Tekanan dan Fluida

Mengapa kapal mengapung, sedotan bekerja, dan udara di sekitarmu lebih berat daripada yang terasa.

​

Apa sebenarnya tekanan itu

Tekanan adalah salah satu kata yang digunakan orang secara longgar. Dalam fisika, definisinya tepat:

Tekanan = gaya yang tersebar pada suatu luasan. $P = \frac{F}{A}$

Diukur dalam pascal (Pa). Satu pascal adalah satu newton per meter persegi — jumlah yang sangat kecil.

​

Contoh kenapa-ini-penting

Injak Lego dengan kaki telanjang. Sengsara. Mengapa? Karena semua beratmu (anggaplah 700 N) menekan area runcing yang kecil dari satu tonjolan (mungkin 0,000002 m²).

$P = \frac{700}{0{,}000002} = 350{.}000{.}000 \text{ Pa}$

350 juta pascal ke telapak kakimu. Itulah mengapa rasanya jauh lebih sakit daripada berdiri di lantai datar dengan berat badan yang sama.

Gaya yang sama. Luasan kecil. Tekanan besar.

Ini juga sebabnya:

• Pisau bisa memotong (ujung tipis → luasan kecil → tekanan besar).
• Sepatu salju bekerja (luasan besar → tekanan lebih kecil → tidak amblas).
• Hak tinggi melubangi lantai tetapi kaki gajah tidak (ya, sungguh).

​

Fluida: cairan dan gas bersama

Dalam fisika, “fluida” berarti apa pun yang mengalir: cairan atau gas. Air adalah fluida. Udara adalah fluida. Madu adalah fluida (hanya yang lambat). Aturan untuk cairan dan gas sebagian besar sama, yang sangat memudahkan.

​

Kamu hidup di dasar lautan udara

Udara di atasmu ditarik ke bawah oleh gravitasi, sama seperti segala sesuatu yang lain. Kolom udara yang menekan dirimu sekarang itulah yang disebut tekanan atmosfer, dan besarnya sekitar 101.000 Pa (101 kPa).

Itu berarti kira-kira 10 newton gaya pada setiap sentimeter persegi tubuhmu. Tanganmu memiliki sekitar 100 N udara yang menekan setiap sisi.

Mengapa kamu tidak merasa hancur? Karena tekanan yang sama mendorongmu dari setiap arah — dan kamu memiliki fluida di dalam yang mendorong balik pada tekanan yang sama. Semuanya seimbang. Saat sesuatu membuatnya tidak seimbang (seperti menyedot sedotan, atau naik pesawat), kamu langsung merasakannya.

​

Bagaimana sedotan sebenarnya bekerja

Inilah contoh saat-yang-menentukan. Kamu tidak menyedot cairan naik melalui sedotan. Atmosfer mendorongnya naik.

1. Kamu menurunkan tekanan di dalam sedotan

   Dengan menyedot, kamu mengeluarkan sebagian udara dari atas sedotan. Tekanan di dalam lebih rendah daripada di luar.

2. Atmosfer mendorong minuman naik

   Tekanan atmosfer penuh masih menekan ke bawah pada sisa minuman. Cairan mengambil jalan termudah — naik melalui sedotan bertekanan rendah.

3. Kamu meminumnya

   Selamat, kamu telah menggunakan atmosfer sebagai alat.

Inilah sebabnya sedotan memiliki tinggi maksimum. Jika sedotanmu tingginya lebih dari 10 meter, bahkan vakum sempurna di bagian atas tidak bisa mengangkat air setinggi itu — atmosfer saja tidak cukup kuat.

​

Tekanan dalam cairan

Menyelam ke kolam. Telingamu sakit semakin dalam kamu pergi. Mengapa?

Karena semakin dalam kamu berada, semakin banyak air di atasmu yang menekan ke bawah. Aturannya:

$P = \rho g h$

• $\rho$ (rho) = massa jenis cairan
• $g$ = gravitasi
• $h$ = kedalaman

Lebih dalam = tekanan lebih besar. Secara linear. Setiap 10 meter air menambahkan sekitar 1 atmosfer tekanan. Kapal selam harus dibangun seperti tank karena laut dalam menghancurkan benda.

Tekanan hanya bergantung pada kedalaman, bukan pada bentuk wadah. Tabung air yang tinggi dan tipis serta kolam renang yang lebar dengan kedalaman yang sama memiliki tekanan yang sama di dasarnya. Ini membuat orang heran, tapi ini benar — dan inilah cara kerja sistem hidrolik.

​

Mengapa kapal mengapung: prinsip Archimedes

Sebuah kapal baja seberat 100.000 ton mengapung. Sebuah kelereng baja seberat 1 gram tenggelam. Apa maksudnya?

Apa pun yang berada di dalam fluida didorong ke atas oleh gaya yang sama dengan berat fluida yang ia singkirkan.

Dorongan ke atas ini disebut gaya apung.

• Kelereng menyingkirkan sedikit air (beratnya: sedikit). Gaya apung jauh lebih kecil dari berat kelereng → ia tenggelam.
• Kapal, berongga dan besar, menyingkirkan banyak air (beratnya: 100.000 ton). Gaya apung = berat kapal → ia mengapung.

Bukan tentang materialnya. Tapi tentang seberapa banyak air yang kamu dorong menyingkir.

​

Tes cepat

Mengapa es mengapung di air? Karena air beku lebih kurang rapat daripada air cair. Massa yang sama menempati ruang yang lebih besar. Jadi sepotong es menyingkirkan lebih banyak air cair dibandingkan beratnya sendiri. Gaya apung menang. (Ini juga aneh karena jarang — sebagian besar benda lebih rapat saat padat. Air itu istimewa, dan kehidupan di Bumi bergantung padanya.)

​

Prinsip Pascal: bagaimana hidrolik melipatgandakan gaya

Tekanan yang diberikan pada fluida dalam wadah tertutup tersebar merata ke mana-mana.

Inilah trik yang memungkinkan seseorang mengangkat mobil dengan satu tangan. Dongkrak mobil memiliki dua piston yang terhubung oleh oli:

• Piston kecil: luasan kecil. Kamu mendorong dengan gaya kecil.
• Piston besar: luasan besar. Tekanan yang sama × luasan besar = gaya besar.

Kamu menukar jarak dengan gaya. Kamu harus memompa piston kecil berkali-kali untuk menggerakkan piston besar sedikit. Tetapi energi tetap kekal — kamu hanya menyebarkan usahamu.

Beginilah cara:

• Rem mobil bekerja (kaki mendorong piston kecil, kaliper rem menjepit roda dengan kuat)
• Ekskavator mengangkat tanah berton-ton
• Kursi dokter gigi naik dan turun

Insinyur mekanik menyukai hidrolik. Mereka mengubah input kecil menjadi output yang besar.

Berikutnya: Kalor dan Suhu

Apa arti sebenarnya “panas” pada tingkat molekuler.