Tekanan zat cair

 

2. Tekanan Zat Cair

Tekanan hidrostatis adalah kedalaman zat cair dan massa jenis zat cair mempengaruhi tekanan yang dihasilkan oleh zat cair. Semakin dalam zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Semakin besar massa jenis zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. 

Pada zat cair, gaya (F) disebabkan oleh berat zat cair (W) yang berada diatas benda, sehingga : 

Karena berat
(W) = m × g 
m = ρ × V 
V = h × A 

Maka  atau  

Dengan :
P = tekanan (N/m²) 
m = massa benda (kg)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m³) 
g = percepatan gravitasi (m/s²) 
h = tinggi zat cair (m)
V = volume (m³) 

Tekanan hidrostatis penting dalam merancang struktur bangunan penampungan air seperti pembangunan bendungan untuk PLTA. Para arsitek kapal selam memperhitungkan tekanan hidrostatis air laut agar kapal selam mampu menyelam ke dasar laut dengan kedalaman ratusan meter tanpa mengalami kebocoran atau kerusakan akibat tekanan hidrostatis. 

Berikut struktur bendungan :

Ketika suatu benda dimasukkan dalam air, beratnya seperti berkurang. Ini disebabkan oleh gaya apung (F_a) yang mendorong benda keatas atau berlawanan dengan arah berat benda. Secara sistematis, dapat dituliskan : 

F_a = W_bu – W_ba 

Sehingga, 

W_ba = W_bu – F_a 

dengan : F_a = gaya apung (N)

W_ba = berat benda di air (N)

W_bu = berat benda di udara (N) 

Berikut gaya pada batu yang tenggelam : 

Hukum Archimedes : jika benda dicelupkan kedalam zat cair, maka benda itu akan mendapat gaya keatas yang sama besar dengan berat zat cair yang didesak oleh benda tersebut. 

Menurut Archimedes, benda lebih ringan bila diukur dalam air daripada diukur diudara, karena di dalam air benda mendapat gaya keatas. Ketika di udara, benda memiliki berat mendekati yang sesungguhnya. Karena berat zat cair yang didesak atau dipindahkan benda adalah : 

W_cp = m_cp × g dan m_cp = ρ_cp × V_cp

Sehingga berat air yang didesak oleh benda adalah : 

W_cp = ρ_c × g × V_cp 

Berarti, menurut Archimedes, besar gaya keatas adalah : 

F_a = ρ_c × g × V_cp 

Dengan :
F_a = gaya apung (N) 
ρ_c = massa jenis zat cair (kg/m³) 
g = percepatan gravitasi (m/s²)
V_cp = volume zat cair yang dipindahkan (m³) 

Hukum Archimedes digunakan sebagai pembuatan dasar kapal laut dan kapal selam. Suatu benda dapat terapung atau tenggelam tergantung pada besarnya gaya berat (w) dan gaya apung (F_a).

Jika gaya apung maksimum lebih besar daripada gaya berat maka benda akan terapung. Jika gaya apung lebih kecil daripada gaya berat maka benda akan tenggelam. 

Jika gaya apung maksimum sama dengan gaya berat maka benda akan melayang. Gaya apung maksimum adalah gaya apung jika seluruh benda berada dibawah permukaan zat cair. 

Kapal laut dapat terapung karena ketika diletakkan secara tegak di lautan, kapal laut dapat memindahkan banyak air laut, sehingga kapal laut mendapat gaya keatas yang sama besar dengan berat kapal laut. Berikut struktur kapal laut di air : 

Kapal selam dapat terapung, melayang dan tenggelam di laut karena berat kapal selam dapat diperbesar dengan cara memasukkan air kedalam badan kapal dan dapat diperkecil dengan cara mengeluarkan air dari badan kapal. Ketika kapal selam akan tenggelam, air laut dimasukkan ke penampungan badan kapal. 

Berat kapal selam menjadi lebih besar daripada gaya keatas sehingga kapal selam tenggelam. Agar tidak tenggelam terus, air dalam badan kapal dikeluarkan dari penampungan sehingga berat kapal selam sama dengan gaya keatas dan kapal selam melayang dalam air. 

Saat kapal selam akan mengapung, air di penampungan badan kapal dikeluarkan sehingga volume kapal selam menjadi lebih kecil dari gaya keatas dan kapal selam dapat mengapung. Berikut mekanisme keluar masuknya air di badan kapal selam : 

Hukum Pascal : tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Penerapan dari hukum Pascal yaitu pompa hidrolik. Berikut model pompa hidrolik : 

Jika penampang luas A₁ diberi gaya dorong F₁ maka tekanan yang dihasilkan adalah :

Menurut hukum pascal, tekanan diteruskan ke segala arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang A_2. Pada penampang A₂ muncul gaya angkat F₂ dengan tekanan : 

Secara sistematis, diperoleh persamaan pompa hidrolik yaitu : 

 atau  

Dengan : 
P = tekanan (Pa) 
F₁ dan F₂ = gaya yang diberikan (N)
A₁ dan A₂ = luas penampang (m²)

Contoh soal Hukum Pascal

Luas penampang kecil (A₁) besarnya 1 cm² akan diberi gaya kecil (F₁) sebesar 10 N sehingga menghasilkan tekanan (P) sebesar 10 N/cm². Kemudian tekanan tersebut diteruskan ke luas penampang besar (A₂) besarnya 100 cm². Berapa gaya yang dihasilkan pada luas penampang (A₂)? 

Jawab : 

Jadi, dengan memberikan gaya pada luas penampang kecil (A₁) mampu menghasilkan gaya 1000 N pada luas penampang besar (A₂). Berdasarkan prinsip inilah sehingga pompa hidrolik dapat mengangkat mobil ataupun motor.