Paus besi milik AS merupakan kapal selam diesetl tak berapwak dan memiliki
jangkanuan 9.600 kilometer.
Dengan berat hanya 50 Ton, Paus besi dapat menjelejalah di dalam laut
berbulan-bulan. Selain dilengkapi dengan siste navigasi tercanggih paus besi
dapat menyelam hingga kedalaman 11 ribu kaki atau 3,4 kilometer dengan kecepatan tertinggi mencapai
8 knot (15 km/jam).
Gambar. Kapal Selam
Paus besi di atas dapat membantu umat manusia dalam
menjelajah luas dan dalamnya kekayaan bahari. Sangat cocok dengan negara-negara
kepulauan seperti Indoensia. Apa yang membuat kapal selam dapt bergerak di
dalam air? Mengapa kapal selam dengan bobot berton-ton tidak tenggelam
menyentuh dasar laut? Pada bab ini kamu akan mempelajari konsep tekanan.
A.
Tekanan Zat Padat
Gaya pada kaki dan luas
permukaan benda yang disentuh sangat menentukan besarnya tekanan yang
dirasakan. Kamu dapat mengetahuinya bahwa luas ujung duri lebih kecil
dibandingkan ujung batu. Menginjak duri lebih sakut dibanding menginjak batu. Kamu
dapat menemukan bahwa semakin kecil luas permukaan sentuh, maka semakin besar
tekanan yang dirasakan. Sederhananya bahwa tekanan berbanding terbalik dengan
luas permukaan sentuk. Akhirnya kamu dapat memahami bahwa tekanan menyatakan
gaya persatuna luas atau singkatnya tekanan adalah penyebaran gaya.
Besarnya tekanan yang
dihasilkan bergantung pada besarnya dorongan (gaya) yang diberikan dan luas
permukaan pijakan atau luas bidang tekannya. Apabila gaya yang diberikan pada
suatu benda (F) semakin besar, maka tekanan yang dihasilkan akan semakin besar.
Sebaliknya, semakin luas permuaan suatu benda, tekanan yang dihasilkan semakin
kecil. Secara matematis, besarnya tekanan dapat dituliskan dalam persamaan
sebagai berikut:
Dengan
P = Tekanan (N/m2 atau pascal (Pa))
F = Gaya (Newton)
A = Luas bidang (m2)
Di atas adalah definisi umum
takanan yang dapat diaplikasikan langsung pada benda padat. Perlu diketahui
bahwa tekanan pada suatu zat dibagi menjadi 3 yaitu: tekanan zat padat, takanan
zat cair, dan tekanan gas.
B.
Tekanan Zat Cair
Apakah di
tempat tinggalmu masih ada danau atau dekat dengan laut? Pernahkah kamu
menyelam ke dasar laut atau danau? Apa yang kamu rasakan pada tubuhmu? Mengapa
demikian?
1. Tekanan
Hidrostatis
Ketika menyelam kamu merasakan tekanan di telingamu? Jika kamu menyelam
lebih dalam maka tekanan di telingamu akan semakin terasa. Apa yang menyebabkan
fenomena tersebut? Kedalaman dan massa jenis suatu zat cair berpengaruh pada
besaran tekanan. Inilah yang disebut tekanan hidrostatis. Semakin dalam zat
cari, semakin besar tekanan yang dihasilkan. Semakin besar massa jenis zat
cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Pada bagain sebelumnya kita
sudah memahami bahwa tekanan merupakan besarnya gaya per satuan luas permukaan
tempat gaya itu bekerja, secara matemati dirumuskan sebagai:
Pada zat cair, gaya (F) disebabkan oleh berat zat cair (W) yang berada di
atas benda, sehingga:
Karena:
Berat (w) = m x g
m = ρ
v = h x A
maka dapat ditulis bahwa:
dengan
P = Tekanan (N/m2)
m = Massa benda (kg)
ρ = Massa jenis zat
cair (kg/m3)
g = perceptan gravitasi (m/s2)
h = tinggi zat cair (m)
V = Volume (m3)
Manusia diperkirakan mampu menyelam hingga ke dalman sekitar 20 meter.
Lebih dalam dari itu, tekanan air akan semakin besar (>240.000 Pa) dan
paru-paru manusia tidak akan dapat menahannya. Perencanaan struktur bangunan
seperti kilang minyak di laut lepas, bagian deramaga di pelabuhan, penampungan
air atau bendungan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), dan lainnya
perlu memperhatikan tekanan hidrostatis, kapal selam juga dirancang sedemikian
rupa dengan memperhitungkan tekanan hidrostatsi air laut sehingga dapat
menyelam sampai ke dalaman ratusan meter tanpa mengalami kebocoran atau
kerusakan.
Gambar. Struktur Bendungan Air
2. Hukum
Archimides
Kita telah mengetahui bahwa tekanan hidrostatis merupakan poin penting
yang harus diperhitungkan dalam merancang kapal selam. Perancangan struktur
kapal selam dan pemilihan bahan pembuatannya mempengaruhi tekanan hidrostatis.
Kira-kira bahan apa yang sesuai untuk pembuatan kapal selam? Salah satunya adalah
baja. Baja merupakan logam yang terbuat dari campuran besi dan karbon. Dengan
demikian, massa jenis air laut sehingga baja dapat menahan tekanan hidrostatis
air laut.
Gambar. Kapal Selam
Coba kamu perhatikan, saat suatu benda dimasukan ke dalam air, benda
tersebut terlihat lebih ringan sehingga sepertina massa benda berkurang.
Sebenarnya yang terjadi bukan ada massa benda yang hilang melainkan adanya gaya
apung (Fa). Gaya apung mendorong benda ke atas atau berlawanan dengan arah
benda.
Gambar. Gaya yang bekerja pada batu yang tenggelam.
Secara matematis, dapat dituliskan:
Sehingga
Dengan
Fa = Gaya Apung (N)
Wba = Berat benda di
air (N)
Wbu = Berar benda di
udara (N)
Archimides mempelajari fenomena ini dan kemudian menghasilkan Hukum
Archimides yang berbunyi:
“Jika benda dicelupkan ke dalam zat cair,
maka benda itu akan mendapa gaya ke atas yang sama besar dengan berat zat cair
yang didesak oleh benda tersebut”
Menurut Archimides, benda menjadi lebih ringan bila diukur dalam air
daripada di udara karena di dalam air benda mendapat gaya ke atas, ketika di
udara, benda memiliki berat mendekati yang sesungguhnya. Karena berat zat cair
yang didesak atau dipindahkan benda adalah:
Dan
Sehingga, berat
air yang didesak oleh benda adalah:
Berarti, menurut
hukum Archimides, besar gaya ke atas adalah:
Dengan:
Fa = Gaya apung (N)
Ρc = Massa jenis zat cair
(kg/m3)
g = Percepatan
gravitasi (m/s2)
Vcp = Volume zat cair yang
dipindahkan (m3)
Hukum Archimides sangat berguna sebagai dasar pembuatan kapal laut atau
kapal selam. Suatu benda dapat terapung atau tenggelam tergantung pada besarnya
gaya berat (w) dan gaya apung (Fa). Jika gaya apung maksimum lebih
besar daripada gaya berat maka benda akan terapung. Begitu pula sebaliknya.
Jika gaya apung maksimum sama dengan berat benda, maka benda akan melayang.
Gaya apung maksimum adalah gaya apung jika seluruh benda berada di bawah
permukaan zat cair.
Mengapa kapal laut yang terbuat dari logam tidak tenggelam, bahkan yang
besar sekalipun? Saat kapal laut berada di posisi tegak, kapal laut dapat
memindahkan air laut dalam jumalha yang cukupe besar. Dengan demikian, kapal
laut mendapat gaya ke atas yang sama besar dengan berat kapal laut sehingga
bisa terapung.
Gambar. Struktur Kapal Laut
Beda halnya dengan kapal laut, kapal selam dapat terapung, melayang, dan
tenggelam dalam air laut. Kapal selam memiliki kemampuan memasukan dan
mengeluarakan air dari dalam badan kapal. Saat kapal selam menuju dasar laut,
air laut dimasukkan ke dalam badan kapal agar kapal menjadi lebih berat,
sehingga beratnya lebih besar daripada gaya dorong ke atas. Pada kedalaman
tertentu air dalam badan kapal selam dikeluarkan dari penampung. Berat total
dari kapal selam menjadi sama dengan gaya ke atas sehinggga kapal selam
melayang dalam air. Saat kapal selam akan mengapung ke permukaan, air dalam
kapal selam dikeluarkan lebih banyak sehingga volume total dari kapal selam
menjadi lebih kecil daripada gaya ke atas.
Gambar. Mekanisme pengeluaran dan pemasukan air dalam kapal
selam
A.
Tekanan Gas
Cobalah kamu lakukan percobaan sederhana pada gambar berikut.
Gambar. Tekanan
udara pada kertas HVS
Kamu dapat membuat percobaan sederhana tersebut secara
mandiri, baik di rumah mau pun di sekolah. Apakah kamu mendapatkan kondisi air
tidak tumpah? Faktor-faktor apakah yang membuat air tidak tumpah? Apakah
ketebalan kertas berpengaruh? Apakah banyaknya air berpengaruh? Cobalah
tuliskan hasil pengamatanmu pada selembar kertas, kemudian diskusikan bersama
guru dan kawan-kawan di kelas.
Hal menarik lain yang berkaitan dengan tekanan gas adalah
besar gaya yang dihasilkannya. Kamu dapat melakukan aktivitas di bawah yang
sangat menarik berikut.
Rangkailah sebuah tabung erlenmeyer yang ditutup dengan balon
karet. Sebelumnya telah diisikan sejumlah air ke dalamnya. Kemudian panaskan
seperti yang terlihat pada gambar. Mengapa balon dapat mengembang? Apakah balon
dapat meledak? Tuliskanlah hasil pengamatanmu pada selembar kertas.
Coba kamu perhatikan dengan seksama. Erlenmeyer berisi air
panas, telah ditutup rapat dengan balon karet, dimasukkan ke dalam air dinging.
Balon karet terlihat menyusust dan tertekan ke dalam. Apa yang menyebabkan hal
itu terjadi? Perambatan kalor pada partikel gas dalam erlenmeyer dirambatkan
menuju air dingin. Pergerakan partikel gas semakin lama menjadi melambat dan
terjadi penyusustan. Penyusutan ini menyebabkan tekanan gas dalam erlenmeyer
semakin rendah dari tekanan gas di luar dan balon karet masuk ke dalam erlenmeyer.
Prinsip yang sama juga diterapkan pada balon udara seperti
pada gambar. Massa jenis total dari balon udara lebih rendah daripada massa
jenis udara di sekitarnya sehingga balon udara dapat terbang. Massa jenis balon
udara tersebut dikendalikan oleh perubahan temperatur pada udara dalam balong,
dengan menggunakan pembakar yang ada di bawah lubang balon. Dengan demikian,
seorang pilot balon udara haruslah lihai mengontrol temperatur pada balon
udara.
Gambar. Balon
Udara
Untuk membuat balon udara bergerak ke atas, udara dalam balon
perlu dipanaskan dengan bara api dari pembakar sehingga berat balon menjadi
lebih kecil dari gaya ke atas. Perlu diingat bahwa udara panas lebih ringan
dari udara dingin. Bagaiman jika balon udara bergerak turun? Udara dalam balon
dapat dikurangi atau dihentikan agar suhu udara dalam balon menurun. Gaya ke
atas pada balon adalah sama dengan berat udara dingin yang dipindahkan oleh
balon tersebut. Coba kamu ingat kembali hukum Archimides yang telah dipelajari
sebelumnya.
B.
Aplikasi pada Tekanan Zat
1. Hukum
Pascal
Di tempat pencucian mobil, pernahkah kamu memperhatikan
bagaiaman alat pengangkat atau pompa hidrolik dapat mengangkat mobil yang berat
agar dapat dibersihkan seba bagiannya?
Gambar. Pompa
Hidrolik Pengangkat Mobil
Pompa hidrolik hanya berisi udara atau dapat berupa minyak,
namun dapat mengangkat mobol yang sangat berat. Penyebabnya adalah tekanan yang
diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah
dengan besar yang sama. Ini merupakan bunyi dari hukum Pascal. Hukum Pascal
dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623 – 1662), seorang ahli matematika dan
geometri. Coba perghatikan gambar yang merupakan hukum Pascal pada pompa
hidrolik.
Gambar. Model
dongkrak hidrolik
Jika pada penampang dengan luas A1 diberi gaya
dorong F1, maka akan dihasilkan tekanan P dapat dirumuskan:
Menurut hukum Pascal tekanan P tersebut diteruskan ke segala
arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang A, pada penampang A muncul
gaya angkat F dengan tekanan:
Secara matematis diperoleh persamaan pada dongkrak hidrolik
sebagai berikut.
Atau
Dengan:
P = Tekanan
(N/m2)
F1
dan F2 = Gaya yang diberikan (Newton)
A1
dan A2 = Luas Penampang (m2)
Jika A2 lebih besar dari A1 maka akan
diperoleh gaya angkat F2 yang lebih besar dari F1. Ini merupakan
prinsip kerja dari pompa hidrolik. Pompa hidrolik menerapkan prinsip dari Hukum
Pascal. Pada pompa hidrolik terdapat dua luas penampang yang berbeda, yaitu
luas penampang kecil (A1) dan luas penampang besar (A2). Perhatikan
gambar model dongkrak hidrolik. Luas penampang kecil (A1) misalnya 1
cm2 akan diberi gaya yang kecil (F1) misalnya 10 N.
sehingga menghasilkan tekanan (P) sebesar 10 N/cm2. Tekanan P (10 N/cm2)
akan diterukan menuju luas penampang besar (A2) misalnya 100 cm2.
Sehingga
Berdasarkan contoh tersebut dapat dilihat bahwa dengan
memberikan gaya 10 N pada luas penampang kecil mampu menghasilkan gaya 1.000 N
pada luas penampang besar. Berdasarkan prinsip inilah pompa hidrolik tersebut
mampu mengangkat motor atau mobil yang berat.
2. Tekanan
pada Makhluk Hidup
a.
Pengangkutan
Air dan Nutrisi pada Tumbuhan
Tumbuhan memiliki sistem pengangkutan yang terdiri atas xilem
dan floem yang berbentuk seperti tabung. Melalui xilem, air dan mineral yang
telah diserap oleh akar diangkut menuju bagian batang dan daun tumbuhan. Lalu,
zat makanan akan diangkut melalui floem ke bagian lain tumbuhan yang
memerlukan.
b.
Pengangkutan
Air pada Tumbuhan
Susunan jaringan pada akar terdiri atas jaringan terluar
hingga terdalam. Air masuk ke dalam tumbuhan melalui jaringan-jaringan
tersebut.
Gambar.
Jalur pengangkutan air ketika masuk ke dalam akar.
Dalam prosesnya, rambu-rambut akar menyerap air dari tanah
atau media tanaman. Lalu, dengan proses osmosis air masuk ke dalam sel
epidermis. Kemudian air akan melalui korteks, endodermis, dan perisikel. Selanjutnya,
air masuk melalui jaringan xilem yang berada di dalam akar. Dari xilem akar,
air akan bergerak menuju xilem yang ada di batang dan di daun.
Pada mulanya air diserap oleh rambut-rambut akar. Kemudian,
air diteruskan ke sel epidermis. Selanjutnya, air akan melalui korteks. Dari korteks,
air kemudian melalui endodermis dan perisikel. Air akan tiba di jaringan xilem
yang berada di akar kemudian bergerak ke xilem batang dan ke xilem daun. Bagaimana
air dapat naik dari akar ke bagian tumbuhan lain yang lebih tinggi tanpa proses
pemompaan? Kamu dapat mengamati gambar tentang pergerakan air dari akar menuju
daun.
Gambar.
Pengangkutan Air dari akar menuju daun
Daya kapilaritas batang menyebabkan air dapat diangkut dari
akar ke bagian tumbuhan lain yang lebih tinggi, lalu diedarkan ke seluruh tubuh
tumbuhan. Sifat ini seperti yang terdapat pada pipa kapiler. Daya kapilaritas
yang dimiliki batang dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi dan adhesi. Kohesi merupakan
kecenderungan suatu molekul untuk dapat berikatan dengan molekul lain yang
sejenis. Adhesi adalah kecenderungan suatu molekul untuk dapat berikatan dengan
molekul lain yang tidak sejenis. Air dimanfaatkan oleh tumbuhan dalam proses
fotosintesis. Pada daun, air juga mengalami penguapan. Penguapan air oleh daun disebut
transpirasi. Penggunaan air oleh bagian daun akan menyebabkan terjadinya
tarikan terhadap air yang berada pada bagian xilem sehingga air yang ada pada akar
dapat naik ke daun.
c.
Pengangkutan
Nutrisi pada Tumbuhan
Agar kebutuhan nutrisi di setiap bagian tumbuhan terpenuhi,
maka dibutuhkan suatu proses pengangkutan nutrisi hasil fotosintesis berupa
gula dan asam amino ke seluruh tubuh tumbuhan. Pengangkutan hasil fotosintesis
dari daun ke seluruh tubuh tumbuhan terjadi melalui pembuluh floem. Pengangkutan
zat-zat hasil fotosintesis dimulai dari sumbernya, yaitu daun (daerah yang
memiliki konsentrasi gula tinggi) ke bagian tanaman lain yang dituju (daerah
yang memiliki konsentrasi gula rendah) dengan dibantu oleh sirkulasi air yang
mengalir melalui pembuluh xilem dan floem perhatikan gambar.
Gambar.
Pengangkutan Nutrisi Hasil Fotosintesis pada Tumbuhan
d.
Tekanan
Darah pada Sistem Peredaran Darah Manusia
Tekanan pada pembuluh darah manusia memiliki prinsip kerjanya
seperti hukum Pascal. Hal ini karena tekanan pada pembuluh darah merupakan
tekanan yang berada pada ruang tertutup. Ketika jantung memompa darah, maka
darah akan mengalir melalui pembuluh darah. Saat mengalir dalam pembuluh darah,
darah memberikan dorongan pada dinding pembuluh darah yang disebut dengan
tekanan darah. Agar tekanan darah tetap terjaga, maka pembuluh darah harus
tetap terisi penuh oleh darah. Tekanan darah diukur dengan menggunakan sebuah
alat yang bernama sphygomanometer,
ada pula yang menyebutnya dengan tensimeter seperti yang terdapat pada gambar.
Gambar. Sphygomanometer
Tekanan darah diukur di dalam pembuluh nadi (arteri) besar
yang biasannya dilakukan di tangan bagian lengan atas perhatikan gambar.
Gambar. Cara
pengukuran tekanan darah
Pada proses pengukuran tekanan darah juga berlaku hukum Pascal.
Menurut Pascal tekanan yang diberikan kepada zat cair dalam ruang tertutup akan
diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama. Dengan demikian, tekanan
darah yang berada pada bagian aorta, akan sama dengan tekanan yang ada pada
arteri atau pembuluh nadi yang ada di lengan atas atau di bagian tubuh yang
lainnya.
e.
Tekanan
Gas pada Proses Pernapasan Manusia
Pada setiap manitnya paru-paru dapat menyerap sekitar 250 mL O2
dan mengeluarkan CO2 sebanyak 200 mL. Proses pertukaran antara O2
dengan CO2 terjadi secara difusi, yaitu proses perpindahan zat
terlarut dari daerah yang memiliki konsentrasi dan tekanan parsial tinggi ke
daerah yang memiliki konsentrasi dan tekanan parsial rendah.
Tekanan parsial adalah tekanan yang diberian oleh gas
tertentu dalam campuran gas tersebut. Pada sistem peredaran darah. Tekanan parsial
antara O2 dan CO2 bervariasi pada setiap organ. Darah yang
masuk ke paru-paru melalui arteri pulmonolis memiliki PO2 yang lebih
rendah dan PCO2 yang lebing tinggi daripada udara di dalam alveoli (alveoli
merupakan jamak dari alveolus).
Pada saat darah tiba di jaringan tubuh, O2 dalam
darah tersebut mengalami difusi menuju jaringan tubuh. Kandungan CO2
dalam jaringan tubuh lebih besar dari pada kandungan CO2 dalam
darah, sehingga CO2 dalam jaringan tubuh mengalami difusi ke dalam
darah. Setelah melepaskan O2 dan membawa CO2 dari
jaringan tubuh, darah kembali menuju jantung dan dipompa lagi ke paru-paru
perhatikan gambar.
Gambar. Difusi Gas pada Proses Pernapasan
dan Sirkulasi
18.02.00
