Pada kesempatan Kali ini kita akan menyelami salah satu konsep yang sangat dekat dengan kehidupan kita sehari-hari, yaitu tekanan pada zat padat. Pernahkah kamu berpikir mengapa paku yang ujungnya runcing lebih mudah menancap daripada paku yang tumpul? Atau mengapa saat berjalan di tanah berlumpur, sepatu bot lebih aman daripada sepatu hak tinggi? Semua itu bisa dijelaskan dengan konsep tekanan!
A. Konsep Dasar Tekanan
Bayangkan kamu menekan dinding dengan telapak tangan, lalu bandingkan dengan menekan dinding yang sama menggunakan ujung jarimu dengan kekuatan yang sama. Mana yang terasa lebih sakit di jarimu? Tentu saat menggunakan ujung jari, bukan? Padahal, kekuatan (gaya) yang kamu berikan sama.
Perbedaan ini terjadi karena luas permukaan sentuh yang berbeda. Inilah inti dari konsep tekanan.
Tekanan (P) adalah besarnya gaya (F) yang bekerja pada setiap satuan luas permukaan bidang tekan (A).
Dari definisi tersebut, kita bisa menyimpulkan dua hal penting:
- Semakin besar gaya yang diberikan, semakin besar pula tekanannya.
- Semakin kecil luas permukaan bidang tekan, semakin besar tekanannya. Sebaliknya, semakin besar luas permukaannya, tekanannya akan semakin kecil.
Inilah alasan mengapa ujung paku dan jarum dibuat runcing (luas permukaan kecil) agar menghasilkan tekanan yang sangat besar sehingga mudah menancap.
B. Rumus Tekanan Zat Padat
Secara matematis, hubungan antara tekanan, gaya, dan luas permukaan dapat dituliskan dalam rumus berikut:
Keterangan:
- P = Tekanan (Pressure), dengan satuan Pascal (Pa) atau N/m².
- F = Gaya tekan (Force), dengan satuan Newton (N). Seringkali, gaya yang bekerja adalah berat benda itu sendiri (w = m × g).
- A = Luas permukaan bidang tekan (Area), dengan satuan meter persegi (m²).
Penting: Pastikan semua satuan sudah sesuai dengan Sistem Internasional (SI) sebelum melakukan perhitungan. Jika luas permukaan masih dalam cm², ubahlah terlebih dahulu ke m² (1 m² = 10.000 cm²).
C. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Tekanan
Berdasarkan rumus di atas, ada dua faktor utama yang memengaruhi besarnya tekanan pada zat padat:
- Besar Gaya Tekan (F)Tekanan berbanding lurus dengan gaya. Artinya, jika gaya yang diberikan pada suatu permukaan diperbesar, maka tekanan yang dihasilkan juga akan semakin besar.
Contoh: Sebuah balok yang diletakkan di atas meja akan memberikan tekanan. Jika di atas balok itu kita letakkan beban tambahan, maka gayanya bertambah dan tekanannya pun ikut bertambah.
- Luas Bidang Tekan (A)Tekanan berbanding terbalik dengan luas bidang tekan. Artinya, jika luas permukaan tempat gaya bekerja diperkecil, maka tekanan yang dihasilkan akan semakin besar.
Contoh: Seekor gajah memiliki massa yang sangat besar, tetapi telapak kakinya yang lebar (luas permukaan besar) membantu menyebarkan beratnya sehingga tekanan yang dihasilkan tidak terlalu merusak tanah yang dipijaknya.
D. Aplikasi Konsep Tekanan dalam Kehidupan Sehari-hari
Konsep tekanan zat padat sangat luas penerapannya. Beberapa di antaranya adalah:
- Mata Pisau dan Kapak: Dibuat setipis dan setajam mungkin untuk memperkecil luas permukaan sehingga dengan sedikit gaya saja bisa menghasilkan tekanan besar untuk memotong atau membelah.
- Sepatu Salju: Orang di negara bersalju menggunakan sepatu salju yang alasnya lebar untuk memperbesar luas permukaan pijakan. Tujuannya agar tekanan pada salju menjadi kecil sehingga mereka tidak mudah terperosok.
- Kaki Bebek dan Ayam: Kaki bebek memiliki selaput yang memperluas bidang tekannya, sehingga ia tidak mudah terperosok saat berjalan di lumpur. Bandingkan dengan kaki ayam.
- Fondasi Bangunan: Fondasi rumah atau gedung dibuat lebih lebar di bagian bawahnya untuk memperbesar luas permukaan. Hal ini bertujuan agar tekanan yang diterima tanah menjadi lebih kecil, sehingga bangunan tidak amblas.
- Jarum Suntik: Ujung jarum suntik dibuat sangat runcing agar mudah menembus kulit dengan tekanan yang besar meskipun hanya memerlukan gaya dorong yang kecil.
E. Contoh Soal dan Pembahasan
Mari kita uji pemahaman kita dengan beberapa contoh soal.
Soal 1
Sebuah balok kayu berukuran panjang 2 m, lebar 1 m, dan tinggi 0,5 m memiliki massa 200 kg. Jika balok tersebut diletakkan di atas lantai dengan posisi seperti pada gambar, berapakah tekanan yang dihasilkan oleh balok tersebut? (Gunakan percepatan gravitasi g = 10 m/s²)
Pembahasan:
Langkah 1: Identifikasi apa yang diketahui dan ditanyakan.
- Diketahui:
- Massa (m) = 200 kg
- Panjang (p) = 2 m
- Lebar (l) = 1 m
- Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²
- Ditanya:
- Tekanan (P) = ?
Langkah 2: Hitung gaya tekan (F).
Gaya tekan pada kasus ini adalah berat balok itu sendiri.
F = w = m × g
F = 200 kg × 10 m/s²
F = 2000 N
Langkah 3: Hitung luas permukaan bidang tekan (A).
Luas permukaan yang menyentuh lantai adalah alas balok (panjang × lebar).
A = p × l
A = 2 m × 1 m
A = 2 m²
Langkah 4: Hitung tekanan (P) menggunakan rumus.
P = F / A
P = 2000 N / 2 m²
P = 1000 N/m² atau 1000 Pa
Jadi, tekanan yang dihasilkan oleh balok tersebut adalah 1000 Pa.
Soal 2
Sebuah paku payung memiliki luas kepala 1 cm² dan luas ujungnya 0,5 mm². Jika kepala paku payung ditekan dengan jari menggunakan gaya sebesar 10 N, hitunglah:
a. Tekanan pada kepala paku payung.
b. Tekanan pada ujung paku payung yang menancap pada papan.
Pembahasan:
Langkah 1: Ubah semua satuan luas ke m².
- Luas kepala (A_kepala) = 1 cm² = 1 / 10.000 m² = 0,0001 m²
- Luas ujung (A_ujung) = 0,5 mm² = 0,5 / 1.000.000 m² = 0,0000005 m²
- Gaya (F) = 10 N
a. Tekanan pada kepala paku payung (yang dirasakan jari)
P_kepala = F / A_kepala
P_kepala = 10 N / 0,0001 m²
P_kepala = 100.000 Pa
b. Tekanan pada ujung paku payung (yang menekan papan)
P_ujung = F / A_ujung
P_ujung = 10 N / 0,0000005 m²
P_ujung = 20.000.000 Pa
Analisis: Lihatlah perbedaan yang sangat besar! Dengan gaya yang sama (10 N), tekanan yang dihasilkan di ujung paku (20 juta Pa) jauh lebih besar daripada tekanan yang dirasakan jari (100 ribu Pa). Inilah yang menyebabkan paku mudah menancap.
Soal 3 (Soal Konseptual)
Seorang siswa membawa sebuah buku tebal. Ia meletakkan buku tersebut di atas meja plastisin dalam dua posisi yang berbeda: posisi berdiri dan posisi tidur (lihat gambar). Pada posisi manakah buku akan meninggalkan jejak yang lebih dalam pada plastisin? Jelaskan alasanmu!
Pembahasan:
Buku akan meninggalkan jejak yang lebih dalam pada posisi berdiri.
- Alasan:
- Gaya yang bekerja pada kedua posisi adalah sama, yaitu berat buku itu sendiri.
- Saat buku dalam posisi berdiri, luas permukaan yang menyentuh plastisin (A) sangat kecil.
- Saat buku dalam posisi tidur, luas permukaan yang menyentuh plastisin (A) jauh lebih besar.
- Menurut rumus P = F/A, karena gaya (F) sama, tekanan (P) berbanding terbalik dengan luas permukaan (A).
- Oleh karena itu, tekanan yang dihasilkan saat buku berdiri jauh lebih besar daripada saat buku tidur. Tekanan yang lebih besar inilah yang menyebabkan jejak pada plastisin menjadi lebih dalam.
