3. Tekanan Gas

Ketika air dalam enlemeyer ditutup dengan balon karet kemudian dipanaskan akan membuat balon karet mengembang. Ini terjadi karena partikel gas dalam enlemeyer menerima kalor dari pemanasan, akibatnya gerakan partikel gas dalam enlemeyer semakin cepat dan terjadilah pemuaian sehingga tekanannya besar. 

Tekanan dalam enlemeyer diteruskan sama besar menuju balon, sehingga tekanan didalam balon lebih besar daripada tekanan gas diluar balon yang mengakibatkan balon mengembang. Berikut ilustrasi balon karet dan air dalam enlemeyer : 

(a): balon karet dan air dingin dalam enlemeyer, (b): balon karet dan elemeyer berisi air panas

Struktur balon udara

Balon udara dapat terbang karena massa jenis balon udara lebih rendah daripada massa jenis udara disekitarnya. Massa jenis balon dikendalikan oleh pilot perubahan temperatur pada udara dalam balon dengan menggunakan pembakar dibawah lubang balon. 

Siapa yang pernah menggantungkan jam dinding atau menggantungkan bingkai foto? Nah, kalau pernah, kamu tahu nggak, kenapa sih paku yang menahan bingkai fotomu bisa menancap dan menembus pada tembok yang tebal?

Betul banget! Hal itu dikarenakan adanya tekanan pada paku. Tekanan adalah perbandingan antara jumlah gaya yang diberikan pada benda dengan luas permukaan benda. Jadi, ketika ujung paku yang memiliki permukaan runcing ditempelkan ke dinding, kemudian gaya yang kamu berikan pada paku cukup besar, maka tekanan yang dihasilkan akan besar. Tekanan yang besar ini akan membuat dinding jadi berlubang.

Ada pertanyaan menarik, nih! Coba deh lihat gambar paling atas pada artikel ini. Menurutmu, apa yang akan terjadi jika yang dipukul adalah bagian yang runcing, apakah bagian datar pada paku dapat menembus tembok?

Ya susah dong, nggak akan bisa nembus.

Well, that’s right! Kamu bakal kesulitan untuk mendorong bagian datar paku agar paku tersebut bisa menembus tembok. Percaya deh, mau sekuat apapun kamu memukulnya, temboknya akan sulit untuk berlubang. Hal itu karena tekanan yang diberikan pada bagian runcing paku lebih besar dibandingkan tekanan pada bagian datar yang menempel pada tembok. Hmm, kenapa ya? Kok bisa? Hal ini karena terdapat tekanan zat padat pada paku tersebut.

Seperti yang kita tahu, bagian ujung paku yang datar memiliki ukuran permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan bagian ujung paku yang kecil. Nah, ketika area mengecil, maka tekanan yang dihasilkan akan semakin membesar dan ketika area membesar, maka tekanan yang dihasilkan akan mengecil. Maka, menggunakan paku untuk melubangi dinding dengan ujung yang runcing, jauh lebih mudah dibandingkan menggunakan bagian datarnya. Hal ini dikarenakan luas permukaan bagian runcing lebih kecil daripada bagian datar, sehingga tekanan yang diberikan terhadap tembok akan lebih besar

Kalau masih bingung, kita lakukan percobaan ini yuk.

Yup, sakit, kan? Ketika batang korek api kamu tekan di antara ibu jari dan telunjuk, kamu akan merasakan sakit di bagian ibu jari dan telunjuk. Ketika tekanan ditambah, rasa sakit pun semakin bertambah. Tetapi, ujung korek api dengan gumpalan, memberikan tekanan yang relatif kecil daripada ujung satunya. Hmm, kok bisa, ya?

Berdasarkan percobaan di atas, kamu memberikan gaya yang sama pada kedua ujung korek api, tetapi gaya yang diberikan korek api pada ibu jari dan telunjukmu berbeda. Hal ini disebabkan karena perbedaan luas permukaan antara kedua ujung korek api tersebut.

Ujung korek api yang mempunyai gumpalan memberikan tekanan yang relatif kecil daripada ujung korek api yang tidak mempunyai gumpalan. Semakin kecil luas permukaan tempat gaya bekerja, semakin besar tekanan yang dihasilkan gaya tersebut. Jadi, ada perbandingan terbalik antara tekanan dan luas permukaan.

Nah, ketika kamu menambah gaya jepit pada kedua ujung korek api, kamu akan merasakan tekanan yang semakin besar dari kedua ujung korek api. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar gaya yang bekerja, semakin besar tekanannya. Jadi ada perbandingan lurus antara gaya dan tekanan.

Sekarang coba jawab pertanyaan ini, ya.

Jawabannya yang mana, ya? 

Yup, betul jawabannya D. Kenapa jawabannya D?

Seperti halnya paku di atas tadi, tekanan paling besar terdapat pada benda nomor 4. Dari rumus tekanan P=F/A, Kita telah belajar bahwa untuk gaya yang sama, semakin kecil luas permukaan, semakin besar tekanan yang dihasilkan. Sementara semakin besar luas permukaan, semakin kecil tekanan yang dihasilkan. Maka, tekanan yang paling besar diakibatkan oleh benda dengan luas permukaan paling kecil.

Gimana? Mudah kan? Satu soal lagi ,ya!

Yuk, kita cocokan jawabannya.

Kita ketahui, gaya tekan = F = 90 Newton dan luas telapak tangan = A = 150 cm² = 0,015 m². Berapakah tekanan kubus = P = ?

 

 

 

 

Jadi, jawabannya A. 3000 N/m2.

Selesai deh! Gimana? Mudah kan menghitung tekanan pada zat padat? Oh ya, dalam kehidupan sehari-hari, secara nggak sadar kamu juga menerapkan konsep tekanan zat padat, lho.