Bab 7. Tekanan Zat (Materi 2: Hukum Pascal dan Bejana Berhubungan)

Kompetensi Dasar :

Pengetahuan

3.8 Menjelaskan tekanan zat dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari, termasuk tekanan darah, osmosis, dan kapilaritas jaringan angkut pada tumbuhan.

Keterampilan

4.8 Menyajikan data hasil percobaan untuk menyelidiki tekanan zat cair pada kedalaman tertentu, gaya apung, dan kapilaritas, misalnya dalam batang tumbuhan.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Menjelaskan prinsip hukum Pascal dengan benar.

2. Menyebutkan penerapan hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

3. Menerapkan hukum Pascal dalam penyelesaian soal dengan benar.

4. Menjelaskan konsep bejana berhubungan dengan benar.

5. Menyebutkan penerapan bejana berhubungan dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

6. Menerapkan hukum bejana berhubungan dalam penyelesaian soal dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb

Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

A. Hukum Pascal

1. Hukum Pascal

Blaise Pascal mengemukakan hukum Pascal yang berbunyi: “Tekanan yang diberikan zat cair di dalam ruang tertutup diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besar”

Tekanan A1 = Tekanan A2

Keterangan:

F1 = gaya pada penampang A1 (N)

A1 = luas penampang 1 (m²)

F2 = gaya pada penampang A2 (N)

A2 = luas penampang 2 (m²)

2. Prinsip Hukum Pascal

Prinsip Hukum Pascal, yaitu menciptakan daya yang besar dengan memberikan usaha sekecil mungkin. Dengan demikian, konsep Hukum Pascal lebih banyak digunakan di dalam berbagai industri, khususnya industri yang memerlukan daya besar.

3. Penerapan Hukum Pascal dalam Kehidupan Sehari-Hari

Peralatan-peralatan yang menggunakan prinsip kerja Hukum Pascal antara lain dijelaskan sebagai berikut.

a. Dongkrak Hidrolik

• Pernahkah kamu melihat orang mengganti ban mobil? Bagian badan mobil yang akan diganti bannya harus diganjal supaya badan mobil tidak miring. Untuk melakukan itu, digunakan dongkrak hidrolik.

• Gambar di atas memperlihatkan skema dongkrak hidrolik yang terdiri atas :

1. dua bejana yang berhubungan terbuat dari bahan yang kuat misalnya besi
2. penghisap kecil dan penghisap besar
3. minyak pengisi bejana

• Adapun cara kerja dongkrak hidrolik tersebut adalah sebagai berikut. 
• Ketika sebuah gaya F1 diberikan melalui tuas dongkrak untuk menekan penghisap kecil A1, tekanan ini akan diteruskan oleh minyak ke segala arah.
• Oleh karena dinding bejana terbuat dari bahan yang kuat, gaya ini tidak cukup untuk mengubah bentuk bejana. Satu-satunya jalan, tekanan ini diteruskan oleh minyak ke penghisap besar A2. 
• Tekanan pada penghisap kecil A1 dapat dituliskan:
  
• Tekanan ini sama dengan tekanan yang diterima pengisap besar A2. (Ingat Hukum Pascal)
  

b. Rem Hidrolik

• Tak terbayangkan jika sistem rem pada mobil tidak menggunakan Hukum Pascal. Pengendara mobil akan memerlukan tenaga besar untuk menghentikan laju mobilnya.
• Akan tetapi, dengan menerapkan Hukum Pascal pada sistem rem mobil, pengemudi hanya perlu memberikan gaya kecil untuk mengurangi laju kendaraannya. Gaya ini berupa injakan kaki pada pedal rem. 

• Gambar di atas menunjukkan skema sistem rem pada mobil. Gaya diberikan pengemudi pada pedal rem. Gaya ini diteruskan oleh minyak melalui pipa sehingga memberikan gaya yang lebih besar pada rem yang terdapat di ban mobil. Dengan demikian, laju mobil dapat dikurangi.

c. Mesin Hidrolik Pengangkat Mobil

Gambar di atas memperlihatkan sebuah mesin hidrolik pengangkat mobil yang digunakan di tempat pencucian mobil. Secara umum, cara kerja mesin hidrolik tersebut sama dengan dongkrak hidrolik.

d. Pompa Sepeda

Ada dua jenis pompa sepeda, yaitu pompa biasa dan pompa hidrolik. Akan lebih mudah memompa ban sepeda menggunakan pompa hidrolik karena sedikit mengeluarkan tenaga.

e. Mesin Pengepres Kapas (Kempa)

Mesin ini digunakan untuk mengepres kapas dari perkebunan sehingga mempunyai ukuran yang cocok untuk disimpan atau didistribusikan. Cara kerja alat ini adalah sebagai berikut. Gaya tekan dihasilkan oleh pompa yang menekan pengisap kecil. Akibat gaya ini, pengisap besar bergerak ke atas dan mendorong kapas. Akibatnya, kapas akan termampatkan.

Contoh Soal :

1. Sebuah alat pengangkat mobil menggunakan luas penampang pengisap kecil 10 cm² dan pengisap besar 50 cm². Berapakah gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N?

Penyelesaian :

Diketahui:

A1 = 10 cm²

A2 = 50 cm²

F2 = 20.000 N

Ditanyakan: F1...?

Jawab:

Jadi, gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N adalah 4.000 N.

2. Suatu dongkrak hidrolik dengan sistem terisolasi didesain untuk mengangkat sebuah mobil seperti pada gambar di bawah ini.

Jika perbandingan luas penampang yang kecil dan besar adalah 1 : 5. Tentukanlah gaya yang diperlukan untuk mengangkat mobil dengan massa 800 kg? (Gunakan percepatan gravitasi 10 m/s²)

Penyelesaian :
Diketahui:
A1 : A2 = 1 : 5
m = 800 kg
g = 10 m/s²
Ditanyakan: F1 ...?
Jawab:
Perhatikan gaya angkat F2 sama dengan gaya berat mobil, yaitu F2 = W = mg. Selanjutnya gunakan Rumus Hukum Pascal.

Jadi, gaya yang diperlukan untuk mengangkat mobil tersebut adalah 1.600 N.

3. 

B. Bejana Berhubungan

1. Konsep Bejana Berhubungan

• Dalam ilmu fisika, bejana berhubungan adalah dua atau lebih bejana yang bagian bawahnya saling dihubungkan satu sama lain dan bagian atasnya dibiarkan terbuka.
• Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar di bawah ini!

• Sebagaimana yang kalian lihat pada gambar di atas, dua atau lebih pipa saling dihubungkan. Ketika bejana tersebut diisi zat cair, maka permukaan zat cair pada pipa-pipanya akan sama tinggi.
• Mengapa hal itu bisa terjadi? Penyebabnya adalah Hukum Pascal. Mari kita analisis:

• Zat cair dalam tabung kiri akan memberi tekanan pada dasar tabung. 
• Menurut Hukum Pascal, tekanan ini akan diteruskan ke segala arah dan sama rata, termasuk ke zat cair di tabung kanan.
• Tekanan yang sama juga diberikan oleh zat cair pada tabung kanan ke tabung kiri. Akhirnya, keseimbangan akan tercapai jika kedua tekanan itu sama.
• Karena cairan di dalam kedua tabung sama, maka keseimbangan akan tercapai jika tinggi cairan di kedua tabung sama.

2. Hukum Bejana Berhubungan

Bunyi Hukum Bejana Berhubungan, "Jika bejana berhubungan diisi dengan zat yang sama dan dalam keadaan seimbang atau diam, maka permukaan zat cair terletak pada satu bidang datar."

Jadi, syarat berlakunya hukum bejana berhubungan adalah:

1. Zat cair dalam bejana sama
2. Zat dalam keadaan setimbang atau diam

Perhatikan gambar berikut!

• Permukaan zat cair tidak dipengaruhi oleh bentuk bejana atau pipa. Bagaimana pun bentuk bejana atau pipanya, permukaan zat cair akan selalu datar.
• Selain itu, permukaan zat cair juga tidak dipengaruhi oleh posisi bejana. Meskipun, posisi bejana dimiringkan, permukaan zat cair akan tetap datar.
• Hukum di atas sekaligus menjadi sifat dari bejana berhubungan. Namun, sifat atau hukum bejana berhubungan tidak berlaku jika berada pada kondisi berikut ini:

1. Pada bejana diisi oleh zat cair dengan massa jenis berbeda.
2. Bejana dalam keadaan tertutup, baik salah satu bejana maupun semuanya.
3. Adanya unsur pipa kapiler pada bejana, yaitu pipa kecil yang memungkinkan air menaiki sisi bejana.
4. Jika zat cair dalam bejana berhubungan digoncang-goncangkan atau zat cairnya bergerak.

3. Rumus Bejana Berhubungan

• Besar tekanan di semua titik pada bejana berhubungan adalah sama besar. Hal ini terjadi karena zat cair di dalamnya dalam keadaan seimbang. 
• Lalu, bagaimana jika pada bejana tersebut diisi dengan dua zat cair dengan massa jenis yang berbeda? Hukum bejana berhubungan tidak akan berlaku pada kondisi ini. 
• Air dan minyak yang diletakkan dalam sebuah pipa U (bejana berhubungan dengan dua tabung) akan memiliki tinggi permukaan air yang berbeda. 
• Perbedaan tinggi permukaan tersebut dapat dihitung menggunakan rumus pada bejana berhubungan. Perhatikan gambar di bawah!
  

            Berlaku :

Keterangan:

= massa jenis zat cair 1 (kg/m³)

= ketinggian zat cair 1 (m)

= massa jenis zat cair 2 (kg/m³)

= ketinggian zat cair 2 (m)

4. Penerapan Bejana Berhubungan dalam Kehidupan Sehari-hari

Disadari atau tidak, ada banyak contoh bejana berhubungan dalam kehidupan sehari-hari yang memanfaatkan sifat permukaan zat cair yang selalu mendatar. Berikut ini beberapa di antaranya:

• Pembuatan Teko Pancuran
• Teko tidak boleh lebih rendah daripada posisi tutupnya. Sebab, jika lebih rendah maka kita tidak akan pernah bisa mengisi teko dengan air hingga penuh. Air akan keluar melalui pancuran sebelum teko terisi penuh dengan air. Hal ini disebabkan tinggi permukaan air di dalam teko dengan tinggi permukaan air di dalam pancurannya selalu sama. Air akan keluar setiap kali mencapai mulut pancuran.
• Pembuatan DAM
• DAM yang dibuat untuk mengairi sawah harus menampung air dengan permukaan yang lebih tinggi dari persawahan. Karena permukaan air cenderung mengambil posisi mendatar, air dari DAM dapat mengalir ke daerah persawahan yang lebih rendah.
• Menara Penampung Air
• Menara penampung air dibuat tinggi agar air dapat mengalir ke pipa-pipa yang lebih rendah di dalam rumah. Karena permukaan air cenderung rata, air akan mengalir pada saat keran di dalam rumah dibuka.
• 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 tersebut 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 selang kecil yang diisi air dan kedua ujungnya diarahkan ke atas. Akan dihasilkan dua permukaan air, yaitu permukaan air kedua ujung selang. Selain selang, tukang bangunan juga menggunakan alat pengukur kedataran suatu permukaan, biasa disebut water pass.

Contoh Soal 

1. Sebuah bejana diisi air. Kemudian, dituangkan minyak di kaki lainnya hingga tinggi minyak 20 cm terhadap garis setimbang. Berapa tinggi air terhadap garis setimbang jika massa jenis air 1 g/cm³ dan massa jenis minyak 0,8 g/cm³.

Penyelesaian :

Diketahui:

h2 = 20 cm

ρ1 = 1 g/cm³

ρ2 = 0,8 g/cm³

Ditanyakan: h1 .....?

Jawab :

ρ1 . h1 =  ρ2 . h2

 1 . h1  = 0,8 . 20

       h1 = 0,8 . 20

            = 16 cm

Jadi, tinggi air terhadap garis setimbang adalah 16 cm.

2. Sebuah bejana berhubungan mempunyai luas penampang yang sama di semua bagiannya. Di pipa kiri ada air setinggi 16 cm, sedangkan di pipa kanan ada alkohol dengan tinggi 20 cm. Jika massa jenis air 1 g/cm³, berapa massa jenis alkohol?

Penyelesaian :

Diketahui:

h1 = 16 cm

h2 = 20 cm

ρ1 = 1 g/cm³

Ditanyakan: ρ2 .....?

Jawab:

ρ1 . h1 =  ρ2 . h2

 1 . 16  = ρ2 . 20

      ρ2  = 1 . 16 / 20

            = 0,8 g/cm³ = 0,8 . 1000 = 800 kg/m³ (Ingat!!! 1g/cm³ = 1.000 kg/m³)

Jadi, massa jenis alkohol adalah 0,8 g/cm³ atau 800 kg/m³

3. Sebuah pipa U yang diisi alkohol dan air dalam keadaan stabil tampak seperti gambar.

Jika massa jenis air = 1000 kg/m³ dan massa jenis alkohol = 800 kg/m³, tentukanlah perbedaan ketinggian permukaan antara alkohol dan air!

Pembahasan:

Diketahui:

ρ air = 1000 kg/m³

ρ alkohol = 800 kg/m³

h alkohol = 20 cm

Ditanyakan: ∆h = …?

Jawab:

ρ alkohol . h ­alkohol = ρ air . h air

                 800 .  20  = 1.000 . h air

                         h air = 16.000/1000 

                                 = 16 cm

∆h = h alkohol – h air

∆h = 20 cm – 16 cm = 4 cm

Jadi, perbedaan ketinggian permukaan antara alkohol dan air adalah 4 cm.

REFERENSI

Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

PENUGASAN MANDIRI

• Tugas dikerjakan di buku tugas dilengkapi cara mengerjakan (Diketahui, Ditanyakan Jawab) kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan 

1. Luas penampang dongkrak hidrolik masing-masing 0,2 m² dan 0,5 m². Jika gaya masukan adalah 10 Newton, maka tentukan gaya keluaran maksimum!

2. Perhatikan gambar berikut!

Tentukan besar F2 agar sistem di atas akan seimbang !

3. Ke dalam sebuah pipa U dimasukkan air dan minyak sehingga dicapai keadaan stabil seperti pada gambar di bawah ini.

Massa jenis air dan minyak berturut-turut 1.000 kg/m³ dan 800 kg/m³. Tentukanlah perbedaan ketinggian air dan minyak!

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~