Pertemuan 2

Tekanan pada zat cair

Selain pada zat pada tekanan juga terjadi pada zat cair, ada sedikit perbedaan dengan zat padat jika pada zat padat tekanan hanya dipengaruhi oleh gaya dan luas penampang tidak demikian pada zat cair. Selain itu, pada zat cair bentuk tekanan dapat dimanfaatkan untuk berbagai hal. Beberapa konsep tentang tekanan pada zat cair antara lain, tekanan hidrostatis, bejana berhubungan, kapilaritas, hukum Pascal, dan hukum Archimedes. Berikut penjelasannya

Tekanan hidrostatis

Sesuai dengan namanya hidro berarti “air” dan statis berarti “diam” sehingga tekanan hidrostatis dapat diartikan sebagai tekanan yang terjadi pada air yang diam. Perhatikan gambar berikut. 

                             

                                                                          gambar 2. orang menyelam

Perhatikan gambar 2 di atas, orang yang menyelam memakai pakaian khusus yang berfungsi untuk menahan tekanan air laut kepada tubuhnya. Semakin dalam orang tersebut menyelam maka semakin besar tekanan yang akan di terima tubuhnya. Selain itu, ia juga menggunakan penutup telinga agar gendang telinganya tidak rusak terkena tekanan air laut. Hal ini menunjukkan bahwa tekanan hidrostatis dipengaruhi oleh kedalaman benda tersebut, untuk lebih mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi tekanan ini perhatikan gambar berikut.  

                            

                                    Gambar 3. Benda yang terletak pada kedalaman h pada suatu zat cair

Benda yang berada di kedalaman “h” pada suatu fluida seperti gambar di atas, akan mendapat gaya berat dari fluida di atasnya (kotak biru) tekanan ini disebut dengan tekanan hidrostatis. Sehingga persamaan tekanannya akan menjadi
rumus

 

 

Keterangan :
P_h : tekanan hidrostatis (Pa atau N.m^-2)
ρ : massa jenis zat cair (kg.m^-3)
g : percepatan gravitasi (m.s^-2)
h : kedalaman (m)

Tekanan hidrostatis sebanding dengan massa jenis zat cair, percepatan gravitasi, dan kedalaman. Sehingga terlihat bahwa semakin dalam (semakin jauh jarak dari permukaan) maka semakin besar tekanan hidrostatis.
Tekanan total atau juga disebut tekanan absolut yang diterima benda tersebut adalah

 

Ingatlah:
Konsep kedalaman dan ketinggian
Sering kali siswa kesulitan untuk membedakan antara kedalaman dan ketinggian. Kedalaman adalah jarak yang diukur pada suatu titik dalam fluida dari permukaan zat cair, sedangkan ketinggian adalah jarak yang diukur pada suatu titik dalam fluida dari dasar. Agar lebih memahaminya perhatikan gambar berikut.  

                                        

                                                    Gambar 4. Perbedaan kedalaman dan ketinggian

Keterangan gambar :
h₁ : kedalaman (m)
h₂ : ketinggian (m)
konsep tekanan hidrostatis ini digunakan untuk membangun bangunan-bangunan yang sebagian terletak di bawah air, seperti membangun beton pembatas tepi sungai atau bendungan. Ketika membangun bendungan bagian bawah bendungan akan dibuat lebih tebal dari pada bagian atas, hal ini bertujuan agar dasar bendungan mampu menahan tekanan air yang besar. Desain bendungan dapat dilihat pada gambar di bawah ini  

                                     

                                                             Gambar 5. Konstruksi bendungan
                                              (sumber: buku k13 SMP IPA kelas 8 semester 2)

1. Seorang penyelam dengan kedalaman 3 m, massa jenis air 1.000 kg/m³, jika konstanta gravitasi pada tempat tersebut adalah 10 N/kg. Tentukan besar tekanan hidrostatis yang diterima penyelam tersebut ! pembahasan:

Berdasarkan soal dapat diketahui
h : 3 m
g : 10 N/kg
ρ : 1000 kg/m³
P ... ?
Jawab:
P = ρ . g . h
P = 1.000 x 10 x 3
P = 30.000 N/m²

^{2. perhatikan gambar di bawah ini}

  

Apabila ikan berada dalam akuarium seperti terlihat pada gambar maka tekanan yang dialami oleh ikan adalah ....
pembahasan:  

ρ = 1 gr/cm³ = 1000 kg/m³
g = 10 m/s²
h = (60 – 40) = 20 cm = 0,2 m
(ingat kedalaman di ukur dari permukaan)
P ... ?
Jawab:
P = ρ . g . h
P = 1000 x 10 x 0,2
P = 2000 N/m²

Bejana berhubungan

                               Gambar 6. Tukang bangunan menggunakan waterpass

Gambar di atas, menunjukkan seorang tukang sedang menggunakan waterpass untuk mengukur ketinggian dua bagian agar memiliki ketinggian yang sama. Waterpass pada dasarnya menggunakan salah satu sifat dari zat cair adalah memiliki bentuk yang berubah-ubah sesuai dengan wadahnya dan permukaannya selalu datar jika zat cair tersebut diam, selain itu bentuk waterpass yang berbentuk U juga menggunakan konsep bejana berhubungan.

 

                          Gambar 7. Bejana berhubungan

Gambar 7 di atas memperlihatkan ketika bejana berhubungan diisi oleh air, tampak permukaan air membentuk satu garis lurus dengan ketinggian yang sama, hal ini sesuai dengan hukum bejana berhubungan yakni sebagai berikut:

“jika bejana berhubungan diisi oleh zat cair yang sama, dalam keadaan seimbang permukaan zat cair dalam bejana-bejana itu terletak pada satu bidang datar”

Hukum bejana berhubungan tidak berlaku jika.

1. Tekanan di atas bejana tidak sama (salah satu bejana di tutup)
2. Diisi dua jenis atau lebih zat cair
3. Digoyang-goyangkan
4. Salah satu bejana merupakan pipa kapiler

Hukum Pascal

                   Gambar 8. Sistem hidrolik

Perkembangan teknologi yang semakin maju saat ini, manusia banyak menciptakan alat-alat baru yang lebih efisien salah satunya adalah peralatan yang menggunakan prinsip hidrolik seperti yang terlihat pada gambar 8 di atas. Prinsip hidrolik memberikan keuntungan yang lebih besar karena dengan gaya gesek pada alat ini sangat kecil (hampir tidak ada) sehingga hampir tidak ada energi yang terbuang percuma.
Prinsip kerja sistem hidrolik pada dasarnya dikembangkan dari konsep hukum Pascal. Hukum Pascal pertama kali dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623 – 1662) seorang fisikawan Perancis pada tahun 1653 yang berbunyi

“tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dan sama besar”

Secara matematis dapat ditulis
P₁ = P₂

 

_{Keterangan :
F1 : gaya pada bidang 1
F2 : gaya pada bidang 2
A1 : luas permukaan bidang 1
A2 : luas permukaan bidang 2
Berdasarkan persamaan di atas, dapat kita ketahui bahwa semakin besar luas penampang, maka gaya yang dihasilkan akan semakin besar. Sifat ini banyak dimanfaatkan untuk prinsip kerja alat hidrolik karena akan sangat menguntungkan apabila memberikan gaya yang kecil dapat menghasilkan gaya yang besar dengan mengubah luas penampangnya. Contoh yang penggunaan hukum Pascal ini adalah alat yang digunakan untuk mengangkat mobil seperti gambar berikut:}  

                   Gambar 9. Aplikasi hukum Pascal untuk alat pengangkat mobil
                    ( sumber : Fundamentals of Physics)

 

Pada gambar 9 di atas, besarnya F₁ akan lebih kecil daripada berat mobil F₂ yang dikarenakan luas penampang 1 lebih kecil daripada luas penampang 2. Penerapan lain dari hukum pascal adalah dongkrak hidrolik, rem hidrolik, pintu bus hidrolik, dll.

Contoh soal
1. sebuah dongkrak hidrolik dengan luas penghisap kecil A₁ = 10 cm² dan luas penghisap besar 60 cm² digunakan untuk mengangkat beban 6.000 N. berapa gaya tekan yang harus diberikan pada penghisap kecil supaya beban tersebut terangkat?

pembahasan:

Berdasarkan soal dapat diketahui
A₁ = 10 cm²
A₂ = 60 cm²
F₂ = 6000 N
F₁ ... ?
Jawab:

 

Jadi untuk mengangkat benda yang beratnya 6000 N dengan menggunakan prinsip hukum pascal ukup mengeluarkan gaya sebesar 1000 N.
Jurus Jitu: Untuk menyelesaikan soal tipe perbandingan seperti hukum pascal seperti ini, satuan yang digunakan tidak harus dijadikan satuan SI cukup disamakan satuannya (dalam hal ini satuan yang digunakan sama-sama cm² tidak diubah menjadi m²)  

2. perhatikan gambar berikut!

 

Penampang A memiliki diameter 2 cm sedangkan penampang B memiliki diameter 12 cm. Jika pada piston A di berikan gaya sebesar 10 N. tentukan berat beban maksimal yang mampu diangkat pada piston B !
pembahasan:  

Berdasarkan soal dapat diketahui
F_A = 10 N
d_A = 2 cm
d_B = 6 cm
F_B ... ?
Jawab
Perhatikan bentuk permukaan piston adalah lingkaran sehingga luas piston dapat ditentukan dengan persamaan
A = ¼ π d²
Maka persamaan hukum pascal dapat ditulis sebagai berikut!

 

Jadi berat beban maksimum yang mampu diangkat adalah 90 N  

Hukum Archimedes
Pernahkah kalian merasakan ketika mengangkat benda di dalam zat cair terasa lebih ringan daripada ketika mengangkat benda tersebut di udara? atau mengapa menimbang berat benda di dalam zat cair akan lebih ringan daripada ketika benda ditimbang di udara seperti gambar di bawah ini. 

 

        Gambar 10. (a) menimbang udara dalam zat cair, (b) menimbang benda di udara

Fenomena ini pertama kali di teliti oleh Archimedes (287 – 212 SM) seorang ilmuwan dari Yunani ketika ia dimintai raja Hieron II untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas murni atau tidak. Untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas asli atau tidak ia kemudian mengemukakan sebuah teori yang disebut dengan hukum Archimedes yakni

“setiap benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam suatu zat cair, maka benda tersebut akan mendapatkan gaya tekan ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan”

Agar lebih memahami konsep hukum Archimedes perhatikan gambar berikut. 

 

                      Gambar 11. Proses ketika sebuah benda dicelupkan ke dalam suatu zat cair

                                          (sumber : Holt physics)

Gambar 11a menunjukkan sebuah benda yang digantung di atas bejana berisi air dengan sebuah wadah kosong di letakkan di samping kanannya, Ketika benda tersebut mulai dicelupkan sebagian ke dalam suatu zat cair (gambar 11b) maka zat cair yang tumpah sedikit dan semakin banyak air yang tumpah ketika benda tersebut tercelup seluruhnya ke dalam zat cair (gambar 11c). Jika air pada wadah (d) di ambil kemudian ditimbang maka berat zat cair tersebut akan sama dengan selisih berat benda ketika di udara dan di dalam zat cair (perhatikan lagi gambar 10) . Berat zat cair yang dipindahkan ini disebut dengan gaya tekan ke atas (gaya apung). Secara matematis di tulis
F_A = w_f (berat fluida yang dipindahkan)
F_A = m_f . g
F_A = ρ_f . V_f . g

Ingatlah
Volume zat cair pada persamaan di atas, bergantung pada volume benda yang tercelup ke dalam zat cair semakin banyak bagian yang tercelup maka semakin banyak volume air yang tumpah.  

 Keterangan :
F_A : gaya apung (N)
ρ_f : massa jenis zat cair (kg.m^-3)
V_t : volume benda yang tercelup di dalam air (m³)
g : percepatan gravitasi (m.s^-2)

Berat benda dalam zat cair atau berat semu benda dapat ditentukan juga yakni

 

Keterangan :
w_s : berat semu benda (ketika dalam zat cair)
w_u : berat benda ketika di udara (berat asli benda)
F_A : gaya apung

Berdasarkan persamaan di atas, maka berat benda di dalam zat cair (w_s) selalu lebih kecil daripada berat benda di udara (w_u) karena ketika benda di dalam zat cair terdapat gaya ke atas sehingga menyebabkan beratnya seakan-akan berkurang. Hal ini yang membuat benda terasa lebih ringan ketika berada di dalam zat cair.
Salah satu fenomena terkait dengan hukum Archimedes ini adalah keadaan benda ketika terapung, melayang, maupun tenggelam. Perhatikan gambar berikut.

 

            Gambar 12. (a) terapung, (b) melayang, (c) tenggelam

Terdapat beberapa ciri-ciri ketika benda terapung, atau tenggelam yang dituliskan dalam tabel berikut
tabel

Terapung	Melayang	Tenggelam
Posisi benda
Sebagian di atas permukaan, sebagian di dalam zat cair	Semua bagian berada di dalam zat cair tetapi tidak menyentuh dasar wadah	Semua bagian berada di dalam zat cair dan menyentuh dasar wadah
Massa jenis
Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair (ρb < ρf)	Massa jenis benda lebih kecil sama dengan massa jenis zat cair (ρb = ρf)	Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair (ρb > ρf)
Gaya
FA = w	FA = w	FA < w

Ingatlah !
Pada zat suatu benda dalam keadaan terapung, bagian yang berada di atas permukaan akan berbanding terbalik dengan massa jenis benda tersebut. Semakin kecil massa jenis benda maka bagian yang berada di atas permukaan akan semakin besar (benda semakin terapung)
Beberapa penerapan hukum archimedes dalam kehidupan sehari-hari antara lain: kapal yang terbuat dari besi dapat terapung di atas laut, kapal selam dapat diatur agar bisa terapung, melayang, dan tenggelam, balon udara yang dapat terbang di angkasa, hidrometer, dll.

Contoh soal
1. sebuah bola pejal ditimbang di udara beratnya 50 N. ketika bola tersebut ditimbang di dalam air, beratnya menjadi 45 N. berapa gaya ke atas yang diterima benda tersebut dan volume benda pejal tersebut! pembahasan:

 Berdasarkan soal dapat diketahui
w_U = 50 N (berat benda di udara)
w_S = 45 N (berat semu benda)
ρ_air = 1000 kg/m³ (jika tidak diketahui di soal massa jenis air adalah 1000 kg/m³)
menentukan gaya ke atas yang dialami benda (F_A)
F_A = w_U – w_S
F_A = 50 – 45
F_A = 5 N
menentukan volume benda (V_t)
karena benda semua tercelup di dalam air (ditimbang di dalam air) maka volume benda tercelupnya sama dengan volume total benda (V_t = V_tot)
F_A = ρ_f . g . V_t
5 = 1000 . 10 . V_tot
0,0005 m³ = V_tot

2. benda yang bervolume 10 m³ beratmya ketika diukur di udara sebesar 10.000 N. benda tersebut dicelupkan ke dalam zat cair yang massa jenisnya 1000 kg/m³. Jika 1/5 bagian benda tercelup ke dalam air. Tentukan besar gaya ke atas dan massa jenis benda tersebut!

pembahasan: 

Berdasarkan soal dapat diketahui
w = 10.000 N
V_tot = 10 m³ ρ_air = 1000 kg/m³ V_t = 1/5 . V_tot
V_t = 1/5 . 10 = 2 m³ F_A dan ρ_B ... ?
Menentukan gaya ke atas (F_A)
F_A = ρ_f . g . V_t
F_A = 1000 . 10 . 2
F_A = 20.000 N
Menentukan massa jenis benda (ρ_B)
Karena benda dalam posisi terapung maka
w = F_A (w = berat benda di udara)
m . g = ρf . g . V_t (m = ρ_B . V_tot)
ρ_B . V_tot = ρ_f . V_t (kedua ruas dibagi dengan g)
ρ_B . 10 = 1000 . 2
ρ_B = 200 kg/m³

 

 

                     ^{Lembar Kerja Peserta Didik (LKPD)}

Pertemuan 2

Nama :

Kelas :

Tgl     : 

Tulis Soal , Jawab dan beri caranya untuk soal no 2,4,5,6!

Soal No.1

Sebuah drum besi dapat mengapung di dalam air disebabkan oleh …

Soal No.2

Seorang penyelam menyelam dengan kedalaman 3 m, massa jenis air 1.000 kg/m³, konstanta gravitasi pada tempat tersebut adalah 10 N/kg. Besar tekanan hidrostatisnya adalah …. N/m².

 

Soal No. 3

Contoh Teknologi-teknologi  yang  menggunakan prinsip Archimedes adalah …

 

Soal No. 4

Perhatikan gambar berikut!

 

Sebuah benda memiliki berat 50 N, ketika ditimbang di dalam air beratnya hanya 45 N, maka gaya ke atas yang menekan benda sebesar…N.

Soal No.5

Seekor ikan sedang berenang di akuarium. Ikan tersebut berada 50 cm dari permukaan akuarium. Berapakah tekanan hidrostatis yang diterima oleh ikan? (massa jenis air = 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s²).

 

Soal No.6

Perhatikan gambar berikut!

 

Jika kedalaman airnya 100 cm dan letak mulut ikan dari dasar kolam adalah 15 cm. Tentukan tekanan hidrostatis pada mulut ikan! Jika massa jenis air = 1 g/cm³, g = 10 m/s².

 

Mengetahui,

Orang tua

 

fotokan hasil kerjamu kirim ke WA atau 

Email ibu : siahaansari6@gmail.com