Pada kesempatan ini, kita akan menyelami salah satu konsep fisika yang sangat menarik dan dekat dengan kehidupan kita sehari-hari, yaitu Tekanan Zat Cair. Pernahkah kalian bertanya-tanya mengapa dasar bendungan dibuat jauh lebih tebal daripada bagian atasnya? Atau mengapa kapal selam bisa menyelam dan muncul kembali ke permukaan? Semua itu bisa dijelaskan dengan konsep ini.
Mari kita mulai petualangan belajar kita!
A. Konsep Dasar: Tekanan Hidrostatis
Bayangkan kamu sedang berenang. Semakin dalam kamu menyelam, semakin besar tekanan yang kamu rasakan di telinga, bukan? Fenomena inilah yang disebut tekanan hidrostatis.
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair itu sendiri. Tekanan ini dialami oleh setiap objek yang berada di dalam zat cair.
Besarnya tekanan hidrostatis bergantung pada tiga hal:
- Massa Jenis Zat Cair (ρ atau rho): Semakin besar massa jenisnya (semakin kental), semakin besar tekanannya. Itulah mengapa tekanan di dalam lumpur lebih besar daripada di dalam air pada kedalaman yang sama.
- Percepatan Gravitasi (g): Besarnya sekitar 9,8 m/s² atau sering dibulatkan menjadi 10 m/s².
- Kedalaman (h): Ini adalah faktor paling penting. Semakin dalam suatu titik dari permukaan, semakin besar tekanannya.
Ketiga faktor tersebut dirumuskan sebagai berikut:
P_h = ρ × g × h
Dimana:
P_h= Tekanan hidrostatis (satuannya Pascal (Pa) atau N/m²)ρ= Massa jenis zat cair (satuannya kg/m³)g= Percepatan gravitasi (satuannya m/s²)h= Kedalaman dari permukaan (satuannya meter (m))
Poin Penting:
- Tekanan hidrostatis tidak bergantung pada bentuk wadah.
- Pada kedalaman yang sama, tekanan hidrostatis di semua titik adalah sama besar. Inilah alasan mengapa permukaan air yang tenang selalu datar.
B. Hukum Pascal: Kekuatan yang Diteruskan
Pernah lihat bagaimana sebuah dongkrak hidrolik kecil bisa mengangkat mobil yang sangat berat? Keajaiban ini dijelaskan oleh Hukum Pascal.
Hukum Pascal menyatakan bahwa, “Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.”
Prinsip ini menjadi dasar dari semua sistem hidrolik. Bayangkan sebuah sistem dengan dua piston (penampang) seperti pada gambar dongkrak hidrolik.
[Gambar skema dongkrak hidrolik dengan penampang kecil (A1) dan penampang besar (A2)]
Jika kita memberikan gaya kecil (F₁) pada penampang kecil (A₁), tekanan (P) akan dihasilkan. Tekanan ini akan diteruskan ke segala arah, termasuk ke penampang besar (A₂), dan menghasilkan gaya angkat yang jauh lebih besar (F₂).
Rumusnya adalah:
P₁ = P₂
F₁ / A₁ = F₂ / A₂
Dimana:
F₁= Gaya pada penampang kecil (N)A₁= Luas penampang kecil (m²)F₂= Gaya pada penampang besar (N)A₂= Luas penampang besar (m²)
Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Dongkrak hidrolik
- Rem hidrolik pada mobil dan motor
- Mesin pengangkat mobil di tempat cuci mobil
C. Hukum Archimedes: Mengapung, Melayang, dan Tenggelam
Mengapa kapal pesiar raksasa yang terbuat dari ribuan ton baja bisa mengapung, sementara paku kecil yang juga dari baja langsung tenggelam? Jawabannya ada pada Hukum Archimedes.
Hukum Archimedes menyatakan bahwa, “Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya angkat ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.”
Gaya angkat ke atas ini sering disebut Gaya Archimedes (Fₐ).
Fₐ = ρ_c × g × V_bf
Dimana:
Fₐ= Gaya Archimedes atau gaya angkat (N)ρ_c= Massa jenis zat cair (kg/m³)g= Percepatan gravitasi (m/s²)V_bf= Volume benda yang tercelup dalam zat cair (m³)
Ada tiga kemungkinan kondisi benda di dalam zat cair:
- Terapung: Terjadi jika gaya angkat lebih besar dari berat benda (
Fₐ > w). Syaratnya, massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis zat cair (ρ_benda < ρ_cair). - Melayang: Terjadi jika gaya angkat sama dengan berat benda (
Fₐ = w). Syaratnya, massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair (ρ_benda = ρ_cair). - Tenggelam: Terjadi jika gaya angkat lebih kecil dari berat benda (
Fₐ < w). Syaratnya, massa jenis benda lebih besar dari massa jenis zat cair (ρ_benda > ρ_cair).
Kapal laut bisa terapung karena meskipun terbuat dari baja (yang massa jenisnya lebih besar dari air), ia memiliki rongga udara yang sangat besar. Hal ini membuat massa jenis total kapal (berat total dibagi volume total) menjadi lebih kecil dari massa jenis air laut.
D. Contoh Soal dan Pembahasan
Mari kita uji pemahaman kita dengan beberapa soal!
Soal 1: Tekanan Hidrostatis
Seorang penyelam berada di kedalaman 15 meter di bawah permukaan danau. Jika massa jenis air danau adalah 1.000 kg/m³ dan percepatan gravitasi 10 m/s², berapakah tekanan hidrostatis yang dialami penyelam tersebut?
- Diketahui:
- h = 15 m
- ρ = 1.000 kg/m³
- g = 10 m/s²
- Ditanya: P_h = ?
- Jawab:P_h = ρ × g × h
P_h = 1.000 kg/m³ × 10 m/s² × 15 m
P_h = 150.000 N/m² atau 150.000 Pa (Pascal)
Jadi, tekanan yang dialami penyelam adalah 150.000 Pa.
Soal 2: Hukum Pascal
Sebuah dongkrak hidrolik memiliki luas penampang kecil 10 cm² dan luas penampang besar 50 cm². Jika pada penampang kecil diberikan gaya sebesar 200 N, berapakah gaya maksimal yang dapat dihasilkan pada penampang besar?
- Diketahui:
- A₁ = 10 cm²
- A₂ = 50 cm²
- F₁ = 200 N
- Ditanya: F₂ = ?
- Jawab:F₁ / A₁ = F₂ / A₂
200 N / 10 cm² = F₂ / 50 cm²
F₂ = (200 N / 10 cm²) × 50 cm²
F₂ = 20 N/cm² × 50 cm²
F₂ = 1.000 N
Jadi, dongkrak tersebut dapat mengangkat beban dengan gaya maksimal 1.000 N (setara beban 100 kg jika g=10 m/s²).
Soal 3: Hukum Archimedes
Sebuah balok kayu bervolume 0,5 m³ tercelup seluruhnya di dalam air. Jika massa jenis air 1.000 kg/m³ dan g = 10 m/s², berapakah gaya angkat ke atas yang dialami balok tersebut?
- Diketahui:
- V_bf = 0,5 m³ (karena tercelup seluruhnya)
- ρ_c = 1.000 kg/m³
- g = 10 m/s²
- Ditanya: Fₐ = ?
- Jawab:Fₐ = ρ_c × g × V_bf
Fₐ = 1.000 kg/m³ × 10 m/s² × 0,5 m³
Fₐ = 5.000 N
Jadi, gaya angkat yang dialami balok kayu adalah 5.000 N.
E. Aktivitas Proyek Sederhana (Semangat Kurikulum Merdeka)
Judul Proyek: Membuat Kapal Selam Cartesian
Tujuan: Memahami prinsip kerja Hukum Archimedes dan tekanan dalam aplikasi sederhana.
Alat dan Bahan:
- Botol plastik bekas ukuran 1,5 liter (diisi penuh dengan air)
- Pipa pulpen bekas (bagian badannya saja)
- Plastisin atau clay secukupnya
- Gelas berisi air
Langkah-langkah:
- Ambil pipa pulpen. Sumbat salah satu ujungnya dengan sedikit plastisin.
- Tempelkan plastisin secukupnya di bagian luar pipa pulpen sebagai pemberat.
- Uji “kapal selam” mini kamu di dalam gelas berisi air. Atur jumlah plastisin pemberat hingga pipa pulpen dapat melayang (hampir tenggelam tapi tidak sampai ke dasar).
- Masukkan “kapal selam” yang sudah diatur tadi ke dalam botol plastik yang sudah diisi penuh air.
- Tutup botol dengan rapat.
- Sekarang, tekan badan botol dengan kuat! Apa yang terjadi pada “kapal selam” pulpenmu? Ia akan tenggelam!
- Lepaskan tekanan pada botol. Apa yang terjadi? Ia akan naik kembali!
Penjelasan Ilmiah:
Saat botol ditekan, tekanan di dalam botol (sesuai Hukum Pascal) meningkat. Tekanan ini memaksa air masuk ke dalam rongga pipa pulpen, menambah berat totalnya. Akibatnya, beratnya menjadi lebih besar dari gaya angkatnya, dan ia pun tenggelam. Saat tekanan dilepaskan, udara yang terperangkap di dalam pipa mendorong air keluar, membuatnya lebih ringan dan terapung kembali.
Rangkuman
- Tekanan Hidrostatis (P_h = ρgh) adalah tekanan akibat berat zat cair, dipengaruhi oleh kedalaman, massa jenis, dan gravitasi.
- Hukum Pascal (F₁/A₁ = F₂/A₂) menjelaskan bahwa tekanan dalam ruang tertutup diteruskan sama besar, menjadi dasar sistem hidrolik.
- Hukum Archimedes (Fₐ = ρ_c g V_bf) menjelaskan tentang gaya angkat ke atas yang menentukan apakah sebuah benda akan terapung, melayang, atau tenggelam.
