Tekanan adalah salah satu konsep penting dalam Fisika klasik karena membahas mengenai gaya yang mengenai suatu bidang permukaan tertentu. Tekanan dialami baik oleh sesama benda padat, benda cair maupun fluida gas.
Pengertian Tekanan
Tekanan adalah gaya persatuan luas yang diberikan oleh setiap permukaan benda terhadap benda lain yang bersentuhan dengannya. Gaya yang diberikan hingga memunculkan tekanan ini tegak lurus di setiap titik permukaan benda.
Bidang yang terkena oleh gaya disebut sebagai bidang tekan. Sementara gaya yang mengenai permukaan bidang tekanan tersebut disebut gaya tekan. Tekanan merupakan besaran skalar sehingga tidak dipengaruhi oleh arah.
Jenis-Jenis Tekanan
Tekanan hidrostatis berbicara mengenai tekanan fluida statis (diam) yang ada di ruangan terbuka. Untuk memahami prinsip tekanan hidrostatis, maka bisa dibayangkan bahwa zat cair terdiri dari banyak lapisan di bawahnya. Setiap lapisan akan memberikan tekanan terhadap lapisan zat cair di bawahnya.
Oleh karena itu lapisan terbawah akan mendapatkan tekanan paling besar. Sementara pada lapisan atas hanya terdapat tekanan dari atmosfer atau udara saja. Sehingga tekanan di permukaan zat cair sama dengan tekanan udara atau tekanan atmosfer.
Selain itu, massa jenis dari zat cair juga mempengaruhi besar tekanan hidrostatis yang diterima oleh zat cair tersebut. Semakin padat massa jenis zat cairnya, maka semakin besar pula tekanan hidrostatis yang dimiliki oleh zat cair.
Gaya gravitasi bumi juga berpengaruh terhadap tekanan hidrostatis. Semakin dalam suatu benda berada di titik kedalaman zat cair, maka semakin besar pula tekanan gravitasi bumi yang menyebabkan tekanan hidrostatis yang dirasakan lebih besar. Ada 3 hal utama yang berpengaruh terhadap tekanan hidrostatis:
- Gaya gravitasi bumi
- Massa jenis zat cair
- Kedalaman objek di dalam zat cair
- Tekanan Udara
Tekanan udara lebih sering dikenal sebagai tekanan atmosfer di kehidupan sehari-hari. Pada prinsipnya, terdapat kemiripan antara tekanan udara dan juga tekanan air. Tekanan air dipengaruhi oleh gaya gravitasi atau gaya tarik bumi terhadap air yang memiliki massa.
Apabila sebuah benda dimasukkan ke kedalaman air yang semakin dalam, maka volume air yang ada di atas benda tersebut pun semakin banyak. Selain itu gaya tarik bumi terhadap benda pun akan semakin besar yang menyebabkan tekanan yang dialami zat cair lebih kuat.
Sementara pada tekanan udara, apabila benda berada di puncak gunung yang jauh dari pusat gaya gravitasi maka memiliki tekanan udara lebih kecil. Selain itu, jumlah partikel udara juga lebih sedikit yang mengakibatkan tekanan udara mengecil.
Hal ini berbeda dengan tekanan udara di pantai yang jauh lebih kuat karena dekat dengan gaya tarik bumi. Selain itu partikel udara di pantai juga lebih padat sehingga tekanan lebih besar. Untuk mengukur besar tekanan udara dapat menggunakan alat yang disebut sebagai barometer.
Satuan pada tekanan udara yang biasa digunakan adalah milibar (mb) atau bar.
Rumus Tekanan
- Rumus Tekanan Umum
Tekanan merupakan gaya yang diberikan ke suatu bidang permukaan persatuan luasnya. Untuk menghitung besar tekanan yang diberikan oleh suatu benda ke permukaan benda lainnya, maka digunakan rumus berikut:
P = F/A
Keterangan:
P = Tekanan (Pascal atau Pa bisa juga menggunakan satuan N/m²)
A = Luas permukaan bidang yang memberi tekanan (m²)
F = Gaya tekanan oleh benda (N)
Patut diketahui bahwa rumus tekanan di atas adalah rumus dasar tekanan yang bisa digunakan untuk menghitung tekanan yang diberikan oleh benda padat ke permukaan benda padat lainnya. Pada persamaan di atas, gaya bekerja secara merata serta tegak lurus di permukaan.
- Rumus Tekanan Hidrostatis
Tekanan hidrostatis didapatkan oleh fluida statis dalam ruang terbuka yang mana pada lapisan zat cair teratas hanya mendapatkan tekanan dari udara atau atmosfer saja. Sehingga tekanan dari permukaan zat cair sama dengan tekanan udara atau atmosfer. Berikut persamaan tekanan hidrostatis:
Besar massa setara dengan hasil kali antara volume dan massa jenis dari zat tersebut:
m = ρ x V
Sehingga tekanan hidrostatis pada zat cair menjadi:
Diketahui bahwa volume adalah hasil kali dari tinggi (h) dengan luas alas (A). Sehingga formula matematika tekanan hidrostatis di atas bisa diubah menjadi seperti berikut ini:
Keterangan:
ρ = massa jenis zat cair (kg/m³)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)
h = kedalaman atau tinggi titik ukur dari permukaan (m)
A = Luas permukaan zat cair (m²)
Rumus di atas tidak bisa digunakan untuk menghitung tekanan udara pada ketinggian tertentu di muka bumi. Hal ini dikarenakan tekanan udara pada ketinggian tertentu juga sangat dipengaruhi oleh kerapatan udaranya. Kerapatan udara sendiri berbeda-beda di setiap tempat.
- Rumus Tekanan Udara
Tekanan udara di setiap ketinggian tempat selalu berbeda. Semakin tinggi suatu tempat maka tekanan udara di tempat tersebut semakin berkurang. Untuk menghitung tekanan udara berdasarkan ketinggiannya dari suatu tempat, bisa digunakan rumus berikut:
h = (760 – P) 10
Keterangan:
h = ketinggian di suatu tempat (m)
P = Tekanan udara di tempat tersebut (mmHg)
Contoh Soal Tekanan
Sebuah bejana memiliki luas penampang sebesar 20 cm². Di dalam bejana diisi air setinggi 30 cm sementara di bawahnya diisi raksa setinggi 20 cm. Diketahui massa jenis air sebesar 1 gram/cm³ dan massa jenis raksa 13,6 gram/cm³. Percepatan gravitasi di tempat tersebut 10 m/s². Tentukan:
a. Tekanan hidrostatis (Ph) di dasar bejana
b. Gaya hidrostatis di dalam bejana
Diketahui:
A = 20 cm² = 2 x 10ˉ³ m²
h1 = 20 cm = 0,2 m
h2 = 30 cm = 0,3 m
ρ1 = 13,6 gram/cm³ = 13.600 kg/m³
ρ2 = 1 gram/cm³ = 1000 kg/m³
Ditanya:
a) Ph
b) Fh
Jawab:
a. Ph = P1 + P2
Ph = ρ1 x h1 x g + ρ2 x h2 x g
Ph = 13.600 kg/m³ x 0,2 m x 10 m/s² + 1000 kg/m³ x 0,3 m x 10 m/s²
Ph = 27.200 Pa + 3000 Pa
Ph = 30.200 Pa
b. Fh = Ph x A
Fh = 30.200 Pa x 2 x 10ˉ³ m²
Fh = 60,4 N
Tekanan dibedakan berdasarkan jenis zat benda dan juga ruang tempat terjadinya tekanan tersebut. Secara umum rumusan tekanan dibagi menjadi tekanan benda padat dan tekanan fluida. Tekanan pada fluida statis zat cair dibagi menjadi dua yakni tekanan di ruang tertutup dan ruang terbuka.