Gaya dan Tekanan

Amatilah gerak benda-benda di sekitarmu; dedaunan yang melambai-lambai, lalu lalang kendaraan di jalan raya atau seorang anak yang berlari-lari. Renungkan, bagaimana bendabenda itu dapat bergerak? Apa yang menyebabkan benda dapat bergerak? Apa yang kamu rasakan bila kamu menyelam? Kamu akan menemukan jawabannya setelah mempelajari bab ini, yang mendiskusikan tentang gaya dan tekanan. Kamu akan mengawali kegiatanmu dengan menyelidiki keterkaitan penting antara gerak dan gaya, yang dapat menjelaskan banyak pengamatan yang kamu jumpai sehari-hari. Lakukan Kegiatan Penyelidikan di bawah ini untuk mengeksplorasi gaya dan akibatnya terhadap gerak benda.

Menemukan kaitan Gerak dan Gaya

1. Letakkan sebuah pensil atau pulpen berbentuk silinder di atas sehelai kertas. 2. Peganglah ujung kertas itu. 3. Tariklah dengan cepat kertas itu dengan arah horizontal. Apa yang terjadi pada pensil atau pulpenmu? 4. Lakukan lagi kegiatan di atas berulang-ulang, dengan tarikan kertas sangat lambat, lambat, agak cepat, dan cepat. 5. Ulangi kegiatan di atas untuk bendabenda lain yang diletakkan di atas kertas. 6. Catatlah hasil pengamatanmu.

A Gaya

Apakah Gaya Itu? Doronglah daun pintu sehingga terbuka. Tariklah sebuah pita karet. Tekanlah segumpal tanah liat. Angkatlah bukumu. Pada setiap kegiatan itu kamu mengerahkan sebuah gaya. Gaya adalah suatu tarikan atau dorongan yang dikerahkan sebuah benda terhadap benda lain. Kadangkadang, akibat suatu gaya tampak demikian jelas, seperti saat sebuah mobil sedang melaju dan menabrak sebatang pohon. Akan tetapi, akibat gaya-gaya lain tidak sejelas pohon yang ditabrak itu. Dapatkah kamu merasakan gaya dari lantai yang bekerja pada kakimu? Catatlah semua gaya yang mungkin kamu lakukan atau alami pada suatu hari tertentu. Bayangkan tindakantindakan seperti mendorong, menarik, merenggangkan, meremas, membengkokkan, dan menjatuhkan benda. Pada saat itu kamu mengerahkan gaya kepada benda tersebut. Bagaimana kamu dapat mengukur besar gaya? Besar gaya diukur dengan neraca pegas, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.1. Gaya diukur dalam satuan newton (N). Gaya Sentuh dan Gaya Tak Sentuh Pada saat kamu mendorong meja, kamu harus menyentuh meja itu untuk mengerahkan gaya kepada meja itu. Demikian pula jika kamu hendak melontarkan batu dengan menggunakan ketapel. Gaya otot pada saat kamu mendorong meja dan gaya pegas pada saat kamu melontarkan batu dengan ketapel termasuk gaya sentuh. Disebut gaya sentuh karena sebuah benda yang memberikan gaya harus menyentuh benda lain yang dikenai gaya tersebut. Contoh lain gaya sentuh adalah gaya gesekan, yang akan kita bahas nanti. Jika kamu melepaskan kapur dari ketinggian tertentu, maka kapur itu akan jatuh ke bawah, ditarik oleh gaya gravitasi Bumi. Gaya gravitasi termasuk gaya tak sentuh, karena tanpa harus melalui sentuhan kapur dan Bumi. Gaya listrik dan gaya magnet adalah contoh lain gaya tak sentuh.

Akibat Gaya terhadap Benda

Apa yang terjadi pada sebuah benda saat gaya dikenakan pada benda tersebut? Apabila sebuah benda sedang bergerak, apakah gaya tersebut mengubah kecepatan benda itu? Perhatikan anak yang baru saja menendang bola seperti ditunjukkan pada Gambar 8.2. Kecepatan bola tersebut tentunya berubah begitu benturan terjadi. Jadi gaya dapat mengubah kecepatan benda. Perhatikan plastisin yang ditekan pada Gambar 8.3. Pada saat menekan plastisin, tangan itu memberikan gaya kepada plastisin itu. Bagaimana bentuk plastisin setelah ditekan? Ternyata gaya juga dapat menyebabkan bentuk benda berubah.

Gaya-gaya Setimbang

Gaya-gaya tidak selalu mengubah kecepatan. Gambar 8.4 memperlihatkan pertandingan tarik tambang. Kedua tim tersebut sama-sama mengerahkan gaya dengan arah berlawanan. Bila kedua tim tersebut tidak bergerak, maka gaya yang dilakukan kedua tim pada tali tersebut sama besar. Gaya yang menarik tali ke kiri diimbangi dengan gaya yang menarik tali ke kanan. Gaya-gaya yang besarnya sama dan arahnya berlawanan yang bekerja pada sebuah benda disebut gaya-gaya setimbang.

Gaya-gaya Tak setimbang

Pernahkah kamu menarik sebuah gerobak yang bermuatan? Untuk membuat gerobak bergerak, kamu harus menarik gerobak tersebut. Jika gaya yang kamu kerahkan tidak cukup besar, kamu mungkin meminta bantuan temanmu. Temanmu mungkin akan menarik gerobak itu bersamamu atau mendorongnya dari belakang. Dua gaya tersebut, yaitu gaya dari kamu dan temanmu akan bekerja pada arah yang sama. Jika dua gaya bekerja pada arah yang sama, maka kedua gaya itu dijumlahkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.5a. Gaya total atau gaya resultan pada gerobak tersebut sama dengan jumlah kedua gaya itu. Jika

gaya total pada suatu benda menuju ke arah tertentu, gaya tersebut disebut gaya-gaya tak setimbang. Gaya-gaya tak setimbang selalu mengubah kecepatan sebuah benda. Apabila temanmu mendorong gerobak dengan arah yang berlawanan dengan arah gaya dorongmu, gaya-gaya itu digabung dengan cara yang berbeda. Jika dua gaya berlawanan arah, maka gaya total kedua gaya tersebut merupakan selisih kedua gaya. Jika satu gaya lebih besar daripada gaya yang lain, gerobak itu akan bergerak ke arah gaya yang lebih besar (Gambar 8.5c). Dalam hal ini temanmu jelas tidak membantu kamu. Menurut pendapatmu apa yang terjadi jika gaya dorongmu dan gaya dorong temanmu sama dan berlawanan arah, seperti Gambar 8.5b? Jadi seperti ditunjukkan Gambar 8.5, gaya dapat digambarkan sebagai anak panah. Panjang anak panah menunjukkan besar gaya, dan arah anak panah menunjukkan arah gaya. Dengan menggunakan anak panah ini kamu dapat menyatakan berapa besar hasil gabungan gaya-gaya itu dan ke mana arahnya.

Kelembaman dan Massa

Andaikan kamu sedang duduk di dalam sebuah mobil yang melaju kencang. Apa yang terjadi padamu saat mobil tersebut tiba-tiba direm? Kamu akan terdorong ke depan. Terdorongnya badanmu itu memperlihatkan contoh sifat kelembaman. Kelembaman (inersia) adalah kecenderungan setiap benda melawan tiap perubahan dalam geraknya. Dengan kata lain kelembaman adalah kecenderungan sebuah benda untuk mempertahankan geraknya. Kamu dapat membayangkan hal ini sebagai sifat “malas” sebuah benda. Jika sebuah benda sedang bergerak, benda itu akan terus bergerak dengan kelajuan dan arah yang sama kecuali ada gaya-gaya tak setimbang yang bekerja pada benda itu. Dengan kata lain kecepatan benda tersebut tetap, kecuali ada suatu gaya mengubah kecepatan benda itu. Jika sebuah benda diam, benda tersebut cenderung tetap diam. Kecepatannya tetap nol kecuali ada gaya yang menyebabkan benda itu bergerak. Dapatkah kamu meramalkan apa yang terjadi dengan buku di pangkuan anak pada Gambar 8.6 seandainya kursi roda yang meluncur tiba-tiba berhenti?

Apakah sebuah bola besi tolak peluru memiliki kelembaman yang sama dengan kelembaman kelereng? Tentu saja kelembamannya berbeda, karena kamu lebih mudah menggerakkan kelereng dibanding bola besi tolak peluru. Semakin besar massa sebuah benda, kelembamannya juga semakin besar. Ingatlah kembali bahwa massa adalah jumlah materi dalam sebuah benda, dan bola besi tolak peluru tentunya mengandung materi lebih banyak daripada sebuah kelereng. Jadi bola besi tolak peluru itu memiliki kelembaman lebih besar daripada kelembaman kelereng. Oleh karena bola besi tolak peluru memiliki kelembaman lebih besar, maka lebih banyak gaya yang diperlukan untuk mengubah kecepatannya.

Hukum Pertama Newton

Kamu telah mempelajari bahwa setiap benda memiliki kelembaman, dan gaya dapat mengubah gerak benda. Sir Isaac Newton (lihat Gambar 8.7) merumuskan hukumhukum yang mengatur keterkaitan gaya dengan gerak. Ada tiga hukum Newton tentang gerak. Kita akan bahas dahulu hukum pertama Newton.

Hukum pertama Newton tentang gerak menyatakan bahwa sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tetap akan terus bergerak dengan kecepatan tersebut kecuali ada gaya resultan bekerja pada benda itu. Jika sebuah benda dalam keadaan diam, benda tersebut tetap diam kecuali ada gaya resultan yang bekerja pada benda itu. Perhatikan, hukum ini sama dengan peristiwa kelembaman. Jadi, kamu akan dapat memahami mengapa hukum ini kadang-kadang disebut hukum kelembaman. Apa kamu lakukan dan amati dalam Kegiatan Penyelidikan salah satunya memperlihatkan berlakunya hukum kelembaman ini. Demikian juga halnya dengan peristiwa pada Gambar 8.6. Untuk lebih meyakinkan kamu tentang berlakunya hukum ini dalam kehidupan sehari-hari, perhatikan Gambar 8.8. Selanjutnya bacalah dengan cermat “Sabuk Pengaman” untuk mendapatkan penjelasan bagaimanakah cara mencegah bahaya yang ditimbulkan oleh kelembaman tubuhmu.

Gesekan

Kamu baru saja mempelajari bahwa kelembaman menyebabkan sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak pada kecepatan tersebut, kecuali ada gaya-gaya tak setimbang yang bekerja padanya. Akan tetapi, seperti ditunjukkan Gambar 8.9, jika kamu meluncurkan sebuah buku di atas meja, gerak buku semakin lama semakin pelan, dan akhirnya berhenti. Mengapa buku itu berhenti?

Sebuah gaya tak terlihat bekerja antara buku dan meja tersebut. Gaya itu adalah gesekan. Gesekan adalah gaya yang melawan gerakan antara dua permukaan yang saling bersentuhan. Gesekan itulah yang menyebabkan gerakan buku itu menjadi semakin lambat dan akhirnya berhenti. Menurut pendapatmu, gesekan manakah yang lebih besar: antara jalan basah dengan sepatumu ataukah antara jalan kering dengan sepatumu? Besar gesekan bergantung pada dua faktor, yaitu tingkat kekasaran kedua permukaan dan gaya yang menekan terhadap kedua permukaan yang bergesekan itu. Perhatikan permukaan dua benda yang bergesekan pada Gambar 8.10. Lakukan kegiatan dalam Lab Mini 6.1 untuk menyelidiki pengaruh kekasaran permukaan terhadap mudahnya benda bergerak.

Gesekan Statis dan Gesekan Kinetis

Tentunya kamu pernah melihat orang yang sedang mendorong atau menarik sesuatu benda yang berat di atas lantai kasar. Untuk membuat benda itu mulai bergerak, orang itu mengerahkan gaya yang besar. Namun ketika benda sudah bergerak, orang itu lebih santai dan hanya mengerahkan gaya yang tidak sebesar gaya sebelumnya untuk membuat benda tetap bergerak. Gambaran di atas mirip dengan apa yang kamu lakukan dalam Lab Mini 8.2, diperlihatkan pada Gambar 8.11. Ketika kamu mengerahkan gaya yang relatif kecil pada balok, balok itu belum bergerak. Hal ini karena terdapat gaya gesekan antara permukaan balok dengan meja. Gaya gesekan ini besarnya sama dengan gaya yang kamu kerahkan, sehingga membentuk gaya-gaya setimbang dan benda diam. Gaya gesek yang terjadi pada saat benda masih diam disebut gaya gesek statis. Bila gaya yang kamu kerahkan pada balok semakin besar, maka gaya gesek statisnya juga semakin besar, sampai dengan benda tepat akan bergerak. Pada saat ini gaya geseknya terbesar, disebut gaya gesek statis maksimum. Bila kamu memperbesar gaya tarikmu pada balok, maka gaya yang kamu kerahkan melebihi gaya gesek statis maksimum dan benda menjadi bergerak. Pada saat kamu menarik balok dengan kecepatan tetap, sesuai hukum pertama Newton resultan gaya yang bekerja pada balok sama dengan nol. Hal ini berarti gaya yang kamu kerahkan tersebut disetimbangkan oleh gaya gesek antara permukaan balok dengan meja. Gaya gesek yang terjadi pada saat benda bergerak disebut gaya gesek kinetis. Sesuai dengan hasil pengukuran yang kamu lakukan dalam Lab Mini 8.2, besar gaya gesek kinetis lebih kecil daripada gaya gesek statis maksimum.

B Gerak Dipercepat

Hukum Kedua Newton tentang Gerak

Pernahkan kamu menarik mobil-mobilanmu? Perhatikan Gambar 8.12. Jika kamu tarik, mobil mainanmu mulai bergerak. Semakin kuat kamu menariknya, semakin cepat mobil itu bergerak. Jadi semakin besar gaya yang dikerahkan, semakin besar pula percepatannya. Jika mobilmobilanmu kamu beri beban, kamu harus menarik lebih kuat untuk membuatnya bergerak. Gaya lebih besar juga diperlukan untuk mempercepat mobil-mobilanmu yang telah kamu beri beban tersebut. Jadi gaya yang dikerahkan pada sebuah benda sehingga benda tersebut mengalami percepatan sebanding dengan massa benda dan percepatan benda itu. Secara matematis pernyataan tersebut dapat ditulis:

Bila massa bersatuan kilogram (kg) dan percepatan bersatuan m/s2, maka gaya bersatuan kg m/s2. Perhatikan, satuan kg m/s2 disebut juga newton (N). Satu newton sama dengan gaya yang diperlukan untuk mempercepat benda bermassa 1 kg dengan percepatan 1 m/s2. Dengan kata lain 1 N = 1 kg x 1 m/s2. Perhatikan pemain tenis meja pada Gambar 8.13. Pemain itu memanfaatkan sebuah raket untuk menghasilkan percepatan pada bola tenis meja tersebut. Pengaruh apa yang akan diperoleh terhadap percepatan bola, jika pemain tersebut menggunakan bola tenis yang lebih berat (misalnya bola tenis lapangan)? Apa yang harus dilakukan pemain itu agar bola tenis mejanya memiliki percepatan besar saat dipukul? Gaya yang bekerja pada sebuah benda menyebabkan benda tersebut dipercepat dalam arah yang sama dengan arah gaya itu. Percepatan itu ditentukan oleh besar gayaan massa benda tersebut. Gaya lebih besar yang bekerja pada suatu benda menyebabkan percepatan yang lebih besar. Benda bermassa lebih besar memerlukan gaya yang lebih besar daripada benda yang bermassa lebih kecil untuk mencapai percepatan yang sama. Berarti sekarang seharusnya kamu dapat menjawab pertanyaan Gambar 8.13. Dapatkah kamu menjelaskan dengan hukum kedua Newton, mengapa mobil kecil mengkonsumsi lebih sedikit bensin untuk menempuh jarak yang sama dengan yang ditempuh mobil besar? Perhatikan contoh soal berikut agar dapat menerapkan hukum kedua Newton dalam kehidupan sehari-hari.

Benda Jatuh

Sulit dipercaya, jika kamu menjatuhkan bola besi tolak peluru dan kelereng dari atas jembatan secara serentak, kedua benda tersebut akan tercebur ke dalam air pada saat hampir bersamaan. Hal ini berarti percepatan gerak kedua benda tersebut juga hampir sama. Apakah kamu menduga bola besi tolak peluru menghantam air lebih dulu, karena memiliki massa lebih besar? Memang benar bahwa gaya gravitasi pada bola boling lebih besar, karena massanya lebih besar. Namun massa yang lebih besar membuat kelembaman bola boling tersebut menjadi lebih besar pula, sehingga lebih banyak gaya diperlukan untuk mengubah kecepatannya. Kelereng memiliki massa jauh lebih kecil daripada bola boling, namun kelembamannya juga jauh lebih kecil. Gambar 8.14 memperlihatkan foto gerak jatuh dua bola. Bola besar memiliki massa lebih besar daripada bola kecil, namun dapat kamu lihat kedua bola tersebut jatuh dengan kecepatan yang sama. Percepatan oleh Gravitasi Di dekat permukaan Bumi, gravitasi menyebabkan semua benda jatuh dipercepat sebesar 9,8 m/s2,. Jika demikian, berapakah gaya gravitasi yang bekerja pada benda itu? Gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah benda disebut juga berat benda itu. Sesuai dengan hukum kedua Newton, gaya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: F = m x a. Berat suatu benda, w, adalah gaya gravitasi F yang bekerja pada massa benda tersebut. Oleh karena itu, kita dapat mengganti F dengan w dan menuliskan w = m x a. Di permukaan bumi, percepatan oleh gravitasi adalah 9,8 m/s2, sehingga: w = m x 9,8 m/s2. Berarti benda dengan massa 1 kg, beratnya di permukaan bumi 9,8 kg m/s2 atau 9,8 N. Kamu dapat menghitung beratmu dalam newton jika kamu mengtahui massa tubuhmu. Sebagai contoh, jika massa tubuhmu 50 kg, maka berat badanmu 490 N.

Ingatlah bahwa pembahasan ini hanya berlaku untuk benda jatuh bebas, yakni benda yang dilepaskan dari ketinggian tertentu dan hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Pada saat dilepaskan kecepatan benda tersebut sama dengan nol. Jika benda dilempar ke bawah, benda tersebut dipengaruhi oleh gravitasi dan gaya ke bawah dari ayunan tangan. Oleh karena itu pada saat benda tersebut dilempar ke bawah, percepatan ke bawah benda itu lebih besar daripada 9,8 m/s2. Hambatan Udara Percepatan gravitasi (g) adalah sama untuk semua benda, tidak memandang berapapun besar massanya. Ini berarti jika tidak ada gaya lain selain gaya gravitasi, percepatan semua benda adalah 9,8 m/s2. Pikirkan hal ini beberapa saat . Apakah sehelai daun jatuh secepat buahnya? Apakah kertas jatuh secepat kapur? Perhatikan Gambar 8.15. Apa yang terjadi jika dua lembar kertas yang sama, salah satunya diremas menjadi bola kertas, kemudian keduanya dijatuhkan secara bersamaan? Jika jawabanmu bahwa bola kertas tersebut sampai di tanah lebih dulu, kamu benar. Namun kenyataan ini tidak sesuai dengan apa baru saja kamu pelajari. Bagaimanakah ketidak-cocokan ini dapat dijelaskan? Satu-satunya penjelasan untuk kenyataan ini adalah adanya gaya yang bekerja selain gravitasi. Semua benda yang bergerak dalam atmosfer Bumi dipengaruhi oleh hambatan udara. Hambatan udara adalah gaya yang diberikan udara kepada suatu benda bergerak. Gaya ini berlawanan dengan gerak benda tersebut. Pada sebuah benda jatuh, hambatan udara mendorong ke atas ketika gravitasi menarik benda tersebut ke bawah. Besar hambatan udara bergantung pada

kelajuan, ukuran, bentuk, dan kerapatan benda. Hambatan udara ini membuat parasut pada Gambar 8.16 bergerak ke bawah cukup pelan sehingga orang tersebut dapat mendarat dengan selamat.

Aksi dan Reaksi

Hukum Ketiga Newton tentang Gerak

Doronglah tembok kelas dengan kedua tanganmu. Apa yang kamu rasakan? Kamu akan merasakan terdorong ke belakang. Semakin kuat kamu mendorongnya, semakin kuat pula kamu merasa terdorong ke belakang. Kakimu atau badanmu akan bergeser ke belakang. Jadi bila kamu memberikan gaya aksi pada sebuah tembok, pada saat yang sama tembok tersebut memberikan gaya reaksi kepadamu, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.17. Hukum ketiga Newton tentang gerak menyatakan hubungan gaya aksi-reaksi tersebut, seperti ini: Apabila suatu benda mengerahkan gaya pada benda kedua, benda kedua tersebut mengerahkan gaya pada benda pertama sama besar dan berlawanan arahnya. Dalam bahasa yang lebih sederhana dapat dikatakan “Untuk setiap gaya aksi, terdapat suatu gaya reaksi yang besarnya sama dan arahnya berlawanan.” Dengan kata lain setiap gaya pasti memiliki pasangan yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. Pasangan gaya ini disebut pasangan aksi-reaksi. Pasangan Aksi-Reaksi Marilah kita bahas contoh lain tentang pasangan aksireaksi tersebut. Perhatikan Gambar 8.18. Seorang anak sedang melompat dari skate board. Pada saat anak itu melompat ke depan, skate board meluncur ke belakang. Mengapa hal ini terjadi? Pada saat anak itu melompat, skate board mengerahkan gaya pada kakinya, mendorong anak itu bergerak ke depan. Bersamaan dengan itu, kakinya mengerahkan gaya yang sama besar dan berlawanan arah kepada skate board, sehingga skate board itu bergerak ke belakang.

Gaya-gaya yang Bekerja pada Benda yang Berbeda

Hukum ketiga Newton dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa perenang pada Gambar 8.19 dapat bergerak melintasi air tersebut. Dengan ayunan lengannya, perenang itu mengerahkan suatu gaya pada air. Air tersebut mendorong balik perenang itu dengan gaya yang sama dan arah berlawanan. Namun, jika gaya itu sama, bagaimana perenang itu dapat bergerak maju? Hal ini dapat terjadi karena gaya-gaya itu bekerja pada benda yang berbeda. Gaya “aksi” bekerja pada air; gaya “reaksi” bekerja pada perenang. Perenang tersebut yang massanya jauh lebih kecil daripada massa sekolam air, mengalami percepatan lebih besar daripada percepatan air tersebut.

Hal penting yang perlu diingat pada saat berhubungan dengan hukum ketiga Newton adalah bahwa gaya aksi-reaksi bekerja pada benda yang berbeda. Jadi, walaupun kedua gaya itu sama, tetapi kedua gaya itu tidak setimbang. Dalam kasus perenang tersebut, air mendorong maju perenang itu, mengatasi gesekan yang ia jumpai. Pasangan gaya-gaya yang terlibat dalam pelemparan sebuah bola basket akan menyebaban kursi roda pada Gambar 8.20 bergerak mundur. Kamu mungkin mengkaitkan gaya dengan benda-benda aktif seperti manusia, binatang, dan mesin-mesin. Hal ini membuat sulit bagimu untuk membayangkan benda-benda seperti tembok, meja, atau lantai dapat mengerahkan gaya. Bagai-manapun juga hal ini memang benar. Tekanlah pojok meja dengan tanganmu. Meja itu mungkin tetap diam, tetapi pada telapak tanganmu membekas permukaan meja itu. Bekas ini merupakan bukti bahwa meja tersebut memberikan gaya kepada tanganmu. Semakin kuat kamu menekannya, semakin kuat pula meja tersebut mendorong tanganmu.

Peluncuran Roket

Mungkin kamu pernah melihat tayangan di televisi mengenai peluncuran roket. Gerak roket adalah contoh lain penerapan hukum ketiga Newton tentang gerak. Perhatikanlah Gambar 8.21. Bahan bakar dinyalakan di dalam mesin pembakar, menghasilkan gas panas. Gas panas mendorong ke segala arah di dalam roket, dan menyembur keluar melalui bagian bawah roket. Dorongan gas ke atas tersebut meluncurkan ke atas roket itu. Pada saat gas tersebut menyembur ke bawah, bergerak turun, roket itu bergerak ke arah yang berlawanan, atau naik. Dapatkah kamu menjelaskan, mengapa burung pada Gambar 8.22 mengepakkan sayapnya? Lakukan kegiatan Lab Mini 8.3 untuk lebih memahami gaya aksi dan reaksi.

D. Tekanan

Pada saat kamu memikirkan tentang gaya dan hukum Newton tentang gerak, apakah kamu hanya memikirkan bahwa gaya-gaya tersebut hanya bekerja pada benda-benda padat, seperti mendorong sebuah kotak, menarik sebuah kereta, mengangkat sebuah bangku? Meskipun kamu mungkin tidak menyadarinya, gaya secara alamiah juga ada dalam fluida. Apa yang kamu rasakan pada telingamu saat kamu menyelam di dalam air? Telingamu seperti ada yang menekan. Pengalamanmu itu menunjukkan bahwa air mengerahkan gaya pada telingamu. Air termasuk fluida. Fluida adalah bahan yang tidak memiliki suatu bentuk tetap tertentu. Bentuk fluida berubah-ubah sesuai bentuk tempatnya. Zat cair dan zat gas adalah fluida. Ketika sedang bernapas, berenang, atau menyelam kamu akan mendapatkan gaya-gaya yang dihasilkan oleh fluida . Kamu mungkin tidak percaya, bahwa pada saat ini ada gaya yang menekan punggungmu. Tahukah kamu, gaya apa itu? mengapa kamu tidak merasakannya? Untuk mengetahuinya, marilah kita bahas tekanan.

Apakah Tekanan itu?

Kamu mungkin pernah mengamati jejak-jejak sepatu pada tanah basah, seperti Gambar 8.23. Kedua pasang jejak itu berasal dari orang yang sama, namun orang itu mengenakan sepatu yang berbeda. Walaupun berat orang itu sama, namun pengaruhnya terhadap tanah tersebut berbeda. Apa yang membuat berbeda? Perhatikan luas sol kedua sepatu itu. Untuk gaya berat yang sama, semakin kecil luas permukaan sol sepatu, ternyata jejak kakinya semakin dalam. Besaran dalam fisika yang mengkaitkan gaya dengan luas permukaan disebut tekanan. Tekanan dapat dihitung dengan membagi gaya yang dikerahkan dengan luas yang dikenai gaya tersebut.

Bila gaya diukur dalam satuan newton (N) dan luas diukur dalam meter persegi (m2), maka tekanan diukur dalam satuan newton per meter persegi (N/m2). Pascal (Pa) adalah satuan SI untuk tekanan. Satu pascal tekanan adalah suatu gaya sebesar satu Newton per meter persegi. Seringkali tekanan diukur dalam satuan kilopascal (kPa). Satu kPa sama dengan 1000 Pa.

Bagaimanakah Fluida dapat Menghasilkan Tekanan?

Mungkin kamu telah akrab dengan istilah-istilah tekanan air, tekanan udara, dan tekanan darah. Berbagai peralatan tidak akan bekerja dengan semestinya bila tekanan fluida di dalamnya tidak seperti yang seharusnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.24. Bagaimanakah fluida dapat menghasilkan tekanan? Perhatikan Gambar 8.25. Semua benda tersusun dari partikel-partikel yang sangat kecil. Gaya yang ada dalam fluida disebabkan oleh

massa dan gerak partikel-partikel yang membentuk fluida tersebut. Di dalam zat padat, partikel-partikel tersebut tersusun sangat rapat. Oleh karena itu partikel-partikel zat padat tersebut tidak bebas bergerak. Namun, di dalam zat cair dan gas partikel-partikelnya tidak tersusun secara rapat. Jadi partikel-partikel itu lebih bebas bergerak. Partikelpartikel penyusun fluida tersebut secara terus-menerus bergerak ke segala arah. Pada saat bergerak, partikel-partikel itu menumbuk partikel-partikel lain dan dinding wadah fluida dengan gaya yang besarnya bergantung pada massa dan percepatan partikel tersebut. “Dorongan” atau gaya oleh partikel-partikel tersebut yang bekerja pada suatu luas tertentu disebut tekanan. Tekanan fluida bekerja ke segala arah sama besar. Kegiatan Penyelidikan yang telah kamu lakukan, menunjukkan bahwa udara yang menyelimuti Bumi kita, atau atmosfer Bumi mempunyai tekanan. Tekanan atmosfer yang paling besar adalah di permukaan laut. Udara dalam atmosfer mengerahkan tekanan sebesar 10,13 N/cm2 di permukaan laut. Jika punggungmu memiliki luas 1000 cm2, maka udara menekan punggungmu dengan gaya 10130 N. Gaya ini hampir sama dengan berat sebuah mobil! Apa yang membuat tubuhmu tidak remuk oleh gaya sebesar ini? Fluida di dalam tubuhmu juga mengerahkan gaya. Tekanan udara di luar tubuhmu disetimbangkan oleh tekanan fluida di dalam tubuhmu. Oleh karena itu kamu tidak merasakan gaya dari udara di luar tubuhmu tersebut.

Perbedaan Tekanan

Kamu barangkali tidak menaruh banyak perhatian terhadap apa yang sedang kamu lakukan pada saat kamu minum melalui sebuah sedotan. Namun apa yang sesungguhnya kamu lakukan pada saat minum dengan menggunakan sedotan, seperti Gambar 8.26 adalah menyedot sebagian besar udara di dalam sedotan. Penyedotan itu menyebabkan tekanan udara di dalam sedotan menurun. Tekanan udara luar sekarang lebih besar daripada tekanan udara di dalam sedotan sehingga mendorong permukaan minumanmu ke bawah. Dorongan ini memberikan gaya kepada minuman dan naik melalui sedotan, dan kemudian masuk ke dalam mulutmu! Prinsip yang memungkinkan kamu minum melalui sedotan merupakan sifat penting yang dimiliki fluida. Fluida akan bergerak dari daerah bertekanan lebih tinggi menuju daerah bertekanan lebih rendah. Peristiwa ini juga dapat kamu lihat saat kamu membuka minuman bersoda, seperti Gambar 8.27. Pelajari contoh soal mengitung tekanan, setelah itu kerjakan soal-soal latihannya, agar kamu dapat menerapkan cara-cara menghitung tekanan.

Tekanan Hidrostatik

Apa yang kamu rasakan di telingamu pada saat kamu menyelam di dalam air? Telingamu akan terasa semakin sakit pada saat kamu menyelam semakin dalam. Hal ini terjadi karena semakin dalam kamu menyelam, tekanan air tersebut semakin besar. Karena gaya gravitasi, tekanan di dalam fluida bertambah sesuai kedalamannya. Semakin besar kedalaman tersebut, semakin besar pula tekanan tersebut. Mari kita lihat mengapa demikian. Misalkan air di kolam pada Gambar 8.28 telah dibagi menjadi 5 lapisan. Karena gaya gravitasi menarik ke bawah partikel-partikel pada lapisan 1, maka lapisan tersebut memiliki suatu berat tertentu. Gaya berat dari lapisan 1 menekan ke bawah pada lapisan 2. Lapisan 2 ini memiliki gaya gravitasi pada partikel-partikelnya sendiri ditambah gaya dari berat lapisan 1. Oleh karena itu tekanan pada lapisan 2 lebih besar daripada tekanan dalam lapisan 1. Bagaimana halnya pada lapisan 3? Lapisan 3 memiliki gaya gravitasi pada partikel-partikelnya sendiri ditambah berat dua lapisan pertama yang mendorong ke bawah lapisan 3 tersebut. Akibatnya, tekanan pada lapisan 3 lebih besar dari lapisan manapun di atasnya. Lapisan paling bawah atau kedalaman paling dalam dari setiap fluida akan memiliki tekanan paling besar karena lapisan itu mendapatkan gaya dorong paling besar dari lapisan di atasnya.

Bertambahnya tekanan seiring dengan bertambahnya kedalaman fluida memiliki berbagai akibat penting. Perhatikan Gambar 8.29. Aliran air dari lubang pada bagian lebih bawah gelas memancar kuat. Bendungan dirancang semakin bawah semakin tebal, karena bagian bawah bendungan memperoleh tekanan lebih besar daripada bagian atasnya. Kapal selam yang menyelam terlalu dalam di lautan dindingnya dapat melesak (ringsek) ke dalam karena tekanan air yang amat besar. Penyelam yang menyelam terlalu dalam bisa mendapatkan masalah serius akibat bertambahnya tekanan air. Bagaimanakah tekanan pada titik-titik yang kedalamannya sama di dalam suatu zat cair? Titik-titik di dalam suatu zat cair yang kedalamannya sama mempunyai tekanan yang sama. Perhatikan Gambar 8.29(a). Pancaran di sebelah kiri bawah sama dengan pancaran air di sebelah kanan bawah karena kedua titik tersebut kedalamannya sama. Perhatikan Gambar 8.30. Permukaan suatu zat cair yang ditempatkan pada sebuah bejana akan datar. Jika pipa U diisi suatu zat cair, tinggi permukaan zat cair pada pipa itu sama. Bahkan jika terdapat bejana berhubungan yang memiliki berbagai bentuk pipa diisi suatu zat cair, tinggi permukaan zat cair tersebut dalam pipa-pipa tersebut sama. Kenyataan ini dimanfaatkan untuk menentukan apakah dua titik memiliki ketinggian yang sama, oleh para tukang pembuat bangunan. Apa nama alat yang digunakan itu?

Prinsip Archimedes

Pernahkah kamu bersantai dengan mengapungkan punggungmu di dalam kolam renang seperti Gambar 8.54. Kamu merasa seperti tidak memiliki berat pada saat air tersebut menopangmu. Jika kamu perlahan-lahan naik keluar dari kolam, kamu merasa tubuhmu seperti bertambah berat. Semakin tinggi kamu naik, kamu harus semakin banyak mengerahkan otot-ototmu untuk menopang tubuhmu. Pada saat kamu berada di dalam kolam renang tersebut, kamu mengalami gaya apung. Gaya apung adalah kemampuan suatu fluida, zat cair atau gas, untuk mengerahkan suatu gaya ke atas pada suatu benda yang dibenamkan ke dalam fluida tersebut. Besar gaya apung tersebut menentukan apakah sebuah benda akan terapung atau tenggelam di dalam suatu fluida. Jika gaya apung lebih kecil daripada berat benda tersebut, benda itu akan tenggelam. Jika gaya apung tersebut sama dengan berat benda, seperti pada Gambar 8.31, benda tersebut terapung. Kadang-kadang gaya apung pada sebuah benda lebih besar daripada berat benda tersebut. Gaya ini adalah gaya yang mengangkat sebuah balon berisi gas helium yang bergerak ke atas di udara. Ketika balon tersebut dilepas, gaya apung lebih besar daripada gaya berat balon, menyebabkan balon bergerak dipercepat ke atas.

Bagaimana Kapal Terapung?

Seperti halnya hasil kegiatanmu dalam Lab Mini 8.4, Archimedes (seorang ahli matematika Yunani yang hidup dalam abad ketiga sebelum Masehi), menemukan penjelasan tentang gaya apung. Menurut prinsip Archimedes, gaya apung yang bekerja pada suatu benda di dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda itu. Andaikan kamu meletakkan sebuah balok kayu di atas permukaan air. Balok itu akan memindahkan air pada saat balok itu mulai bergerak terbenam ke dalam air; namun hanya sampai berat air yang dipindahkan itu sama dengan Misalkan kamu meletakkan balok baja seukuran balok kayu itu di atas permukaan air. Ketika balok baja itu diletakkan di atas permukaan air, balok itu mulai mendesak air saat masuk ke dalam air. Gaya apung mulai menekan balok itu ke atas. Namun, karena massa jenis balok baja lebih besar daripada balok kayu, maka berat balok baja lebih

besar daripada balok kayu. Gaya ke atas ini tidak akan dapat mengimbangi berat balok baja itu, sehingga balok itu tenggelam ke dasar. Apabila demikian, bagaimana kapal dapat terapung? Misalkan kamu membentuk balok baja itu menjadi mangkok besar dan berongga. Saat mangkok ini di letakkan di atas permukaan air, ia akan mendesak lebih banyak air daripada balok baja tersebut. Mangkuk itu mendesak cukup banyak air untuk mengimbangi berat mangkuk baja tersebut, dan mangkuk-mangkuk itu terapung. Pernahkah kamu mendengar atau melihat gambar kapal selam yang melayang di dalam air? Jika pada saat gaya berat benda setimbang dengan gaya apung seluruh benda yang berada di dalam fluida, maka benda tersebut melayang di dalam fluida. Untuk maksud tersebut kapten kapal selam akan memerintahkan untuk memasukkan atau mengeluarkan air laut sesuai kebutuhan. Jika air dimasukkan ke dalam kapal selam, maka kapal selam itu bergerak ke bawah, dan sebaliknya jika ingin naik ke permukaan, maka air dikeluarkan dari kapal selam tersebut. Sedangkan pilot-pilot balon udara panas, seperti Gambar 8.33, menyesuaikan berat beban balon dengan gaya apung balon udara.

Prinsip Pascal

Misalkan kamu meniup balon hingga menggelembung. Lalu kamu meremas satu ujung balon itu. Partikel-partikel udara di dalam balon tetap berada di dalamnya, namun menjadi lebih rapat. Apa yang terjadi dengan tekanan tambahan yang diberikan pada balon itu? Tekanan akan membesar pada setiap titik di dalam balon itu, termasuk ujung lain balon itu, sehingga ujung lain balon itu semakin menggelembung. Ilmuwan Perancis, Blaise Pascal (1623-1662) menemukan bahwa tekanan di dalam fluida dipindahkan ke segala arah dengan besar yang sama. Sebagai contoh lain, saat kamu menekan bagian bawah kemasan pasta gigi pada Gambar 8.34, pasta gigi itu keluar dari bagian atas kemasan tersebut. Kamu dapat mengamati gejala yang menunjukkan prinsip Pascal pada Lab Mini 8.5.

Mesin Hidrolik

Pemindahan tekanan ke segala arah sama besar dalam suatu cairan merupakan prinsip yang mendasari alat-alat hidrolik. Jadi, mesin hidrolik yang dapat mengangkat benda-benda berat tersebut bekerja dengan memanfaatkan prinsip Pascal. Rem dan dongkrak mobil adalah contoh mesin hidrolik. Mesin hidrolik menghasilkan gaya yang besar dengan hanya mem-berikan gaya yang sangat kecil. Dengan kata lain, mesin hidolik melipat-gandakan gaya. Perhatikan bagan mesin hidrolik di sebelah ini untuk memahami cara kerjanya. Tabung kecil dan tabung besar dihubungkan oleh pipa. Luas penampang tabung kecil 5 cm2. Luas penampang tabung besar 50 cm2. Masing-masing tabung diisi dengan fluida cair, biasanya minyak. Pada masing-masing tabung terdapat piston yang tertahan di atas permukaan minyak. Misalkan kamu memberikan gaya 500 N kepada piston kecil. Tekanan pada piston kecil itu adalah:

[[[image:rumusas.jpg]]

Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan tersebut dipindahkan melalui fluida tanpa berubah besarnya. Oleh karena itu, piston besar juga mendapat tekanan 100 N/cm2. Namun luas piston besar adalah 50 cm2. Sehingga, besar gaya total pada piston besar adalah: 100 N/cm2 x 50 cm2 = 5000 N. Dengan mesin hidrolik ini kamu dapat menggunakan berat tubuhmu untuk mengangkat suatu benda yang beratnya sepuluh kali berat badanmu. Kamu mungkin heran bagaimana mobil dengan massa lebih dari 1000 kg yang melaju kencang dapat dihentikan dengan injakan ringan pada pedal rem. Gaya injakan itu sudah barang tentu jauh lebih kecil daripada gaya yang kamu perlukan seandainya kamu hendak menghentikan mobil itu dari luar. Sistem rem mobil itu juga merupakan mesin hidrolik. Dapatkah kamu menjelaskan bekerjanya rem mobil, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8.35?

Tekanan Udara

Air bukanlah satu-satunya fluida yang memiliki tekanan yang berubah sesuai kedalamannya. Bumi kita diselimuti lapisan udara, yang disebut atmosfer. Tekanan atmosfer kita juga bervariasi. Tekanan tersebut berubah sesuai dengan ketinggian dari atas tanah. Semakin tinggi suatu tempat, maka tekanan udaranya semakin rendah. Pada ketinggian lebih tinggi, dalam suatu daerah tertentu terdapat partikelpartikel udara yang lebih sedikit. Partikel-partikel yang lebih sedikit mendorong satu sama lain menghasilkan tekanan lebih rendah. Pada tempat yang lebih tinggi tekanan di dalam tubuhmu menjadi lebih besar daripada tekanan udara di luar tubuhmu. Kamu mungkin merasakan perbedaan tekanan tersebut sebagai rasa sakit pada gendang telingamu. Bila ini terjadi, sebagian udara keluar dari telingamu dan kamu mendengar suara “pop.” Sebagai hasil dari keluarnya sebagian udara dari bagian dalam gendang telingamu, tekanan di dalam telingamu menjadi sama dengan tekanan udara luar. Pada tempat yang sangat tinggi, seperti di puncak Himalaya pada Gambar 8.36, tekanan udara menjadi sangat kecil dan dapat menimbulkan masalah serius bagi para pendaki. Pendaki rentan terkena sindrom kekurangan oksigen karena ketinggian, yang dikenal dengan istilah hipoksi.

Alat-alat untuk Mengukur Tekanan

Meskipun kamu dapat membandingkan tekanan gas dengan memijat bola basket yang penuh berisi udara dan kurang berisi udara, cara ini tidak memberikan ukuran yang akurat dari dua tekanan tersebut. Apa yang dibutuhkan adalah alat pengukur tekanan. Salah satu instrumen pertama yang digunakan untuk mengukur tekanan gas dirancang oleh ilmuwan Italia Evangelista Torricelli (1608-1647). Ia menemukan barometer, suatu instrumen yang mengukur tekanan yang diberikan oleh atmosfer. Gambar 8.37 menjelaskan bagaimana bekerjanya barometer Torricelli. Pipa berisi penuh air raksa dibalik dan bagian yang terbuka diletakkan pada bejana berisi air raksa. Tinggi kolom air raksa itu menunjukkan tekanan yang diberikan oleh atmosfer tersebut. Bila pembalikan itu dilakukan di atas permukaan laut, maka tinggi kolom air raksa pada pipa itu adalah 760 mm. Oleh karena itu tekanan udara di atas permukaan laut tersebut dapat dinyatakan sebesar 760 mmHg atau 1 atmosfer. Pada saat ini barometer yang digunakan untuk pengukuran tekanan tidak seperti percobaan Torricelli, namun seperti Gambar 8.38.

Besaran ini selanjutnya digunakan sebagai satuan untuk mengukur tekanan. Atmosfer baku (atm) didefinisikan sebagai tekanan yang menyangga 760 mm kolom air raksa. Berdasarkan hal itu 1,00 atm = 760 mmHg. Apabila pembalikan itu dilakukan di tempat yang lebih tinggi, maka ketinggian kolom air raksa itu berkurang. Artinya di tempat yang lebih tinggi tekanan udaranya lebih rendah. Alat pengukur tekanan atmosfer semacam ini disebut barometer air raksa. Barometer jenis lain adalah barometer aneroid. Perhatikan Gambar 8.38. Barometer ini memiliki tabung lentur yang volumenya berubah-ubah akibat tekanan. Perubahan volume tabung ini diteruskan ke jarum penunjuk. Jika tekanan berubah, maka bentuk tabung berubah, dan penunjukan jarum juga berubah.

Tekanan Udara dalam Ruang Tertutup

Udara di dalam ruang tertutup memiliki ciri yang berbeda dengan udara di ruang terbuka (atmosfer). Ciri-ciri tersebut menyangkut volume, tekanan, dan suhu.

Pengukuran Tekanan Udara dalam Ruang Tertutup

Alat pengukur tekanan udara dalam ruang tertutup yang paling sederhana disebut manometer terbuka. Perhatikan Gambar 8.39 (a). Pipa-U diisi sebagian dengan zat cair, biasanya air raksa atau air. Perbedaan tekanan udara di

dalam dan di luar ruang ditunjukkan oleh perbedaan ketinggian permukaan zat cair tersebut. Semakin besar tekanan udara di dalam ruang, perbedaan ketinggian ini juga semakin besar. Alat pengukur tekanan udara dalam ruang jenis lain adalah manometer Bourdon. Perhatikan Gambar 8.39 (b). Tekanan dari dalam ruang tertutup akan mengubah kelengkungan pipa lentur. Ujung pipa itu dihubungkan dengan jarum berskala. Ketika pipa itu berubah kelengkungannya akibat tekanan, penunjukan jarum tersebut juga berubah. Hukum Boyle Misalkan kamu menempatkan gas dalam wadah tertutup yang dapat diubah volumenya, seperti pompa sepeda Gambar 8.40. Kamu dapat memperkecil atau memperbesar wadah itu tanpa mengubah banyaknya gas di dalamnya. Seperti pada saat memompa ban sepedamu, apa yang kamu rasakan ketika volume gas itu diperkecil? Tekanan suatu gas bergantung seberapa sering partikelpartikel gas tersebut menumbuk dinding wadah tersebut. Jika kamu menekan gas ke suatu ruang yang lebih kecil, partikel-partikelnya akan lebih sering menumbuk dinding ruang tersebut. Akibatnya tekanan gas itu bertambah. Hal sebaliknya akan terjadi. Jika kamu memberikan ruang yang lebih besar, partikel-partikel gas tersebut menjadi lebih jarang menumbuk dinding dan tekanan gas tersebut mengecil. Gambar 8.40 Menurut hukum Boyle, bila volume gas diperkecil, maka tekanan gas semakin besar asalkan suhu gas tersebut tetap. Gambar nomor berapakah yang tekanan gasnya paling kecil, dan yang mana yang paling besar? Sumber: Bakalian, et al., 1994. 255 Bab 8 Gaya dan Tekanan 255 Robert Robert Boyle (1627-1691), seorang ilmuwan Inggris, menjelaskan sifat-sifat gas tersebut. Menurut hukum Boyle, jika kamu memperkecil volume suatu wadah gas, tekanan gas tersebut membesar, asalkan suhu gas tersebut tetap. Memperbesar volume wadah tersebut menyebabkan tekanan gas tersebut turun. Penting untuk dicatat bahwa hukum ini berlaku asal suhu gas tersebut tetap.

Beri Penilaian