TEKANAN UDARA

Kamu pernah naik pesawat? Bagi yang pernah mencobanya, saat pesawat landing ke daratan, telingamu terkadang berdengung atau sakit bukan? Kenapa bisa begitu ya? Nah ternyata, hal ini ada hubungannya dengan ketinggian dan tekanan gas atau tekanan udara, Squad. Hubungan antara ketinggian dengan tekanan udara ini berawal dari teori 400 tahun yang lalu dari seorang ilmuwan Italia, Evangelista Torricelli. Sekarang, supaya kamu semakin paham, kita bahas bersama ya!

Melalui percobaan Torricelli, tekanan udara diukur besarannya dan ditemukan bahwa tekanan udara di atas permukaan laut = 76 cmHg

“Setiap naik 100 m, tekanan udara berkurang 1 cmHg”

atau

“Semakin tinggi suatu tempat, maka tekanan udaranya semakin rendah”

Sehingga ketinggian suatu tempat dapat dihitung dengan persamaan:

h = (76 cmHg - Pbarometer) x 100 m

h = ketinggian tempat (meter)

Pbarometer = tekanan yang terbaca pada barometer

 

Nah, kita akan menjawab pertanyaan di atas tentang mengapa telinga berdengung saat pesawat landing. Hal ini disebabkan oleh selaput gendang telinga kita lebih menekuk keluar. Lho, kok bisa menekuk keluar? Ini akibat dari tekanan di dalam telinga yang masih tinggi saat pesawat mengudara alias belum landing. Sementara itu, tekanan udara di luar telinga lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara di dalam telinga.

Selain kejadian telinga berdengung tadi, masih banyak lho Squad fenomena tekanan gas dalam ruang terbuka dalam kehidupan sehari-hari. Di antaranya adalah:

1. Angin laut dan angin darat

Waktu SD, kamu belajar tentang angin laut dan angin darat 'kan Squad? Angin yang sering kita rasakan berhari-hari itu muncul karena adanya perbedaan tekanan udara di suatu tempat. Sementara itu, angin bertiup dari daerah yang tekanan udaranya lebih tinggi ke daerah yang tekanan udaranya lebih rendah. Tekanan udara inilah yang menyebabkan adanya angin laut dan angin darat.

2. Peristiwa ketika memasak air

Saat kamu memasak air di pegunungan, air yang kamu masak akan lebih cepat mendidih dibandingkan jika kamu memasak air di pantai. Wah, kenapa tuh? Hal itu disebabkan karena tekanan udara di pegunungan lebih rendah daripada di pantai, Squad. Akibatnya, air lebih mudah lepas ke udara atau menguap.

3. Turun dari dataran tinggi seperti pegunungan, ke dataran rendah

Sama seperti saat landing pesawat, telinga kita akan berdengung atau terasa sakit. Akibat selaput gendang telinga lebih menekuk keluar akibat turunnya tekanan udara di luar. Sementara tekanan udara di dalam telinga masih tetap tinggi seperti saat kita masih berada di atas pegunungan.

Para pendaki yang akan menaiki gunung tinggi seperti Gunung Everest atau Gunung Kalimanjaro harus membawa persediaan tabung oksigen. Tekanan udara di puncak gunung sangat rendah, ketika berada di puncak maka para pendaki akan kesulitan bernapas. Oleh karena itu, persediaan tabung oksigen yang akan sangat berguna.

Pengangkutan Air dan Nutrisi pada Tumbuhan

Konsep tekanan zat juga terdapat pada makhluk hidup 
seperti pengangkutan air dan nutrisi pada tumbuhan;
tekanan darah pada sistem peredaran darah manusia; 
tekanan gas pada proses pernapasan manusia. 

Pengangkutan air dan nutrisi pada tumbuhan: pengangkutan
air pada tumbuhan terjadi karena adanya jaringan xilem.
Air dari dalam tanah diserap oleh rambut – rambut akar
kemudian masuk ke sel epidermis melalui osmosis.
Selanjutnya, air menuju korteks, endodermis dan perisikel.
Kemudian air menuju xilem akar, xilem batang dan xilem daun. 

Berikut ilustrasi pengangkutan air masuk kedalam akar

Air dapat diangkut naik ke daun dan diedarkan ke seluruh tubuh 
tumbuhan karena adanya daya kapilaritas batang yang dipengaruhi 
oleh gaya kohesi dan adhesi. Kohesi adalah kecenderungan molekul 
untuk berikatan dengan molekul lain yang sejenis. Adhesi adalah 
kecenderungan molekul untuk berikatan dengan molekul lain yang 
tak sejenis. 

Air dimanfaatkan dalam fotosintesis. Didalam daun, air mengalami 
penguapan (transpirasi). Penggunaan air oleh daun akan menyebabkan 
terjadinya tarikan terhadap ari dalam xilem sehingga air didalam akar 
dapat naik ke daun. 

Berikut ilustrasi pengangkutan air dari akar menuju daun : 

Semua bagian tumbuhan memerlukan nutrisi. Nutrisi tumbuhan berupa gula dan asam amino hasil fotosintesis yang diedarkan oleh jaringan floem. Pengangkutan hasil fotosintesis dimulai dari daun (daerah berkonsentrasi gula tinggi) menuju ke seluruh tubuh (daerah berkonsentrasi gula rendah) dengan bantuan sirkulasi air yang mengalir melalui xilem dan floem. 

Berikut ilustrasi pengangkutan hasil fotosintesis dari daun ke seluruh tubuh tumbuhan : 

Tekanan Darah pada Sistem Peredaran Darah Manusia

Tekanan pada pembuluh darah berprinsip keja seperti hukum pascal. Ketika jantung memompa darah, darah mendapat dorongan sehingga dapat mengalir melalui pembuluh darah kemudian memberi dorongan pada pembuluh darah yang disebut tekanan darah.

Baca Juga: Sistem Reproduksi pada Tumbuhan Gymnospermae

Bila kehilangan darah karena kecelakaan atau penyakit, tekanan darah akan hiang sehingga darah tidak dapat mengalir menuju sel – sel di seluruh tubuh, akibatnya sel – sel akan mati karena tidak mendapat oksigen dan nutrisi. Tekanan darah diukur menggunakan alat sphygmomanometer atau tensimeter. 

Gambar sphygmomanometer :

Tekanan darah diukur dalam pembuluh nadi (arteri) yang terdapat di lengan atas. Tekanan darah orang normal sekitar 120/80 mmHg. 120 : angka sistol, menunjukkan tekanan saat bilik berkontraksi dan darah terdorong keluar dari bilik jantung melalui pembuluh arteri. 

80 : angka diastol menunjukkan hasil pengukuran tekanan saat bilik relaksasi dan darah masuk menuju bilik jantung, tepat sebelum bilik – bilik berkontraksi lagi. Berikut cara pengukuran tekanan darah : 

Berdasar hukum pascal : tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Begitu pula tekanan darah pada aorta, sama dengan tekanan pada arteri atau pembuluh nadi pada lengan atas. 

6. Tekanan Gas pada Proses Pernapasan Manusia

Dalam paru – paru, yaitu alveolus terjadi pertukaran gas O₂ dan CO₂ secara difusi, yaitu perpindahan zat terlarut dari daerah berkonsentrasi dan bertekanan parsial tinggi ke daerah berkonsentrasi dan bertekanan parsial rendah. Setiap menit paru – paru dapat menyerap sekitar 250 mL O₂ dan mengeluarkan CO₂ sekitar 200 mL. 

Tekanan parsial adalah tekanan yang diberikan oleh gas tertentu dalam campuran gas tersebut yaitu tekanan O₂ dan CO₂ yang terlarut dalam darah. Pada sistem peredaran darah, darah yang masuk ke paru – paru melalui arteri pulmonalis memiliki parsial O₂ yang lebih rendah dan parsial CO₂ lebih tinggi daripada udara dalam alveoli (alveoli : jamaknya alveolus). 

Ketika darah memasuki kapiler alveoli, CO₂ dalam darah berdifusi menuju alveoli dan O₂ dalam alveoli berdifusi ke dalam darah. Akibatnya, pasial O₂ dalam darah naik (banyak mengandung O₂) dan parsial CO₂ turun (sedikit mengandung CO₂). Selanjutnya, darah menuju jantung kemudian dipompa ke seluruh tubuh. 

Ketika darah di jaringan tubuh, O₂ dalam berdifusi menuju jaringan tubuh. Kandungan CO₂ dalam jaringan lebih besar dari kandungan jaringan dalam darah, sehingga CO₂ dalam jaringan berdifusi kedalam darah. Setelah melepas O₂ dan CO₂ dari jaringan, darah kembali ke jantung dan dipompa lagi ke paru – paru. 

Berikut proses difusi gas pada pernapasan dan peredaran darah :

Sumber: https://wirahadie.com/tekanan-zat-dan-penerapannya/amp/

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

^Sumber:

^{https://filosofiberselimutmatematika.blogspot.com/2020/04/rangkuman-materi-fisika-kelas-8-tekanan-zat.html?m=1}

 

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

erdasarkan 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

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