materi fisika kelas 8 - tekanan zat (lengkap)

MATERI FISIKA KELAS 8 : TEKANAN ZAT

gambar 1. orang berjalan di sawah

Gambar di atas menunjukkan bagaimana ketika orang berjalan di sawah yang berlumpur dan struktur tanahnya lembek, terlihat sebagian kaki orang tersebut terbenam di dalam tanah yang dapat dilihat jejak kedalamannya. Hal ini dikarenakan berat badan orang yang memberikan tekanan pada tanah sehingga sebagian kakinya terbenam. Konsep tekanan ini banyak sekali kita temui dalam kehidupan sehari-hari di sekitar kita baik tekanan pada zat pada, zat cair, atau zat gas. Selain contoh di atas, beberapa contoh konsep tekanan antara lain: paku yang dibuat lancip di ujungnya, pensil yang lancip lebih mudah di gunakan daripada pensil yang tumpul. Kapal yang terbuat dari besi dapat terapung di laut, dll. Agar lebih memahami tentang konsep tekanan, mari kita ikuti penjelasan di bawah ini.

Tekanan pada zat padat

Telah disebutkan di atas, bahwa ketika orang berdiri di atas tanah sawah yang berlumpur dan lembek maka sebagian kakinya akan tenggelam karena mendapat tekanan dari tubuh orang tersebut, sekarang bagaimana jika orang tersebut berdiri dengan menggunakan satu kaki? Atau orang tersebut duduk di atas tanah? Apakah sebagian tubuhnya tetap terbenam ke tanah?, Bagaimana pula jika saat berdiri di atas sawah ia sedang membawa sekarung pupuk?. Berbagai perubahan yang dilakukan oleh orang tersebut tentu akan memberikan dampak terhadap bagian tubuh yang tenggelam ke lumpur atau tanah sawah.
Ketika orang tersebut berdiri satu kaki, maka bagian tubuh yang tenggelam ke dasar tanah akan lebih banyak (ditandai jejak kakinya semakin dalam), akan tetapi ketika ia mengubah posisinya menjadi duduk maka bagian tubuh yang tenggelam akan lebih sedikit (ditandai jejaknya semakin dangkal). Hal ini mengindikasikan bahwa tekanan dipengaruhi oleh luas bidang tekannya (bagian bawah yang bersentuhan langsung dengan tanah). Begitu pula saat orang tersebut berdiri sambil mengangkat sekarung pupuk, tentunya jejak yang ditinggalkan akan semakin dalam daripada saat berdiri tidak membawa sekarung pupuk karena ketika membawa pupuk beratnya bertambah (berat orang + berat pupuk) atau dengan kata lain gaya yang bekerja bertambah.
Berdasarkan uraian di atas, maka dapat diketahui bahwa tekanan dipengaruhi oleh gaya berat dan luas permukaan atau bidang tekannya. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan :
P : tekanan (Pa atau N/m²)
F : gaya (N)
A : luas bidang tekan (m²)

Tips:
Gaya yang dimaksudkan disini bisa berupa gaya tekan yang dilakukan oleh orang atau gaya berat dari suatu benda. Gaya berat adalah yang timbul karena adanya gaya tarik bumi secara matematis dapat ditulis w = m . g

Persamaan matematis di atas menunjukkan bahwa:

Tekanan berbanding lurus dengan gaya
Tekanan berbanding terbalik dengan luas permukaan

Dengan memahami persamaan matematis di atas, tentunya kita dapat mengetahui agar tidak mudah tenggelam atau terjebak di lumpur kita harus menggunakan alas kaki yang luas agar tekanannya sempit. Alasan ini pula yang menjelaskan kenapa menulis menggunakan pensil runcing lebih enak daripada pensil tumpul.

Satuan tekanan

Satuan sistem intenasional (SI) dari tekanan adalah Pascal atau N/m², akan tetapi satuan tekanan ini dapat dikonversikan (diubah) menjadi beberapa bentuk satuan lain seperti yang dituliskan berikut ini

Tekanan 1 atm digunakan sebagai standart untuk tekanan udara luar (p₀) yakni tekanan udara ketika di atas permukaan air laut.

Contoh soal
1. Tangan seorang anak seluas 45 cm² menekan tanah liat dengan gaya sebesar 9 N. tentukan besar tekanan yang dialami tanah liat dari tangan anak tersebut!

pembahasan:

2. Balok bermassa 720 gram yang memiliki ukuran panjang, lebar, dan tinggi berturut – turut adalah 8 cm, 6 cm , dan 2 cm seperti ditunjukkan oleh gambar berikut

rangkuman materi fisika kelas 8 | tekanan zat (penjelasan, rumus, aplikasi)

Jika balok tersebut diletakkan di atas lantai, tentukan tekanan terbesar dan terkecil yang dapat diberikan balok ke lantai ! (g = 10 m/s²)

pembahasan:

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)

Contoh soal
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:

2. perhatikan gambar di bawah ini

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

pembahasan:

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.

Tekanan di atas bejana tidak sama (salah satu bejana di tutup)
Diisi dua jenis atau lebih zat cair
Digoyang-goyangkan
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:

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:

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 (ρ_b< ρ_f)	Massa jenis benda lebih kecil sama dengan massa jenis zat cair (ρ_b= ρ_f)	Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair (ρ_{b >} ρ_f)
Gaya
F_A = w	F_A = w	F_A < 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:

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:

Tekanan pada zat gas (udara)

saat kalian pergi ke daerah pegunungan pernahkah telinga kalian tiba-tiba terasa mendengung? Suara di sekitar kita menjadi tidak begitu jelas. Hal tersebut dapat terjadi karena terjadi perubahan tekanan di dalam telinga dengan di luar telinga secara tiba-tiba. Di daerah pegunungan tekanan udara lebih kecil daripada di daerah dataran rendah, sehingga ketika kita melakukan perjalanan dengan tiba-tiba ke daerah pegunungan tekanan yang diterima gendang telinga menjadi lebih kecil daripada tekanan di bagian dalam telinga sehingga terjadi dengungan pada telinga, akan tetapi hanya berlangsung beberapa saat sampai tubuh kita mampu beradaptasi.
Berdasarkan uraian di atas kita dapat mengetahui bahwa pada udara atau zat gas juga terdapat tekanan. Sedikit berbeda dengan tekanan pada zat pada dan zat cair, pada tekanan zat gas kita akan mempelajari bagaimana tekanan udara saat berada di ruang terbuka (seperti pegunungan, pantai, dataran renda) dan tekanan udara saat berada di dalam ruang tertutp (seperti tekanan pada bola, tekanan pada roda sepeda, tekanan pada balon)

Tekanan zat gas pada ruang terbuka

Kita hidup di ruang terbuka yang diselimuti oleh udara di sekitar kita yang sebenarnya memberikan tekanan terhadap tubuh kita. Tekanan udara standart disebut dengan tekanan atmosfer (atm) yang diukur di atas permukaan air laut dengan percobaan yang dilakukan oleh Evangelista Torricelli seorang fisikawan asal Italia pada tahun 1643 menggunakan barometer air raksa (barometer = alat pengukur tekanan) yang digambarkan sebagai berikut

Gambar 13. Barometer air raksa

Gambar 13 merupakan seperangkat barometer air raksa yang digunakan oleh Torricelli untuk menyelidiki tekanan di permukaan air laut. Ia menggunakan air raksa (Hg) sebagai zat cairnya, ketika barometer tersebut diletakkan di permukaan laut ternyata tinggi air raksa sebesar 76 cm. nilai ini kemudian yang pada sebagai tekanan atmosfer atau tekanan udara luar (P₀) dimana

Lihat kembali satuan tekanan di atas untuk mengkonversi menjadi bentuk satuan tekanan yang lain. Selanjutnya ketika barometer dibawa ke tempat yang lebih tinggi ternyata ketinggian air raksa juga turun hal ini hal ini menunjukkan semakin tinggi tempatnya maka tekanan udaranya akan semakin kecil, dimana Setiap kenaikan 100 m tinggi air raksanya turun 1 cm atau tekanannya turun sebesar 1 cmHg. misalkan sebuah kota A terletak 200 m di atas permukaan air laut, maka kita dapat menentukan tekanan udara di kota A tersebut dengan cara mengurangi tekanan atmosfer di permukaan air laut dengan perubahan ketinggiannya.

P = 76 – 2
(ingat setiap kenaikan 100 m tekanannya turun 1 cmHg, jadi kalau kenaikan ketinggiannya 200 m, maka tekanannya turun 2 cmHg)
P = 74 cmHg

Tekanan zat gas pada ruang tertutup

Tekanan gas pada ruang tertutup biasa kita lihat saat kita akan memompa bola, bola yang awalnya kempes ketika di pompa akan mengembang menjadi lebih besar, pada saat memompa itu sebenarnya menggunakan prinsip hukum Boyle yakni sebagai berikut

“hasil kali antara tekanan dan volume gas pada ruang tertutup adalah tetap, asalkan tidak terjadi perubahan suhu”

Secara matematis dapat ditulis

Keterangan :
P₁ = Tekanan gas mula – mula (atm)
P₂ = Tekanan gas setelah di ubah (atm)
V₁ = Volume gas mula-mula (m³)
V₂ = Volume gas setelah di ubah (m³)

demikian rangkuman materi fisika kelas 8 "tekanan zat" semoga dapat memberikan pencerahan pada para pembaca, jika ada yang kurang jelas silahkan tinggalkan komentar di bawah.

baca juga :

materi fisika kelas 7
materi fisika kelas 8
materi fisika kelas 9
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2017
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2018
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2019

Minggu, 19 April 2020

materi fisika kelas 8 - tekanan zat (lengkap)