Teknologi Penerapan Tekanan pada Zat

Kapal selam dapat bergerak di bawah laut, dongkrak hidrolik dapat mengangkat mobil, balon udara dapat naik, dan tensimeter dapat mengukur tekanan darah. Semua contoh itu terlihat berbeda, tetapi ada konsep yang sama di baliknya: tekanan.

Pada bab ini kamu akan mempelajari tekanan pada zat padat, zat cair, dan gas. Kamu juga akan menghubungkan konsep tekanan dengan teknologi dan tubuh makhluk hidup, mulai dari kapal selam, pompa hidrolik, pengangkutan air pada tumbuhan, sampai cara paru-paru mengembang dan mengempis.

Siswa mengamati model kapal selam, dongkrak hidrolik mini, balon udara, dan paru-paru buatan sebagai pengantar tekanan pada zat

Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari bab ini, kamu diharapkan mampu:

Menjelaskan tekanan sebagai gaya yang bekerja pada satuan luas bidang.
Menggunakan hubungan $P=\frac{F}{A}$ untuk menganalisis tekanan pada zat padat.
Menjelaskan pengaruh gaya dan luas bidang sentuh terhadap besar tekanan.
Menjelaskan tekanan hidrostatis pada zat cair dan faktor yang memengaruhinya.
Menggunakan hubungan $P_h=\rho \times g \times h$ pada soal sederhana.
Menjelaskan gaya apung berdasarkan hukum Archimedes.
Menganalisis kondisi terapung, melayang, dan tenggelam pada benda di dalam zat cair.
Menjelaskan cara kapal selam mengatur kedalaman dengan mengubah massa totalnya.
Menjelaskan tekanan gas pada percobaan sederhana dan balon udara.
Menjelaskan hukum Pascal dan penerapannya pada dongkrak atau pompa hidrolik.
Mengaitkan konsep tekanan dengan pengangkutan air dan nutrisi pada tumbuhan.
Mengaitkan konsep tekanan dengan tekanan darah dan proses pernapasan manusia.

Pertanyaan Pemantik

Gunakan pertanyaan berikut untuk memulai penyelidikan.

Mengapa menginjak kerikil kecil terasa lebih sakit daripada menginjak batu besar?
Mengapa penyelam merasakan tekanan lebih besar ketika menyelam makin dalam?
Mengapa kapal logam dapat mengapung, tetapi potongan logam pejal dapat tenggelam?
Bagaimana kapal selam dapat terapung, melayang, dan tenggelam?
Mengapa dongkrak hidrolik dapat mengangkat mobil dengan gaya yang relatif kecil?
Mengapa paru-paru dapat mengembang saat kita menarik napas?

Gambaran Kegiatan

Pada bab ini kamu akan membaca contoh, menganalisis gambar, menghitung tekanan, dan menghubungkan konsep dengan alat atau fenomena sehari-hari. Kamu juga dapat mencoba aktivitas sederhana seperti membandingkan tekanan pada alas berbeda, mengamati semprotan air dari botol berlubang, membuat model kapal selam, dan membuat model paru-paru buatan.

Di akhir bab, kamu dapat merancang model kapal selam sederhana dari botol plastik. Rancangan itu perlu dijelaskan dengan alasan ilmiah: gaya beratnya bagaimana, gaya apungnya bagaimana, kapan model terapung, kapan melayang, dan kapan tenggelam.

Teknologi Penerapan Tekanan pada Zat

Tekanan adalah konsep yang menghubungkan gaya dengan luas bidang tempat gaya bekerja. Dalam kehidupan sehari-hari, tekanan menjelaskan mengapa alas sepatu yang berbeda terasa berbeda, mengapa air di dasar kolam menekan lebih kuat, mengapa kapal selam dapat mengatur kedalaman, dan mengapa alat hidrolik dapat mengangkat benda berat.

Peta konsep tekanan pada zat padat, zat cair, zat gas, teknologi hidrolik, tumbuhan, tekanan darah, dan pernapasan

1. Tekanan pada Zat Padat

Tekanan pada zat padat dipengaruhi oleh gaya tekan dan luas bidang sentuh. Secara umum:

P=\frac{F}{A}

Keterangan:

$P$ adalah tekanan, satuannya $\mathrm{N/m^2}$ atau pascal ( $\mathrm{Pa}$ ).
$F$ adalah gaya tekan, satuannya $\mathrm{N}$ .
$A$ adalah luas bidang sentuh, satuannya $\mathrm{m^2}$ .

Jika gaya yang sama bekerja pada bidang yang lebih kecil, tekanannya lebih besar. Itulah sebabnya menginjak kerikil kecil terasa lebih sakit daripada menginjak batu besar. Kerikil memiliki luas bidang sentuh lebih kecil sehingga tekanan pada kaki lebih besar.

Perbandingan tekanan saat kaki menginjak kerikil kecil dan batu besar dengan luas bidang sentuh berbeda

Contoh lain adalah ban kendaraan besar. Truk berat memakai banyak roda agar berat truk terbagi pada luas sentuh yang lebih besar. Dengan luas total yang lebih besar, tekanan pada jalan menjadi lebih kecil.

Truk besar dengan banyak roda membagi berat ke beberapa bidang sentuh sehingga tekanan pada jalan lebih kecil

Misalnya sebuah roda menekan tanah dengan gaya $2.000\ \mathrm{N}$ dan luas bidang sentuhnya $0{,}2\ \mathrm{m^2}$ . Tekanannya:

P=\frac{2.000\ \mathrm{N}}{0{,}2\ \mathrm{m^2}}=10.000\ \mathrm{Pa}

2. Tekanan Hidrostatis pada Zat Cair

Zat cair yang diam memberi tekanan pada benda di dalamnya. Tekanan ini disebut tekanan hidrostatis. Semakin dalam posisi benda dari permukaan zat cair, semakin besar tekanan yang dirasakan. Tekanan hidrostatis juga dipengaruhi massa jenis zat cair.

Hubungan besarnya tekanan hidrostatis dapat ditulis:

P_h=\rho \times g \times h

Keterangan:

$P_h$ adalah tekanan hidrostatis, satuannya $\mathrm{Pa}$ .
$\rho$ adalah massa jenis zat cair, satuannya $\mathrm{kg/m^3}$ .
$g$ adalah percepatan gravitasi, satuannya $\mathrm{m/s^2}$ .
$h$ adalah kedalaman dari permukaan zat cair, satuannya $\mathrm{m}$ .

Tekanan hidrostatis bertambah pada titik yang lebih dalam di dalam air

Tekanan hidrostatis menjelaskan mengapa telinga terasa tertekan ketika menyelam makin dalam. Air di atas tubuh makin banyak sehingga gaya tekan air makin besar. Konsep ini penting dalam merancang bendungan, dermaga, kilang lepas pantai, dan kapal selam.

Percobaan botol berlubang juga menunjukkan hal yang sama. Lubang paling bawah memancarkan air paling jauh karena berada pada kedalaman terbesar, sehingga tekanan air di sana paling besar.

Botol berisi air dengan lubang pada ketinggian berbeda menunjukkan pancaran paling jauh dari lubang paling bawah

3. Hukum Archimedes dan Gaya Apung

Benda yang berada di dalam zat cair mendapat gaya ke atas yang disebut gaya apung. Menurut hukum Archimedes, benda yang dicelupkan ke dalam zat cair mendapat gaya ke atas sebesar berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Secara sederhana:

F_a=\rho_c \times g \times V_t

Keterangan:

$F_a$ adalah gaya apung, satuannya $\mathrm{N}$ .
$\rho_c$ adalah massa jenis zat cair, satuannya $\mathrm{kg/m^3}$ .
$g$ adalah percepatan gravitasi, satuannya $\mathrm{m/s^2}$ .
$V_t$ adalah volume benda yang tercelup atau volume zat cair yang dipindahkan, satuannya $\mathrm{m^3}$ .

Gaya apung ke atas dan gaya berat ke bawah pada benda yang tercelup dalam air

Keadaan benda di dalam zat cair ditentukan oleh perbandingan gaya apung dan gaya berat:

Benda terapung jika $F_a>W$ .
Benda tenggelam jika $F_a<W$ .
Benda melayang jika $F_a=W$ .

Tiga keadaan benda di dalam air: terapung, melayang, dan tenggelam

Kapal laut yang terbuat dari logam dapat mengapung karena bentuk lambungnya membuat volume air yang dipindahkan sangat besar. Gaya apung yang timbul dapat lebih besar daripada berat kapal.

Kapal selam bekerja dengan mengatur massa totalnya. Ketika tangki ballast diisi air, kapal selam menjadi lebih berat dan dapat tenggelam. Ketika air dikeluarkan dan diganti udara, kapal selam menjadi lebih ringan dan dapat naik. Jika gaya apung sama dengan berat total, kapal selam dapat melayang pada kedalaman tertentu.

Prinsip kapal selam dengan tangki ballast: air masuk untuk tenggelam, air keluar untuk naik, dan volume air disesuaikan untuk melayang

4. Tekanan Gas

Gas juga memberikan tekanan. Tekanan gas berasal dari tumbukan partikel gas pada dinding wadah. Jika gas dipanaskan dalam wadah tertutup lentur, partikel gas bergerak lebih cepat sehingga tekanan atau volume dapat berubah.

Pada percobaan labu atau botol yang ditutup balon, pemanasan membuat udara di dalam wadah mengembang dan menekan balon. Ketika wadah didinginkan, gerak partikel gas melambat dan balon menyusut.

Percobaan balon pada botol atau labu: balon mengembang saat udara dipanaskan dan menyusut saat didinginkan

Balon udara juga memanfaatkan konsep ini. Udara di dalam balon dipanaskan sehingga massa jenis rata-ratanya lebih kecil daripada udara luar. Akibatnya balon mendapat gaya angkat dan dapat naik.

Balon udara naik karena udara panas di dalam balon memiliki massa jenis rata-rata lebih kecil daripada udara sekitar

5. Hukum Pascal dan Teknologi Hidrolik

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Prinsip ini digunakan pada dongkrak hidrolik, rem hidrolik, dan pompa hidrolik.

Pada sistem hidrolik:

P_1=P_2

Karena $P=\frac{F}{A}$ , maka:

\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}

atau

F_2=\frac{A_2}{A_1}\times F_1

Jika penampang besar jauh lebih luas daripada penampang kecil, gaya keluaran dapat menjadi jauh lebih besar daripada gaya masukan.

Dongkrak hidrolik dengan penampang kecil dan besar menunjukkan tekanan diteruskan sama besar sehingga gaya keluaran lebih besar

Contoh: penampang kecil memiliki luas $2\ \mathrm{cm^2}$ dan diberi gaya $20\ \mathrm{N}$ . Penampang besar memiliki luas $100\ \mathrm{cm^2}$ . Gaya keluaran ideal:

F_2=\frac{100\ \mathrm{cm^2}}{2\ \mathrm{cm^2}}\times 20\ \mathrm{N}=1.000\ \mathrm{N}

6. Tekanan pada Tumbuhan

Tumbuhan memindahkan air dan mineral dari akar menuju daun melalui xilem. Air masuk ke akar melalui osmosis, lalu bergerak naik karena kapilaritas, kohesi, adhesi, dan tarikan transpirasi dari daun.

Air diserap akar lalu naik melalui xilem menuju batang dan daun karena osmosis, kapilaritas, dan tarikan transpirasi

Nutrisi hasil fotosintesis, seperti gula, diedarkan melalui floem dari daun ke bagian tumbuhan yang memerlukan. Pengangkutan pada tumbuhan melibatkan perbedaan konsentrasi dan aliran cairan di pembuluh tumbuhan.

7. Tekanan Darah dan Pernapasan Manusia

Tekanan darah adalah dorongan darah pada dinding pembuluh darah. Jantung memompa darah ke pembuluh, dan tekanan ini dapat diukur dengan tensimeter atau sphygmomanometer. Prinsip tekanan dalam ruang tertutup membantu menjelaskan mengapa tekanan pada darah dapat diteruskan melalui pembuluh darah.

Pengukuran tekanan darah dengan manset tensimeter pada lengan atas

Pernapasan juga berkaitan dengan tekanan gas. Saat diafragma berkontraksi dan bergerak ke bawah, volume rongga dada bertambah. Tekanan udara di paru-paru menjadi lebih kecil daripada tekanan udara luar, sehingga udara masuk. Saat diafragma relaksasi, volume rongga dada berkurang, tekanan udara di paru-paru naik, dan udara keluar.

Model paru-paru buatan dari botol, sedotan, dan balon menunjukkan perubahan volume dan tekanan saat diafragma ditarik

Pertukaran gas di alveolus terjadi karena perbedaan tekanan parsial. Oksigen ( $O_2$ ) berdifusi dari alveolus ke darah, sedangkan karbon dioksida ( $CO_2$ ) berdifusi dari darah ke alveolus.

8. Projek Mini: Simulasi Kapal Selam Mini

Projek akhir bab dapat memakai simulasi Kapal Selam Mini - Penyelam Kartesius. Pada model ini, penyelam kecil berada di dalam botol besar berisi air. Saat tekanan pada botol dinaikkan, udara di dalam penyelam kecil termampatkan, air masuk lebih banyak, massa jenis rata-ratanya bertambah, lalu penyelam turun. Saat tekanan dikurangi, udara mengembang kembali, air keluar, dan penyelam naik.

Simulasi penyelam Kartesius dalam botol besar untuk mengamati pengaruh tekanan terhadap keadaan terapung, melayang, dan tenggelam

Saat menyusun laporan projek, amati dan jelaskan:

posisi penyelam kecil saat tekanan rendah, sedang, dan tinggi;
perubahan volume udara di dalam penyelam kecil;
kapan penyelam terapung, melayang, atau tenggelam;
hubungan tekanan, air yang masuk, massa jenis rata-rata, dan gaya apung;
kesamaan dan batas model penyelam Kartesius dengan kapal selam sebenarnya.