Gaya dan Tekanan

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.       LATAR BELAKANG

              Hukum gerak Newton adalah hukum sains yang ditentukan oleh Sir Isaac Newton mengenai sifat gerak benda. Hukum gerak Newton itu sendiri merupakan hukum yang fundamental. Artinya, pertama hukum ini tidak dapat dibuktikan dari prinsip-prinsip lain, kedua hukum ini memungkinkan kita agar dapat memahami jenis gerak yang paling umum yang merupakan dasar mekanika klasik.

              Dalam kehidupan sehari-hari, gaya merupakan tarikan atau dorongan. Misalnya, pada waktu kita mendorong atau menarik suatu benda atau kita menendang bola, dikatakan bahwa kita mengerjakan suatu gaya dorong pada mobil mainan.Pada umumnya benda yang dikenakan gaya mengalami perubahan-perubahan lokasiatau berpindah tempat.

              Selain itu juga setiap benda memiliki zatnya masing-masing, setiap zat yang berbeda juga memiliki tekanan yang berbeda. Tekanan berbeda seperti apakah dan bagaimana dapat kita ketahui pada setiap zatnya akan kami bahas dengan jelas di dalam makalah ini.

1.2.    TUJUAN PENULISAN

1.      Untuk mengetahui Jenis-Jenis Gaya

2.      Untuk mengetahui Penjumlahan Gaya

3.      Untuk mengetahui bunyi Hukum I Newton

4.       Untuk mengetahui bunyi Hukum II Newton

5.      Untuk mengetahui bunyi Hukum III Newton

6.      Untuk mengetahui Tekanan Benda Padat

7.      Untuk mengetahui Tekanan Zat Cair

8.      Untuk mengetahui Tekanan Gas

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Identifikasi Jenis-jenis Gaya

1.      Gaya Sentuh dan Gaya Tak Sentuh

Di SD kamu telah mendefinisikan gaya sebagai suatu tarikan atau dorongan yang dilakukan pada suatu benda.[1]Di dalam keseharian kamu sering menarik benda dan mengangkat benda dengan menggunakan otot-ototmu. Gaya-gaya seperti ini dinamakan gaya otot. Gaya otot termasuk gaya sentuh karena titik kerja gaya otot langsung bersentuhan dengan benda.

Sentuhan telapak tanganmu ke atas meja belajarmu, kemudian doronglah maju. Kamu akan merasakan permukaan meja menggesek telapakmu. Ini adalah gaya gesekan yang dikerjakan permukaan meja pada telapakmu. Gaya gesekan berarah sejajar dengan permukaan meja dan melawan arah dorong telapak tanganmu.Gaya gesekan termasuk gaya sentuh karena melibatkan persentuhan langsung antara telapak tanganmu dan permukaan meja.

Apel yang berada di atas pohon tidak bersentuhan dengan pusat Bumi, sehingga jatuh ke tanah. Gaya tarik pusat Bumi sering disebut dengan gaya gravitasi bumi. Sisir plastic tidak menyentuh aliran yang keluar dari sebuah keran, tetapi aliran air tersebut ditarik oleh gaya listrik sisir. Kedua magnet batang tidak saling bersentuhan, tetapi gaya magnet tolak-menolak antara dua kutub magnet yang sejenis (kutub utara dan kutub utara) dapat menahan salah satu magnet batang tetap diudara.

Ketiga jenis gaya, yakni gaya gravitasi, gaya listrik, dan gaya magnet timbul, walaupun kedua benda tidak bersentuhan secara langsung. Gaya-gaya seperti ini dinamakan gaya tak sentuh.

Dari contoh-contoh yang telah dijelaskan di atas, dapat disimpulkan bahwa gaya sentuh adalah gaya yang timbul karena persentuhan langsung secara fisik antara dua benda, sedangkan gaya tak sentuh adalah gaya yang timbul walaupun dua benda tidak bersentuhan langsung secara fisik.[2]

2.      Gaya Gesekan

a.       Gaya gesekan udara

Apakah gaya gesekan bekerja ketika benda bergerak diudara? Kita telah mengetahui bahwa gaya gesekan termasuk gaya sentuh dan selalu memperlambat gerak benda. Jadi, jika gaya luar tidak diberika pada suatu benda tetapi gerak benda menjadi makin lambat, dapat dipastikan pada benda itu bekerja gaya gesekan.

            Siapkan dua lembar kertas kuarto.Biarkan kertas pertama terbentang dan remas-remaslah kertas kedua hingga berbentuk bulatan. Pada saat yang bersamaan jatuhkan kedua kertas itu dengan ketinggian yang sama. Kertas manakah yang lebih lambat ketika di udara?Apa penyebabnya?

            Berat kedua kertas adalah sama, tetapi pengamatan menunjukkan bahwa kertas terbentang bergerak lebih lambat di udara. Oleh karena itu, kertas terbentang akan mendarat di lantai lebih belakangan.

Jika gaya gesekan udara tidak bekerja pada kedua kertas maka kedua kertas akan jatuh dengan kelajuan yang sama dan tiba di lantai pada saat yang bersamaan. Karena faktanya tidak, pastilah gaya gesekan udara bekerja pada kedua kertas. Arah gaya gesekan adalah vertikal ke atas karena gaya gesekan selalu berlawanan dengan arah gerak. Dengan demikian, gaya gesekan udara yang bekerja pada kedua kertas akan memperlambat gerak kedua kertas. Makin besar gaya gesekan udara yang bekerja, makin lambat gerak kertas. Karena gerak jatuh kertas terbentang lebih lambat daripada kertas bulatan, pastilah gaya gesekan udara pada kertas terbentang lebih besar daripada kertas bulatan.

Jika diperhatikan secara seksama, luas bentangan kertas terbentang jauh lebih besar daripada luas bentangan kertas bulatan. Oleh karena itu, dapat pula kita simpulkan bahwa gaya gesekan yang bekerja ketika benda bergerak di udara dipengaruhi oleh luas bentangan benda (luas permukaan benda yang bersentuhan langsung dengan udara). Makin besar luas bentangan benda, makin besar gaya gesekan udara yang bekerja pada benda.[3]

b.      Gaya gesekan pada permukaan air

Gaya gesekan juga bekerja pada air. Faktanya, benda yang kita dorong di permukaan air akhirnya akan berhenti. Benda berhenti karena pada benda bkerja gaya gesekan oleh permukaan air yang arahnya berlawanan dengan arah gaya dorongmu.

c.       Gaya gesekan antarzat padat

Gaya gesekan antarzat padat dapat kita ketahui melalui percobaan menarik balok kayu yang ditempatkan pada permukaan kasar meja kayu dan pada balok dihubungkan dengan neraca pegas.Percobaan ini juga dicobakan ketika balok kayu ditempatkan pada permukaan yang lebih licin misalnya permukaan kaca dan pada bawah balok diberi roda.

Dari percobaan tersebut didapati bahwa ketika kita menarik balok dengan memperbesar gaya tarikan secara berangsur, angka yang ditunjukkan neraca pegas mulai dari nol dan memperbesar sesuai dengan besar gaya tarikanmu. Angka ini paling besar tepat saat balok akan bergerak. Begitu balok bergerak, angka pada neraca berkurang.Akan tetapi, angka ini cenderung tetap selama balok bergerak.

Kita dapat pahami bahwa ketika balok masih diam, besar gaya gesekanbervariasi mulai dari nol sampai mencapai nilai maksimum tertentu. Gaya gesekan yang dialami benda ketika benda masih diam disebut gaya gesekan statis(diberi lambing fs).Gaya gesekan statis bervariasi mulai dari nol sampai nilai maksimum tertentu. Nilai maksimum ini disebut gaya gesekan statis maksimum (diberi lambing fsm). Jika gaya besar tarikan melebihi gaya gesekan statis maksimum maka benda akan bergerak. Ketika benda bergerak, neraca menunjukkan angka yang lebih kecil daripada gaya gesekan statis maksimum. Gaya gesekan yang dialami benda ketika benda bergerak disebut gaya gesekan kinetis (diberi lambing fk). Gaya gesekan kinetis besarnya tetap, dan selalu lebih kecil daripada gaya gesekan statis maksimum (fk < fsm).[4]

Pada saat balok tepat akan bergerak atau saat balok telah bergerak, angka yang ditunjukkan neraca pegas pada balok yang berada pada permukaan meja kayu lebih besar daripada yang berada dipermukaan kaca. Ini menunjukkan bahwa gaya gesekan oleh permukaan kasar lebih besar daripada gaya gesekan oleh permukaan halus. Dapat disimpulkan bahwa besar gaya gesekan (baik statis maksimum maupun kinetis) bergantung pada kekasaran atau kehalusan permukaan. Makin kasar permukaan, makin besar gaya gesekannya. Sebaliknya, makin halus permukaan, makin kecil gaya gesekannya.[5]

Pada saat balok tepat bergerak, angka yang ditunjukkan neraca pegas pada balok beroda jauh lebih kecil daripada balok tanpa roda. Ini menunjukkan bahwa besar gaya gesekan pada benda beroda jauh lebih kecil daripada besar gaya gesekan pada benda tak beroda. Gaya gesekan benda beroda disebut gaya gesekan rotasi. Gaya gesekan rotasi jauh lebih kecil daripada gaya gesekan translasi(gaya gesekan pada benda tak beroda) karena kontak permukaan benda beroda adalah kontak titik. Itulah sebabnya kendaraan yang kita tumpangi, mulai dari delman, sepeda, smapai mobil selalu didukung oleh roda.[6]

3.      Gaya berat

            Orang awam sering menyamakan massa dan berat. Padahal, kedua istilah ini berbeda.Massa (simbol m dari kata “mass”) adalah ukuran jumlah materi yang dikandung oleh suatu benda. Karena itu, massa tidak dipengaruhi oleh lokasi benda berada. Massa di manapun alam semesta ini adalah tetap.Massa adalah besaran scalar (tidak memiliki arah), memiliki satuan kg, dan diukur dengan neraca.

            Berat (simbol w, dari kata “weight”) adalah gaya gravitasi yang bekerja pada benda. Berat benda di Bumi adalah gaya gravitasi Bumi yang bekerja pada benda. Jelas bahwa berat dipengaruhi oleh lokasi benda berada.

            Ketika kamu melompat, kamu selalu jatuh ke tanah karena gaya gravitasi Bumi. Karena itu, gaya berat (atau berat) termasuk besaran vector, yang arahnya selalu tegak lurus permukaan menuju ke pusat Bumi. Karena berat termasuk besaran gaya, berat diukur dengan dinamometer, dalam satuan newton.Hubungan antara berat dengan massa dapat dinyatakan sebagai:

w = gm

Hasil bagi berat dengan massa yang bernilai tetap ini dinamakan percepatan gravitasi (notasi g). Percepatan gravitasi kira-kira 9,8 N/kg atau 9,8 m/s².[7]

4.      Gaya Setimbang

            Gaya-gaya tidak selalu mengubah kecepatan. Gaya ini diperlihatkan pertandingan tarik tambang. Kedua tim tersebut sama-sama mengerahkan gaya dengan arah berlawanan. Bila kedua tim tersebut tidak bergerak, maka gaya yang dilakukan kedua tim pada tali tersebut sama besar. Gaya yang menarik tali ke kiri diimbangi dengan gaya yang menarik tali ke kanan. Gaya-gaya yang besarnya sama dan arahnya berlawanan yang bekerja pada sebuah bendadisebut gaya-gaya setimbang.[8]

5.      Gaya Tak Seimbang

            Pernahkah kamu menarik sebuah gerobak yangbermuatan? Untuk membuat gerobak bergerak, kamu harusmenarik gerobak tersebut. Jika gaya yang kamu kerahkantidak cukup besar, kamu mungkin meminta bantuantemanmu. Temanmu mungkin akan menarik gerobak itubersamamu atau mendorongnya dari belakang. Dua gayatersebut, yaitu gaya dari kamu dan temanmu akan bekerjapada arah yang sama. Jika dua gaya bekerja pada arah yangsama, maka kedua gaya itu dijumlahkan, seperti ditunjukkanpada Gambar a. Gaya total atau gaya resultan padagerobak tersebut sama dengan jumlah kedua gaya itu. Jikagaya total pada suatu benda menuju ke arah tertentu, gayatersebut disebut gaya-gaya tak setimbang.[9] Gaya-gaya taksetimbang selalu mengubah kecepatan sebuah benda.Apabila temanmu mendorong gerobak dengan arahyang berlawanan dengan arah gaya dorongmu, gaya-gayaitu digabung dengan cara yang berbeda. Jika dua gaya

berlawanan arah, maka gaya total kedua gaya tersebutmerupakan selisih kedua gaya. Jika satu gaya lebih besardaripada gaya yang lain, gerobak itu akan bergerak ke arahgaya yang lebih besar (Gambar c). Dalam hal ini temanmujelas tidak membantu kamu. Menurut pendapatmu apa yangterjadi jika gaya dorongmu dan gaya dorong temanmu samadan berlawanan arah, seperti Gambar b?

B.        Mengukur Gaya

           Di dalam laboratorium, gaya diukur dengan menggunakan neraca pegas atau dinamometer. Neraca pegas memiliki skala berupa angka yang tertera di samping. Posisis jarum menunjukkan besar gaya. Jika jarum menunjukkan angka 4 maka besar gaya sama dengan 4 newton. Satuan gaya dalam SI adalah newton (disingkat N), untuk menghormati Sir Isaac Newton (1642-1727). Ia adalah ahli matematika dan ilmuwan besar yang menemukan hokum tentang gerak dan gaya serta hokum gravitasi.[10]

C.    Pengaruh Gaya pada Benda

           Di SD pun kamu telah mengetahui bahwa ada empat pengaruh gaya pada benda yang dikenai gaya, yaitu sebagai berikut:

1.      Benda diam menjadi bergerak. Misalnya, bola sepak yang diam di tanah menjadi bergerak setelah kamu tendang.

2.      Benda bergerak menjadi diam. misalnya, bola basket yang dilempar ke arahmu menjadi berhenti setelah kamu tangkap.

3.      Bentuk dan ukuran benda berubah. Misalnya, karet gelang yang kamu tarik, bentuknya berubah dan ukuran panjangnya juga berubah.

4.      Arah gerak benda. Misalnya, bola sepak menuju ke arahmu berubah arahnya setelah kamu tendang.[11]

D.    Menggambar Sebuah Gaya

          

           Ketika kamu menarik mobil-mobilan 6 N ke kiri dan 6 N ke kanan, samakh pengaruhnya terhadap gerak mobil? Tentu tidak. Gaya F = 6 N ke kiri menyebabkan mobil-mobilan bergerak ke kiri. Sedangkan gaya F = 6 N ke kanan menyebabkan mobil-mobilan bergerak ke kanan. Jadi, gaya 6 N ke kiri berbeda dengan gaya 6N ke kanan, walaupun besar kedua gaya ini sama. Dapatlah kita katakana bahwa gaya adalah suatu besaran yang selain memiliki besar, juga memiliki arah. Dalam fisika, besaran yang memiliki besar dan arah disebut besaran vektor.

Karena gaya termasuk besaran vektor, gaya dapat dilukiskan dengan diagram vektor, yang berupa sebuah anak panah.Misalkan sebuah gaya F kita lukiskan dengan anak panah OA seperti ditunjukan pada gambar. Anak panah memiliki titik tangkap O, ujung A, panjang OA, dan arah dari O ke A. Titik tangkap anak panah menyatakan titik dimana gaya F bekerja. Panjang anak panah menyatakan nilai atau besar gaya, dan arah anak panah menyatakan arah gaya.[12]

E.     Melukis Penjumlahan dan Selisih Gaya

            Diberikan dua gaya F1 dan F2, seperti ditunjukkan pada gambar. Penjumlahan gaya R = F1 + F2 dilukis dengan menempuh langkah-langkah sebagai berikut: 1) Lukis salah satu gaya (missal F1), 2) Lukis gaya kedua (yaitu F2) dengan titik tangkapnya berimpit dengan ujung vektor pertam, 3)  Jumlah kedua gaya (F1 + F2) adalah anak panah yang menghubungkan titik tangkap gaya pertama ke ujung gaya kedua.

            Cara melukis penjumlahan gaya dengan langkah-langkah seperti ini disebut metode poligon. Secara matematis kita dapat menuliskan selisih gaya F1 dan F2 menjadi penjumlahan gaya seperti berikut.

S = F1 –F2 = F1 + (-F2)

Dengan –F2 adalah gaya yang besarnya sama dengan besar gaya F2, akan tetapi arahnya berlawanan. Dengan demikian, cara melukis selisih gaya sama sperti cara melukis penjumlahan gaya, hanya gaya kedua harus dibalik arahnya. Ini ditunjukkan pada gambar.[13]

F.     Resultan Gaya

                 Dua atau lebih gaya yang bekerja pada suatu benda dapat diganti oleh sebuah gaya. Gaya pengganti ini disebut resultan gaya (diberi lambing R). Jika gaya F1 dan F2 bekerja pada suatu benda maka resultan gaya R dituliskan sebagai R = F1 + F2. Tampak bahwa resultan gaya adalah nama lain dari jumlah gaya.

                 Dalam keseharian, resultan gaya R dapat kita amati misalnya pada seseorang yang sedang memanah. Sesaat sebelum pemanah melepaskan anak panah, pada anak panah bekerja dua gaya F1 dan F2, seperti ditunjukkan pada gambar. Resultan gaya R = F1 + F2 dapat dilukis dengan metode polygon, seperti ditunjukkan pada gambar. Didapati bahwa resultan gaya R berarah mendatar ke depan. Itulah sebabnya saat pemanah melepaskan anak panah, anak panah terlepas mendatar ke depan oleh resultan gaya R.[14]

G.    Hukum Newton

Dinamika adalah ilmu yang mempelajari gerak suatu benda dengan memperhatikan gay penyebab suatu benda tersebut bergerak. Prinsip-prinsip gerak benda dalam dinamika dapt diringkas dalam bentuk tiga pernyataan yang secara umum disebut hukum-hukum Newton.[15]

I.                    Hukum Pertama Newton

Ilmuan terkenal Yunani, Aristoteles, mengatakan bahwa gerak selalu disebabkan oleh gaya(berupa tarikan atau dorongan). Apa yang terjadi ketika resultan gaya yang bereaksi pada suatu benda sama dengan nol atau penjumlahan gaya sama dengan nol? Benda dalam keadaan diam karena tidak ada gaya yang bekerja pada benda tersebut. Tetapi, apa yang terjadi jika gaya-gaya yang bereaksi pada suatu benda yang sedang bergerak? Jika benda bergerak dengan kecepatan konstan tanpa dipengaruhi oleh gaya, maka benda tersebut akan bergerak terus dengan kecepatan konstan. Dari pernyataan di atas, dapat diambil kesimpulan bahwa ketika gaya-gaya yang bereaksi pada suatu benda sama dengan nol, benda selalu dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan di lintasan garis lurus.

Kelembaman artinya keadaan benda lamban atau malas berubah dari keadaan sebelumnya. Adanya sifat kelembaman benda pertmama kali dinyatakan oleh Galileo Galilei (1564-1642). Kecepatan yang diberikan pada sebuah benda akan dipertahankan jika semua penghambatnya dihilangkan.

Hukum Pertama Newton menyatakan: “Setiap benda selalu terus dalam keadaan diam atau begerak dengan kecepatan konstan di lintasan garis lurus, kecuali jika benda diberi aksi gaya dari luar untuk mengubah dari keadaan semula”. Hukum I Newton sering disebut hukum kelembaman atau inersia benda. Hukum I Newton hanya berlaku pada kerangka inersia. Kerangka inersia adalah kerangka acuan yang tidak dipercepat. Kerangka inersia dapat berupa kerangka diam atau kerangka yang bergerak beraturan (kecepatan tetap). Tidak ada gaya yang bekerja pada suatu benda sama artinya dengan gaya yang bekerja pada benda yang sama dengan nol. Gaya sama dengan nol dapat dihasilkan oleh dua gaya atau lebih yang bekerja pada suatu benda, asalkan gaya itu seimbang. Secara matematis, hukum I Newton dinyatakan sebagai berikut

Untuk benda diam atau benda bergerak dengan kecepatan tetap.[16]

      Gaya-gaya pada suatu benda seimbang jika resultan gaya sama dengan nol. Seperti telah disebutkan, gaya-gaya seimbang tidak menyebabkan perubahan pada gerak benda. Jika benda mula-mula diam dan bekerja gaya-gaya seimbang (ΣF=0), benda akan terus diam. Ini adalah jenis keseimbangan statis. Jika benda mula-mula telah bergerak dan bekerja gaya-gaya seimbang (ΣF=0), benda akan terus bergerak lurus dengan kelajuan tetap, ini adalah jenis keseimbanagn dinamis.

II.                 Hukum Kedua Newton

Hukum I Newton berkaitan dengan gerak benda ketika resultan gaya pada benda sama dengan nol. Dalam kasus ini kecepatan benda adalah tetap, dan dapat dikatakan bahwa benda tidak mrngalami percepatan (atau percepatan=0). Jika pada benda bekerja sebuah gaya atau bekerja beberapa gaya yang resultannya tidak nol, maka dalam kasus ini kecepatan benda akan berubah, dan dapat dikatakan bahwa benda mengalami percepatan. Gaya pada sebuah benda merupakan penyebab benda dipercepat atau diperlambat.[17]

Perubahan gerak merupakan percepatan. Jadi, gaya dapat menimbulkan percepatan. Jika masa benda tetap dan gaya yang mengenainya diperbesar, percepatan yang terjadi makin besar. Namun, jika masa benda diperbesar dan gaya yang mengenainya tetap, percepatan yang terjadi makin kecil. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa percepatan gerak benda berbanding terbalik dengan massanya dan berbanding lurus dengan gays yang mengenainya.

Hukum kedua Newton menyatakan: “Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”. Secara matematis pernyataanya itu dapat dirumuskan

 atau

F = gaya (N)

a = percepatan m/s²

m = massa benda (kg)

Satuan gaya menurut SI adalah N (Newton). Gaya juga dapat dinyatakan dalam dyne (1N = 10⁵ dyne). [18]

III.              Hukum Ketiga Newton

Hukum III Newton juga sering disebut hukum aksi-reaksi. Dapat dimisalkan, seorang anak duduk di atas papan beroda. Ia memegangi tali yang dihubungkan dengan sebuah tiang yang kukuh. Jika ia menarik tali dengan gaya F (kearah kanan), ia akan bergerak kiri. Hal itu berarti pasti ada gaya yang arahnya kekiri (F₁). Jika gaya F disebut gaya aksi, gaya F₁ gaya reaksi. Gaya F dan F₁ disebut pasangan gaya aksi-reaksi. Secara matematis, pernyataan itu ditulis.[19]

Gaya tarik F kemudian diteruskan oleh tali sampai ke tiann. Setelah mengenai tiang, gaya F berubah menjadi F₂. Secara umum, besar gaya F tidak sama dengan F₂ (F≠F₂). Jadi, gaya F₁ dan F₂ bukanlah pasangan aksi-reaksi. Karena ditarik tali dengan gaya F₂, tiang memberi reaksi dengan gaya F₃,. Dalam hal ini, F₂ dan F₃ merupakan pasangan gaya aksi-reaksi.   

Hukum ketiga Newton menyatakan: “Jika benda A memberikan gaya pada benda B (gaya aksi), maka benda B juga akan memberikan gaya pada benda A (gaya reaksi)”. Kedua gaya tersebut mempunyai besar yang sama tetapi mempunyai arah yang berlawanan.[20]

H.    Tekanan pada Zat Padat

Mengapa konsep tekanan zat perlu diperkenalkan ?

Dua temanmu Rini dan Andi memiliki berat kira-kira sama. Rini memakai sepatu hak tinggi, sedangkan Andi  memakai sepatu pria. Jika secara tak sengaja kakimu terinjak oleh Rini dan Andi, apakah efek yang kamu raskan sama?Kenyataannya kamu akan lebih tersa sakit ketika terinjak oleh Rini daripada terinjak Andi. Bagaimana bisa efek kedua injakan ini berbeda, padahal erat Rini dan Andi sama?

Berat Rini ditopang oleh luas hak sepatu yang sangat kecil (kira-kira 1 cm²), sementara Andi di topang oleh luas alas sepatu pria (kira-kira 100 cm²). Tampak bahwa efek yang ditimbulkan oleh gaya pada suatu benda juga bergantung pada luas bidang sentuh gaya tersebut. Dari sinilah muncul tekanan, yang diidefinisikan sebagai gaya per satuan luas permukaan tempat gaya itu bekerja atau dengan definisi lain bahwa tekanan adalah gaya persatuan luas.

a)      Tekanan sebanding dengan gaya yang bekerja pada suatu benda.

b)      Tekanan berbanding dengan luas bidang tekan

Pernyataan ini dirumuskan sebagai :

dengan F = gaya (N), A = luas bidang sentuh (m² ), dan P = tekanan (Pascal, disingkat Pa). Perhatikan, gaya adalah besaran vektor karena memiliki arah tertentu, sedangkan teknan adalah besaran skalar karena tidak memiliki arah tertentu.

Apakah satuan tekanan ?

Dalam SI, satua tekanan adalah Pascal (dsingkat Pa) untuk menghormati Blasise Pascal, sehinnga persamaaan diperoleh hubungan satuan

1 Pa =  atau 1 Pa = 1 N/m²

Dari hubungan ini, maka 1 pascala dapat didefinisikan sebagai berikut :

Satu pascal (1 Pa) adalah tekanan yang dilakukan oleh gaya suatu newton pada luas permukaan satu meter persegi.

Tekanan satu Pa sangat kecil, kira-kira sama dengan tekanan yang dikerjakan oleh uang kertas rupiah yang diam mendatar diatas meja. Ilmuwan lebih sering menggunakan kilopascal (1 kPa = 1000 Pa).

Contoh Soal Rumus Tekanan

Seekor gajah yang besarnya 40.000 N berdiri dengan satu kaki yang luas tapaknya 1000 cm². Berapa tekanan yang dilakukan gajah pada tanah ?

Jawab :

Gaya F = berat gajah = 40.000 N

Luas bidang tekan A   = 1000 cm ²

= 1000 x  = m²

Dengan menggunakan rumus tekanan diperoleh

P== = 400.000 Pa atau 400 Kpa

Bila zat padat seperti balok diberi gaya dari atas akan menimbulkan tekanan. Pada tekanan zat padat berlaku:

a)      Bila balok yang sama ditekan pada tanah yang lembek akan lebih besar tekanannya atau akan lebih dalam tekanannya dibandingkan di tanah yang tidak lembek.

b)      Semakin besar luas alas bidang tekannya, maka tekanannya makin kecil.

c)      Semakin kecil luas alas bidang tekannya, maka tekanannya makin besar.

Contoh Tekanan maksimum balok

Massa sebuah balok beton berukuran 0,5 m x 1m x 2m adalah 2600 kg. Berapa tekanan maksimum yang dapat dikerjakan beton pada tanah ? Percepatan gravitasi g= 10 N/kg

Jawab :

Beton mengerjakan tekanan maksimum pada tanah jika beton berdiri pada luas bidang sentuh minimum paling kecil.

Untuk menghitung tekanan, kita menghitung gaya berat beton terlebih dahulu. Gaya berat balok adalah :

F= m.g =(2600 kg) (10 N/kg)

F= 26.000 N

Luas bidang sentuh A = 1m x 0,5m = 0,5 m²

Maka tekanan maksimum balok memiliki persamaan :

P== = 52.000 Pa

Penerapan tekanan zat padat dalam kehidupan sehari – hari:

a)      Paku yang tajam akan lebih dalam menancapnya bila dibandigkan dengan paku tumpul, karena pada paku tajam luas alasnya kecil berarti tekanannya besar, sedangkan pada paku tumpul luas alasnya besar sehingga tekanannya kecil.

b)       Pisau tajam lebih mudah mengupas atau memotong benda daripada pisau yang tumpul.

c)      Kaki itik dapat berjalan di tanah lumpur dan tidak terpeleset, karena kaki itik luas alasnya besar, sehingga tekanannya kecil dan akibatnya tekanan kecil dapat memperlancar jalannya.

d)      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.

I.       Tekanan pada Zat Cair

a.      Tekanan Hidrostatis

Pada zat padat, tekanan yang di hasilkan hanya ke arah bawah (jika pada zat padat tidak diberikan gaya luar lain, Pada zat padat hanya bekerja gaya gravitasi) sedangkan pada fluida, tekanan yang di hasilkan menyebar ke segala arah.

Tekanan di dalam zat cair disebabkan oleh adanya gaya gravitasi yang bekerja pada tiap bagian zat cair, besar tekanan itu bergantung pada kedalaman, makin dalam letak suatu bagian zat cair, semakin besar tekanan pada bagian itu. Tekanan di dalam fluida tak bergerak yang diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi disebut tekanan hidrostatika.Untuk mengetahui besarnya tekanan hidrostatis dapat diketahui dengan alat Harlt.

Berdasarkan alat Harlt, bahwa tekanan hidrostatik dipengaruhi oleh faktor:

a)      Massa jenis zat cair (ρ = rho) (Kg/m3)

b)      Gravitasi (g) (N/Kg)

c)      Kedalaman (h) (m)

Teori tentang tekanan hidrostatika juga dapat dijelaskan dengan mengamati bejana atau gelas yang berisi air sebagai contohnya. Perhatikanlah gambar berikut ini:

Sehingga besar tekanan pada alas bejana adalah

Jadi, besarnya tekanan hidrostatik secara umum di rumuskan dengan

Contoh soal tekanan hidrostatis

Gambar berikut sebuah teko berisi sirup sedalam 15 cm. Tentukan tekanan hidrostatis di dasar teko, anggap massa jenis sirup sama dengan massa jenis air yaitu 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s²

Pembahasan
Tekanan hidrostatis:

P = ρ x g x h

P = 1000 x 10 x 0,15 = 1500 Pascal

Jika tekanan armosfer di permukaan zat cair itu adalah P₀ maka tekanan mutlak pada tempat atau titik yang berada pada kedalaman h adalah

Gaya hidrostatik pada alas bejana ditentukan dengan rumus sebagai berikut

Sedangkan untuk satu jenis zat cair besar tekanan di dalamnya tergantung pada kedalamannya. Setiap titik yang berada pada kedalaman sama akan mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula.

"Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada satu bidang datar di dalam satu jenis zat cair yang diam, besarnya sama."

Pernyataan di atas dikenal sebagai hukum utama hidrostatika. Perhatikan gambar berikut:

Berdasarkan hukum utama hidrostatika dapat dirumuskan :

P_A = P_B = P_C

P_D = P_E

Hukum utama hidrostatika dapat diterapkan untuk menentukan masa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U. Perhatikanlah gambar berikut!

Dalam hal ini, dua cairan yang digunakan tidak akan tercampur. Pipa U mula-mula diisi dengan zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya, kemudian salah satu kaki dituangi zat cair yang di cari massa jenisnya hingga setinggi h₁. Kemudian, tarik garis mendatar AB sepanjang pipa. Ukur tinggi zat cair mula-mula di atas garis AB (misal : h₂)

Menurut hukum utama hidrostatika, tekanan di A sama dengan di B.

Contoh soal

Untuk memperkirakan massa jenis suatu zat cair digunakan pipa berbentuk U yang telah berisi air. Setelah zat cair dimasukkan pada pipa sebelah kanan, kondisi akhir seperti gambar berikut.

Tentukan massa jenis zat cair pada pipa kanan!

Pembahasan
ρ₁h₁ = ρ₂h₂

1000 x 5 = ρ2 x 8

h₂ = 5000 / 8 = 625 kg/m³

b.      Hukum Pascal

Menyatakan bahwa jika fluida diberi tekanan dari luar maka tekanan tersebut akan diteruskan kesegala arah dengan sama besar.prinsip hukum pascal diterapkan pada akat – alat hidrolik seperti : pompa hidrolik , dongkrak hidrolik , pengangkat hidrolik dan lain – lain.

·         Persamaan Hukum Pascal

Jika suatu fluida yang dilengkapi dengan sebuah penghisap yang dapat bergerak maka tekanan di suatu titik tertentu tidak hanya ditentukan oleh berat fluida di atas permukaan air tetapi juga oleh gaya yang dikerahkan oleh penghisap. Berikut ini adalah gambar fluida yang dilengkapi oleh dua penghisap dengan luas penampang berbeda.Penghisap pertama memiliki luas penampang yang kecil (diameter kecil) dan penghisap yang kedua memiliki luas penampang yang besar (diameter besar) (Kanginan, 2007).

Gambar 1: Fluida yang Dilengkapi Penghisap dengan Luas Permukaan Berbeda

Sesuai dengan hukum Pascal bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah, maka tekanan yang masuk pada penghisap pertama sama dengan tekanan pada penghisap kedua (Kanginan, 2007). Tekanan dalam fluida dapat dirumuskan dengan persamaan di bawah ini.              

sehingga persamaan hukum Pascal bisa ditulis sebagai berikut.

P₁ = P₂

 =

Jadi, gaya yang ditimbulkan pada pengisap besar adalah:

F2 =

Keterangan :

F1 = gaya yang menekan pada tabung atau piston1(N)

F2 = gaya yang menekan pada tabung atau piston2(N)

A1 = luas alas tabung atau piston 1 (m2)

A2=  luas alas tabung atau piston 2 (m2)

Dik: F1 = 50N

A1 = 20cm2

A2 = 80 cm2

Dit: F2?

Jawab:

                        P₁ = P₂

 =

=

20 x F2 = 50 x 80

20F2 = 4000N

F2 = 4000 𝑁20

F2 = 200 N

Alat – alat yang menggunakan Hukum Pascal:

a)      Dongkrak Hidrolik, yaitu alat yang dapat mengangkat bagian mobil, seperti saat akan membuka ban atau roda mobil.

Prinsip kerjanya:

o   Bila gagang diangkat ke atas: pengisap P1 pada tabung A tertarik ke atas, klep K, terbuka dan klep K2 tertutup, sehingga minyak dari C masuk ke A.

o   Bila gagang ditekan ke bawah K1 tertutup dan K2 terbuka sehingga minyak dari A ke B, sehingga mendorong pendongkrak P2 ke atas, dan seterusnya.

o   Bila keran K3 dibuka, minyak dari B ke C, sehingga pendongkrak P2 ikut turun ke bawah.

c.       Rem hidrolik

Prinsip kerjanya:

Bila rem di tekan minyak rem pada silinder akan tertekan yang diteruskan ke silinder roda, mengakibatkan silinder roda menekan bantalan roda kea rah tromol rem pada roda akhirnya terjadi gesekan antara tromol dengan bantalan yang mengakibatkan roda berhenti saat direm.

d.       Alat pengangkat mobil untuk mengangkat seluruh badan mobil, banyak digunakan di bengkel mobil yang besar.

Prinsip kerjanya:

Alat pengangkat mobil sama dengan dongkrak hidrolik.

d.    Kempa hidrolik merupakan alat untuk mencetak logam, memeras biji – bijian yang akan diambil minyaknya, dan mengepak kapas.

e.    Hukum Pascal dapat juga terjadi pada aliran darah pada tubuh kita. Aliran darah pada tubuh kita berada dalam suatu ruang tertutup yakni di dalam ruang tertutup. Darah mengalir melalui suatu pembuluh darah. Jika orang yang sehat (normal), pembuluh darah orang yang sehat bersih tanpa ada penghambat. Sehingga orang yang normal aliran tekanan darahnya pun stabil.

Tetapi jika orang yang misalnya terkena penyakit tekanan darah tinggi karena kelebihan kolesterol makan pembuluh darahnya akan lebih menyempit. Sehingga jantung akan bekerja lebih keras dalam memompa lebih keras yang bahkan dapat menyebabkan pecahnya pembuluh darah. Penyebab lain tekanan darah tinggi yang dapat menyempitkan pembuluh darah adalah faktor keturunan, stres, usia, kebiasan merokok, dan minuman beralkohol.

e.       Bejana Berhubungan

           Bejana berhubungan yaitu rangkaian dari beberapa bejana yang saling berhubungan satu sama lainnya dengan bagian atasnya terbuka. Pada bejana berhubungan berlaku:

a.       Keadaan air yang sama jenisnya selalu mendatar sekalipun bejana dimiringkan.

b.      Hukum bejana berhubungan: jika bejana berhubungan diisi dengan zat cair yang sejenis, dalam keadaan seimbang maka permukaan zat cair akan berada pada satu bidang mendatar.

c.       Hukum bejana berhubungan tidak berlaku, bila:

1)      Zat cair yang mengisinya berbeda

o   Air dengan minyak tanah, maka air di bawah dan minyak tanah di atas, karena tekanan zat dari air > minyak tanah, dan

o   Air dengan raksa, maka raksa dibawah dan air berada di atas, karena tekanan raksa>air.

2)      Ada pipa kapiler.

             Prinsip bejana berhubungan adalah sebuah peristiwa di mana permukaan air selalu rata. Dalam hal ini, tidak dipengaruhi oleh bentuk permukaan dasarnya atau bentuk tabungnya, dengan syarat tempat air tersebut berhubungan. Aplikasi bejana berhubungan dalam kehidupan sehari-hari

a.       Tukang Bangunan

Tukang bangunan menggunakan konsep bejana berhubungan untuk membuat titik yang sama tingginya. Kedua titik yang sama ketinggiannya ini digunakan untuk membuat garis lurus yang datar. Biasanya, garis ini digunakan sebagai patokan untuk memasang ubin supaya permukaan ubin menjadi rata dan memasang jendela-jendela supaya antara jendela satu dan jendela lainnya sejajar. Tukang bangunan menggunakan slang kecil yang diisi air dan kedua ujungnya diarahkan ke atas. Akan dihasilkan dua permukaan air, yaitu permukaan air kedua ujung slang. Kemudian, seutas benang dibentangkan menghubungkan dua permukaan air pada kedua ujung slang. Dengan cara ini, tukang bangunan akan memperoleh permukaan datar.

b.      Teko Air

Perhatikan teko air di rumahmu.Teko tersebut merupakan sebuah bejana berhubungan.Teko air yang baik harus mempunyai mulut yang lebih tinggi daripada tabung tempat menyimpan air.

c.       Tempat Penampungan Air

Biasanya, setiap rumah mempunyai tempat penampungan air.Tempat penampungan air ini ditempatkan di tempat tinggi misalnya atap rumah.Jika diamati, wadah air yang cukup besar dihubungkan dengan kran tempat keluarnya air menggunakan pipa-pipa.Jika bentuk bejana berhubungan pada penjelasan sebelumnya membentuk huruf U, bejana pada penampungan air ini tidak berbentuk demikian.Hal ini sengaja dirancang demikian karena sistem ini bertujuan untuk mengalirkan air ke tempat yang lebih rendah dengan kekuatan pancaran yang cukup besar.

Pada bejana berhubungan berlaku rumus:

p1 = p2

ρ1 x g1 x h1 = ρ2 x g2 x h2

ρ1 x h1 = ρ2 x h2

Contoh soal:

Pipa U diisi air dan minyak tanah, massa jenis air 1 gr/cm3, massa jenis minyak tanah 0,8 gr/ cm3. Jika perbedaan tinggi air menjadi 20cm, berapakah tinggi minyak tanah?

Dik: p1 = 1gr/cm3

p2 = 0,8 gr/cm3

h1 = 20cm

Dit: h2?

Jawab:

ρ1 x h1 = ρ2 x h2

1gr/cm3 x 20cm = 0,8 gr/cm3 x h2

h2 = 20𝑐𝑚/0,8

h2 = 25 cm

f.        Hukum Archimedes

Hukum archimedes berbunyi: “gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya kedalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut”.

Barangkali anda pernah mengamati/ merasakan bahwa benda yang diletakkan di dalam air terasa lebih ringan dibandingkan dengan beratnya ketika di udara. Hal ini disebabkan karena tekanan makin bertambah dengan bertambahnya kedalaman, gaya pada bagian bawah benda yang berada di dalam air lebih besar daripada gaya yang bekerja pada bagian atas benda. Akibatnya, ada selisih gaya yang bekerja pada benda yang sering kita sebut dengan gaya apung (yang arahnya selalu ke atas). Gaya apung pada benda yang dibenamkan merupakan akibat bertambahnya tekanan terhadap bertambahnya kedalaman.

Perhatikan gambar di atas, dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa selisih gaya yang bekerja pada silinder adalah yang bertindak sebagai gaya apungnya yang besarnya adalah,

dimana m.g adalah berat fluida yang dipindahkan. Ingat, berat adalah massa dikalikan percepatan gravitasi.Kesimpulan yang dapat diambil dari gejala di atas dikenal sebagai hukum Archimedes, yang menyatakan bahwa gaya apung yang bekerja pada sebuah benda yang dibenamkan sama dengan berat fluida yang dipindahkan.

Contoh soal penerapan hukum Archemedes

1. Sebuah batu memiliki berat 30 N Jika ditimbang di udara. Jika batu tersebut ditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm³, tentukanlah:

a. gaya ke atas yang diterima batu,

b. volume batu, dan

c. massa jenis batu tersebut.

Jawab

Diketahui: w = 30 N, w_bf = 21 N, dan ρ_air = 1 g/cm³.

ρ_air = 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³

a. w_bf = w – FA

21 N = 30 N – FA

FA = 9 N

b. FA = ρ_airV_batug

9 N = (1.000 kg/m³) (Vbatu) (10 m/s²)

V_batu = 9 × 10^–4 m³

c.

Berdasarkan hukum Archimedes kita bisa menentukan syarat sebuah benda untuk terapung, melayang, atau tenggelam di dalam suatu fluida.

1.      Terapung

Perhatikan gambar 2 yang menunjukkan sebuah balok kayu yang terapung pada sebuah fluida. Pada saat terapung, besarnya gaya apung F.apung sama dengan berat benda w=mg. Pada peristiwa ini, hanya sebagian volum benda yang tecelup di dalam fluida sehingga volum fluida yang dipindahkan lebih kecil dari volum total benda yang mengapung. Pada benda mengapung, karena volum fluida yang dipindahkan lebih kecil dari volum benda yang tercelup di dalam fluida, maka secara umum benda akan terapung jika massa jenisnya lebih kecil daripada massa jenis fluida.

Terapung, akan terhadi bila:

- Gaya tekan ke atas > berat benda.

- Massa jenis air > massa jenis benda

- Berat jenis air > berat jenis benda

Terapung dapat terjadi pada gabus yang massa jenisnya kurang dari massa jenis air.

2.      Tenggelam

Sekarang kita akan meninjau kasus tenggelam, seperti tampak pada gambar 3. Pada saat tenggelam berlaku gaya apung F.apung lebih kecil daripada gaya berat benda w=mg. Karena benda tercelup seluruhnya ke dalam fluida, maka volum fluida yang dipindahkan sama dengan volum benda. Syarat sebuah benda agar tenggelam seluruhnya ke dalam fluida, yaitu massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida.

Tenggelam, akan terjadi bila:

- Gaya tekan ke atas < berat benda.

- Massa jenis air < massa jenis benda

- Berat jenis air < berat jenis benda

Tenggelam dapat terjadi pada besi atau baja yang massa jenisnya > massa jenis air.

3.      Melayang

Sekarang kita akan meninjau kasus melayang, seperti terlihat pada gambar 4. Pada saat melayang berlaku gaya apung F.apung sama dengan gaya berat benda w=mg. Karena benda tercelup seluruhnya ke dalam fluida, maka volum fluida yang dipindahkan sama dengan volum benda. Syarat sebuah benda agar bisa melayang di dalam fluida, yaitu massa jenis benda harus sama dengan massa jenis fluida.

Melayang, akan terjadi bila:

- Gaya tekan ke atas = berat benda.

- Massa jenis air = massa jenis benda

- Berat jenis air = berat jenis benda

Melayang dapat terjadi pada telur yang dimasukkan ke dalam air garam, atau es saat massa jenisnya sama dengan massa jenis air.

Aplikasi Hukum Archimedes

Hukum Archimedes banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, di antaranya pada hidrometer, kapal laut, kapal selam, balon udara, dan galangan kapal.Berikut ini prinsip kerja alat-alat tersebut.

a. Hukum Archimedespada Hidrometer

Gambar Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hidrometer dilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akan menunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur. Berikut ini prinsip kerja hidrometer.

Gaya ke atas = berat hidrometer

FA = w_hidrometer

                                                                  ρ₁V₁g = mg

Oleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer sama dengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup maka dapat dituliskan

ρ₁ (Ah₁) = m

dengan: m = massa hidrometer (kg),

A = luas tangkai (m²),

h_f = tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair (m), dan

ρ_f = massa jenis zat cair (kg/m³).

Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobil dengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator. Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m³ dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong.

b. Kapal Laut dan Kapal Selam

Mengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwa ini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut. Perhatikan Gambar berikut.

Gambar Kapal yang sama pada saat kosong dan penuh muatan. Volume air yang di pindahkan oleh kapal ditandai dengan tenggelamnya kapal hingga batas garis yang ditunjukkan oleh tanda panah.

Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkan balok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Hal ini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentuk perahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi. Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volume perahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gaya angkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akan terapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memindahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.

Gambar Penampang kapal selam ketika (a) terapung, (b) melayang, dan (c) tenggelam.

Tahukah Anda apa yang menyebabkan kapal selam dapat terapung, melayang, dan menyelam? Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalam lambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung, melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangki pemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besar daripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akan tenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (air laut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebih kecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akan terapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang, jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikan dengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yang diinginkan.

c. Balon Udara

Balon berisi udara panas kali pertama diterbangkan pada tanggal 21 November 1783. Udara panas dalam balon memberikan gaya angkat karena udara panas di dalam balon lebih ringan daripada udara di luar balon. Balon udara bekerja berdasarkan prinsip Hukum Archimedes. Menurut prinsip ini, dapat dinyatakan bahwa sebuah benda yang dikelilingi udara akan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan volume udara yang dipindahkan oleh benda tersebut.

GambarBalon udara dapat mengambang di udara karena memanfaatkanprinsip Hukum Archimedes.

J.      Tekanan Udara

Tekanan udara adalah tenaga yang bekerja untuk menggerakkan massa udara dalam setiap satuan luas tertentu. Diukur dengan menggunakan barometer. Satuan tekanan udara adalah milibar (mb). Garis yang menghubungkan tempat-tempat yang sama tekanan udaranya disebut sebagai isobar.

Tekanan  udara merupakan tingkat kebasahan udara karena dalam udara air selalu terkandung dalam bentuk uap air. Kandungan uap air dalam udara hangat lebih banyak daripada kandungan uap air dalam udara dingin. Kalau udara banyak mengandung uap air didinginkan maka suhunya turun dan udara tidak dapat menahan lagi uap air sebanyak itu. Uap air berubah menjadi titik-titik air. Udara yan mengandung uap air sebanyak yang dapat dikandungnya disebut udara jenuh.

                    I.            Variasi Tekanan Udara

Tekanan udara dibatasi oleh ruang dan waktu. Artinya pada tempat dan waktu yang berbeda, besarnya juga berbeda. Tekanan udara secara vertikal yaitu makin ke atas semakin menurun. Hal ini dipengaruhi oleh:

·         Komposisi gas penyusunnya makin ke atas makin berkurang.

·         Sifat udara yang dapat dimampatkan, kekuatan gravitasi makin ke atas makin lemah.

·         Adanya variasi suhu secara vertikal di atas troposfer (>32 km) sehingga makin tinggi tempat suhu makin naik.

Tekanan udara secara horizontal yaitu variasi tekanan udara dipengaruhi suhu udara, bahwa daerah yang suhu udaranya tinggi akan bertekanan rendah dan daerah yang bersuhu udara rendah tekanannya tinggi. Pola penyebaran tekanan udara horizontal dipengaruhi:

·         Lintang tempat

·         Penyebaran daratan dan lautan.

·         Pergeseran posisi matahari tahunan.[21]

                 II.            Penyebab Tekanan Udara

Udara memiliki berat. Pada lapisan udara sangat tinggi hanya ada sedikit partikel, dan lapisan itu hanya ditekan oleh berat lapisan udara itu sendiri. Makin ke bawah maka makin besar tekanan udara, dan makin ke atas maka makin rendah tekanan udara. Tekanan udara paling besar dialami oleh tempat-tempat yang ketinggiannya hampir sejajar dengan permukaan laut.

Tekanan udara di permukaan laut berkisar 76 cmHg (atau 1 atm atau 1,013 bar atau 1,013 x 105 pascal). Tekanan udara di ketinggian setengah dari puncak Everest berkisar 50 cmHg dan di puncak Everest berkisar 30 cmHg.

              III.            Faktor-Faktor yang Memepengaruhi Tekanan Udara

Faktor-faktor yang memengaruhi tekanan udara adalah sebagai berikut:

a.       Tinggi Rendahnya Tempat

Semakin tinggi suatu tempat, lapisan udaranya semakin tipis dan semakin renggang, akibatnya tekanan udara semakin rendah.Tekanan udara di suatu tempat pada umumnya dipengaruhi oleh penyinaran matahari. Daerah yang banyak mendapat sinar matahari mempunyai tekanan udara rendah dan daerah yang sedikit mendapat sinar matahari mempunyai tekanan udara tinggi.

Tekanan udara pada suatu tempat berubah sepanjang hari. Alat pencatat tekanan udara dinamakan barograf. Pada barograf tekanan udara sepanjang hari tergores pada kertas yang dinamakan barogram. Bila hasilnya dibaca secara teliti, maka tekanan udara tertinggi terjadi pada pukul 10.00 (pagi) dan pukul 22.00 (malam) dan tekanan rendah terjadi pada pukul 04.00 (pagi) dan pukul 16.00 (sore).

b.       Temperatur

Jika temperatur udaranya tinggi, maka volume molekul udara berkembang, sehingga tekanan udara menjadi rendah, sebaliknya jika temperatur udara menjadi kecil, maka tekanan udara menjadi tinggi.

              IV.            Cara Mengukur Tekanan Udara

Tekanan udara diukur berdasarkan tekanan gaya pada permukaan dengan luas tertentu, misalnya 1 cm2. Satuan yang digunakan adalah atmosfer (atm),millimeter kolom air raksa (mmHg) atau milibar (mbar).

Tekanan udara patokan (sering juga disebut tekanan udara normal) adalah tekanan kolom udara setinggi lapisan atmosfer bumi pada garis lintang 450 dan suhu 0 derajat Celcius. Besarnya tekanan udara tersebut dinyatakan sebagai 1 atm. Tekanan sebesar 1 atm ini setara dengan tekanan yang diberikan oleh kolom air raksa setinggi 760 mm. Satuan tekanan selain dengan atm atau mmHg juga dapat dan sering dinyatakan dalam satuan kg/m2.

Konversi antara satuan tekanan udara tersebut adalah sebagai berikut

1 atm = 760 mmHg = 14,7 Psi = 1,013 mbar

Alat untuk mengukur tekanan udara disebut barometer. Tekanan udara berkurang dengan bertambahnya ketinggian tempat (elevasi atau altitude).

                V.            Hubungan Gejala-Gejala Alam dengan Tekanan Udara

a.       Penyebab angin

Angin atau pergerakan udara timbul karena adanya perbedaan tekanan udara. Angin selalu bertiup dari daerah bertekanan udara tinggi ke daerah bertekanan udara rendah.

b.      Dapat memprakirakan cuaca

Tekanan udara termasuk salah satu unsur utama cuaca. Empat unsur lainnya yaitu, suhu udara, kelembaban udaa, angin, dan curah hujan.

Penyimpangan yang cukup signifikan pada grafik yang diperoleh dapat memprakirakan cuaca di tempat tersebut.

1)      Tekanan udara lebih rendah dari biasanya maka kemungkinan besar akan turun hujan. Hal tersebut dikarenakan angin akan menuju ke tempat tersebut.

2)      Tekanan udara lebih tinggi dari biasanya maka kemungkinan cuaca cerah. Ini dikarenakan angin bertiup dari tempat tersebut.

              VI.            Pengaruh Tekanan Udara terhadap Manusia

a.       Peradangan pada hidung

Jika luas permukaan tubuh manusia kira-kira 1,3 m2, udara di sekitarnya mengerjakan gaya kira-kira sebesar 1,3 x 105 N. Gaya tersebut tidak akan bisa dirasakan, karena gaya tersebut diimbangi oleh gaya dari dalam tubuh kita yang dihasilkan oleh tekanan darah. Tekanan darah sedikit lebih besar daripada tekanan udara.

b.      Telinga mendegung saat pesawat terbang tinggal landas

Ketika pesawat terbang meninggalkan landasan utuk segera mencapai ketinggian aman untuk penerbangan (sekitar 35.000 kaki atau 10.000 m), terjadi perubahan tekanan udara yang cuup signifikan. Tekanan udara luar menjadi jauh lebih kecil daripada tekanan udara yang terperangkap dalam telinga. Hal tersebut menyebabkan gendang telinga menggembung dan akan terasa dengung di telinga seperti akan meledak.[22]

           VII.            Cara untuk Menunjukkan Tekanan Udara

Dunia ini berada dalam lautan udara (atmosfer). Gaya gravitasi partikel-partikel udara ini menimbulkan tekanan udara. Untuk menunjukkan bahwa tekanan udara cukup besar, ada beberapa demonstrasi yang akan dipelajari.

a.       Demonstrasi sepasang setengah bola Magdeburg

Untuk membuktikan bahwa tekanan udara sangat besar, Otto Von Guericke, penemu pompa vakum, melakukan suatu demonstrasi dengan membuat dua bah setengah bola tembaga berongga yang garis tengahnya kira-kira 30 cm. Kedua setengah bola ini jika dilengketkan membentuk bola berongga yang tidak dapat dimasuki udara. Bola dihubungkan ke sebuah pompa vakum melalui sebuah keran.

b.      Demonstrasi kaleng penyok

Demonstrasi ini cukup spektakuler dengan menggunakan kaleng penyok. Selama kaleng yang tutupnya terbuka dipanaskan, tekanan udara yang menekan dinding luar kaleng sama dengan tekanan udara yang menekan dinding dalam kaleng. Kedua tekanan ini menghasilkan gaya yang seimbang (resultannya =0), sehingga bentuk kaleng tetap dapat dipertahankan.

Selama kaleng berisi air dipanaskan, banyak partikel-partikel udara yang keluar dari kaleng. Tempat partikel-partikel udara ini digantikan oleh uap air-uap air yang naik. Ketika pembakar bunsen (atau kompor) dipadamkan dan kaleng segera ditutup rapat dengan sumbat, partikel-partikel udara dari luar kaleng tidak dapat memasuki kaleng. Saat kaleng menjadi dingin, uap air dalam kaleng mengembun kembali menjadi air. Di dalam kaleng hanya tersisa sedikit partikel udara dibandingkan dengan pada awal sebelumnya. Dengan deikian, tekanan udara pada dinding luar kaleng jauh lebih besar daripada tekanan udara pada dinding dalam kaleng. Perbedaan tekanan yang cukup besar ini memberikan resultan gaya terarah menggencet kaleng sehingga kaleng tergencet dan menjadi penyok.

        VIII.            Hubungan Ketinggian Tempat dengan Tekanan Udara

Hasil penelitian menunjukkan bahwa setiap kenaikan 10 m, tekanan udara berkurang ira-kira 1 mmHg. Pernyataan ini dapat digunakan untuk memperkirakan ketinggian suatu tempat dari permukaan laut, asalkan tekanan udara luar di tempat tersebut diketahui. Contohnya tekanan atmosfer di Cimahi dari bacaan barometer adalah 69 cmHg maka ketinggian kota Cimahi dari permukaan laut adalah:[23]

(760-690) mmHg  x 10 m = 700 m

 

1 mmHg

              IX.            Cara Kerja Alat Pengukur Tekanan Udara

Alat untuk mengukur tekanan udara dalam ruang terbuka (tekanan udara luar atau tekanan atmosfer) adalah barometer. Alat untuk mengukur tekanan udara dalam ruangan tertutup (misalnya, tekanan udara dalam ban) adalah manometer.

a.       Cara kerja barometer

Pada tahun 1643 Torricelli mengadakan percobaan dengan menggunakan sebuah tabung kaca kuat yang panjangnya kira-kira 1 m dan salah satu ujungnya tertutup. Dengan menggunakan sarung tangan, ia memegang tabung vertikal dengan ujung terbukanya menghadap ke atas. Dengan menggunakan corong, ia menuangkan raksa dari botol ke dalam tabung sampai penuh. Kemudian ia menutup ujung terbukanya dengan ibu jari, dan segera membaliknya. Dengan cepat ia melepaskan ibu jarinya tersebut dari ujung tabung dan menaruh tabung vertikal dalam sebuah bejana berisi raksa. Kemudian ia mengamati permukaan raksa dalam tabung dan berhenti ketika tinggi kolom raksa dalam tabung 76 cm di atas permukaan raksa dalam bejana. Ruang vakum terperangkap di atas kolom raksa.

Dengan melakukan percobaan, maka terbuktilah bahwa tinggi kolom raksa tetap 76 cm ketika digunakan tabung berdiameter lebih besar. Jadi, tabung tidak mempengaruhi tinggi kolom raksa. Demikian juga dengan posisi tabung ketika sedikit dimiringkan, tinggi kolom raksa tetap 76 cm. Namun, jika posisi tabung terlalu miring sehingga tinggi vertikalnya lebih kecil daripada 76 cm, raksa akan mengisi eluruh tabung tanpa ada ruang vakum di atasnya.

Ini menganalogikan dengan seimbangnya jungkat-jungkit ketika dua anak dengan berat badan yang sama duduk di kedua ujungnya. Dalam kasus ini gaya oleh tekanan atmosfer yang menekan permukaan raksa dalam bejana seimbang dengan berat raksa setinggi 76 cm dalam tabung. Jka tekanan atmosfer naik maka aya oleh tekanan atmosfer pad permukaan raksa dalam bejana akan menekan kolom raksa sehingga lebih tinggi daripada 76 cm. Sebaliknya, jika tekanan atmosfer turun maka supaya seimbang, kolom raksa harus turun di bawah 76 cm.

Tekanan atmosfer di permukaan laut kira-kira 76 cmHg. Tekanan ini disebut 1 atm. Dengan demikian, 1 atm = 76 cmHg.

b.      Satuan tekanan udara

Hubungan antara atm dan pascal (satuan SI) adalah

1 atm = 101 300 Pa

Dalam meteorologi, satuan tekanan yang sering digunakan adalah bar, yang didefinisikan sebagai tekanan sebesar 100 000 Pa. Jadi,

1 bar = 100 000 Pa

Satuan lain yang sering digunakan adalah milibar ditulis mbar, yang sama dengan seperibu bar.

1 mbar =1/1000 bar = 1/1000 (100 000 Pa)

1 mbar = 100 Pa

Hubungan satuan atmosfer dengan bar dapat dturunkan sebagai berikut.

1 atm = 101 300 Pa = 101 300 x 1/100 000 bar

1 atm = 1,013 bar = 1013 mbar

c.       Macam-macam barometer

Selain barometer raksa ciptaan Torricelli, berikut ada dua barometer lainnya, yaitu: (1) barometer air dan (2) barometer aneroid.

1)      Barometer air

2)      Barometer aneroid[24]

                X.            Cara Kerja Manometer

Ada tiga macam manometer, yaitu: (1) manometer raksa terbuka (2) manometer raksa tertutup dan (3) manometer bourdon.

1)      Manometer raksa terbuka

Manometer raksa terbuka adalah sebuah tabung U yang kedua ujungnya terbuka. Manometer ini diisi dengan zat cair (boleh air atau raksa).salah satu kaki terbuka dengan udara luar, sehingga tekanan permukaan raksa pada kaki terbuka selalu sama dengan tekanan atmosfer.

2)      Manometer raksa tertutup

Adalah sebuah tabung U yang salah satu ujungnya tertutup. Ujung yang terbuka dihubungkn ke suplai gas melalui selang karet. Pipa U diisi dengan raksa dan ruang di atas permukaan raksa dalam pipa tertutup adalah vakum. Jika gas tidak memiliki tekanan (atau tekanannya = 0) maka permukaan raksa dalam kedua kaki sama tinggi. Jika gas memiliki tekanan maka permukaan raksa dalam ujung tertutup akan naik dan lebih tinggi h mmHg daripada permukaan raksa yang kakinya berhubungan dengan suplai gas.

Pgas = h mmHg

3)      Manometer Bourdon

Tekanan uap dalam boiler (ruang untuk memasak air sampai menjadi uap pada pembangkit listrik tenaga uap) sangat tinggi. Untuk mengukur tekanan uap tersebut dapat digunakan manometer raksa, sebagai gantinya dapat digunakan manometer bourdon yang terbuat dari logam.

Manometer bourdon dihubungkan ke tangki gas yang akan diukur tekanannya. Gas tersebut masuk melalui lubang A, dan menekan pipa logam lengkung B. Oleh karena tekanan tersebut, maka B berusaha meluruskan diri. Makin besar tekanan gas, makin besar pula kekuatan yang akan meluruskan B. Gerakan B diteruskan ke tuas mekanik bergerigi, yang akan memutar lingar logam bergerigi searah jarum jam. Sebagai hasilnya, jarum penunjuk skala akan melekat pada lingkar logam bergerigi tersebut menyimpang searah jarum jam, dan menunjuk suatu angka yang menyatakan besar tekanan gas di dalam tangki.[25]

BAB III
PENUTUP

3.1.   Kesimpulan

Dari penjelasan sebelumnya, maka dapat disimpulkan bahwa:

1.      Hukum-hukum Newton adalah hukum yang mengatur tentang gerak.

2.      Hukum I Newton berbunyi “ Jika resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada benda sama dengan  nol maka benda diam akan tetap diam dan benda bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan”. Dimana Hukum II Newton berbunyi “ Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan besar gaya itu dan berbanding terbalik dengan massa benda itu “. Dimana :

3.      Hukum III Newton berbunyi “ bila suatu benda melakukan gaya pada benda lainnya, maka akan menimbulkan gaya yang besarnya sama dengan arah yang berlawanan”. Dimana :

Faksi

=

- Freaksi

4.      Massa berbeda dengan berat. Massa adalah sifat intristik dari sebuah benda yang menyatakan resistensinya terhadap percepatan, sedangkan berat bergantung pada hakikat dan jarak benda-benda lain yang mengerjakan gaya-gaya gravitasional pada benda itu.

5.      Tekanan adalah gaya persatuan luas, dengan rumus:

6.      Tekanan sebanding dengan gaya yang bekerja pada suatu benda, dan berbanding dengan luas bidang tekan.

7.      Tekanan terdapat pada zat padat, cair dan juga gas/udara.

8.      Tekanan pada zat cair mencakup di dalamnya tekanan hidrostatik, hukum pascal dan hukum archimedes.

DAFTAR PUSTAKA

Agus Kartono. 2007. Seribu Pena Fisika. Jakarta: Gramedia

Anonim. Tekanan Udara Rumus dan Alat Ukurnya. 2013. http://rumushitung.com/2013/07/28/tekanan-udara-rumus-alat-ukurnya/. Diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 19.05 WIB.

Anonim. Makalah Tekanan Udara. 2012. http://image.slidesharecdn.com/makalahtekananudara-121223072712-phpapp01/95/makalah-tekanan-udara-6-638.jpg?cb=1356269423. Diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 20.13 WIB.

Budi Purwanto. 2012. Semesta Fenomena Fisika. Jakarta: Erlangga

H. Moch. Agus Krisno, dkk. IPA Untuk SMP/MTs Kelas VIII BSE. Jakarta: Pusbuk

Kanginan Marthen. 2002. IPA Fisika 2. Jakarta: Erlangga

Kanginan, Marthen. 2007. IPA Fisika untuk SMP Kelas VIII. Jakarta: Penerbit Erlangga

Rinie Pratiwi P,dkk. 2008. CTL IPA Untuk SMP/MTs Kelas VIII BSE. Jakarta: Pusbuk

Syaiful Karim, dkk. 2009. Belajar IPA Untuk SMP/MTs Kelas VIII BSE. Jakarta: Pusbuk

Wasis, dkk. 2010. IPA Untuk SMP/MTs Kelas VIII BSE. Jakarta: Pusbuk

---

[1]Kanginan Marthen, IPA Fisika 2 Untuk SMP Kelas VIII, (Jakarta: Erlangga, 2002), hlm. 2.

[2]Ibid., hlm. 3.

[3]Ibid., hlm. 4.

[4]Ibid., hlm. 6-7.

[5]Ibid., hlm. 7.

[6]Ibid.

[7]Ibid., hlm. 9-11.

[8]Anonim, Gaya dan Tekanan, (http://www.kelas-sains.com/2013/07/materi-ipa-viii-gaya-dan-tekanan-bse.html), Diunduh pada Tanggal 14 Oktober 2014 Pukul 14.30 WIB, hlm. 218.

[9]Ibid., hlm. 219.

[10]Kanginan Marthen, Op. Cit., hlm. 4.

[11]Ibid., hlm. 3.

[12]Ibid., hlm. 14.

[13]Ibid., hlm. 15-16.

[14]Ibid., hlm. 16-17.

[15] Agus Kartono, Seribu Pena Fisika, Erlangga, Jakarta, 2007, hlm 3

[16] Kanginan Marthen, IPA Fisika 2, Erlangga, Jakarta, 2002, hlm 21

[17]Ibid., hlm 24

[18]Ibid., hlm 26

[19] Budi Purwanto, Semesta Fenomena Fisika, Erlangga, Jakarta, 2012, hlm 33

[20] Agus Kartono, Op.cit., hlm 4

[21]Anonim,”tekanan udara rumus dan alat ukurnya”, diakses dari http://rumushitung.com/2013/07/28/tekanan-udara-rumus-alat-ukurnya/html, pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 19.05

[22] Kanginan Marthen, IPA Fisika 2, Erlangga, Jakarta, 2002, hlm 116

[23]Ibid., hlm 119

[24]Ibid,. hlm 123

[25]Ibid,. hlm 126