RINGKASAN GAYA, TEKANAN DAN PESAWAT SEDERHANA

A. GAYA (F)

Gaya adalah sesuatu yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan perubahan bentuk suatu benda.

• Gaya dilambangkan dengan F.
• Satuan gaya adalah Newton atau dyne.
• 1 Newton = 1 kg m/s²
• 1 dyne = 1 gr cm/s²
• 1 Newton = 10⁵ dyne.

Rumus:

F = m * a

Keterangan:

• F = gaya (Newton atau dyne)
• m = massa (dalam kilogram atau gram)
• a = percepatan (m/s² atau cm/s²)

Contoh: Berat pada sebuah benda adalah 8 kg. Jika percepatan yang diberikan oleh benda tersebut adalah 5 m/s², berapakah gaya yang diberikan?

Penyelesaian F = m * a = 8 * 5 = 40Newton

a. Sejarah Gaya

Aristoteles dan pengikutnya meyakini bahwa keadaan alami objek di bumi tak bergerak dan bahwasannya objek-objek tersebut cenderung ke arah keadaan tersebut jika dibiarkan begitu saja. Aristoteles membedakan antara kecenderungan bawaan objek-objek untuk menemukan “tempat alami” mereka (misal benda berat jatuh), yang menuju “gerak alami”, dan tak alami atau gerak terpaksa, yang memerlukan penerapan kontinyu gaya. Namun teori ini meskipun berdasarkan pengalaman sehari-hari bagaimana objek bergerak (misal kuda dan pedati), memiliki kesulitan perhitungan yang menjengkelkan untuk proyektil, semisal penerbangan panah.

Beberapa teori telah dibahas selama berabad-abad, dan gagasan pertengahan akhir bahwa objek dalam gerak terpaksa membawa gaya dorong bawaan adalah pengaruh pekerjaan Galileo. Galileo melakukan eksperimen dimana batu dan peluru meriam keduanya digelindingkan pada suatu kecuraman untuk membuktikan kebalikan teori gerak Aristoteles pada awal abad 17. Galileo menunjukkan bahwa benda dipercepat oleh gravitasi yang mana tak gayut massanya dan berargumentasi bahwa objek mempertahankan kecepatan mereka jika tidak dipengaruhi oleh gaya - biasanya gesekan.

Isaac Newton dikenal sebagai pembantah secara tegas untuk pertama kalinya, bahwa secara umum, gaya konstan menyebabkan laju perubahan konstan (turunan waktu) dari momentum. Secara esensi, ia memberi definisi matematika pertama kali dan hanya definisi matematika dari kuantitas gaya itu sendiri - sebagai turunan waktu momentum: F = dp/dt.

Pada tahun 1784 Charles Coulomb menemukan hukum kuadrat terbalik interaksi antara muatan listrik menggunakan keseimbangan torsional, yang mana adalah gaya fundamental kedua.

Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah ditemukan pada abad ke 20. Dengan pengembangan teori medan kuantum dan relativitas umum, disadari bahwa “gaya” adalah konsep berlebihan yang muncul dari kekekalan momentum (momentum 4 dalam relativitas dan momentum partikel virtual dalam elektrodinamika kuantum). Dengan demikian sekarang ini dikenal gaya fundamental adalah lebih akurat disebut “interaksi fundamental”.

b. Jenis-jenis Gaya

Meskipun terdapat dengan jelas banyak tipe gaya di alam semesta, mereka seluruhnya berbasis pada empat gaya fundamental. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah hanya beraksi pada jarak yang sangat pendek dan bertanggung jawab untuk “mengikat” nukleon tertentu dan menyusun nuklir. Gaya elektromagnetik beraksi antara muatan listrik dan gaya gravitasi beraksi antara massa.

Prinsip perkecualian Pauli bertanggung jawab untuk kecenderungan atom untuk tak “bertumpang tindih” satu sama lain, dan adalah jadinya bertanggung jawab untuk “kekakuan” materi, namun hal ini juga bergantung pada gaya elektromagnetik yang mengikat isi-isi setiap atom. Seluruh gaya yang lain berbasiskan pada keempat gaya ini. Sebagai contoh, gesekan adalah perwujudan gaya elektromagnetik yang beraksi antara atom-atom dua permukaan, dan prinsip perkecualian Pauli, yang tidak memperkenankan atom-atom untuk menerobos satu sama lain.

Gaya-gaya dalam pegas dimodelkan oleh hukum Hooke adalah juga hasil gaya elektromagnetik dan prinsip perkecualian Pauli yang beraksi bersama-sama untuk mengembalikan objek ke posisi keseimbangan. Gaya sentrifugal adalah gaya percepatan yang muncul secara sederhana dari percepatan rotasi kerangka acuan.

Pandangan mekanika kuantum modern dari tiga gaya fundamental pertama (seluruhnya kecuali gravitasi) adalah bahwa partikel materi (fermion) tidak secara langsung berinteraksi dengan satu sama lain namun agaknya dengan mempertukarkan partikel virtual (boson). Hasil pertukaran ini adalah apa yang kita sebut interaksi elektromagnetik (gaya Coulomb adalah satu contoh interaksi elektromagnetik).

Dalam relativitas umum, gravitasi tidaklah dipandang sebagai gaya. Melainkan, objek yang bergerak secara bebas dalam medan gravitasi secara sederhana mengalami gerak inersia sepanjang garis lurus dalam ruang-waktu melengkung - didefinisikan sebagai lintasan ruang-waktu terpendek antara dua titik ruang-waktu. Garis lurus ini dalam ruang-waktu dipandang sebagai garis lengkung dalam ruang, dan disebut lintasan balistik objek. Sebagai contoh, bola basket yang dilempar dari landasan bergerak dalam bentuk parabola sebagaimana ia dalam medan gravitasi serba sama.

Lintasan ruang-waktunya (ketika dimensi ekstra ct ditambahkan) adalah hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan jari-jari kelengkungan berorde sedikit tahun cahaya). Turunan waktu perubahan momentum dari benda adalah apa yang kita labeli sebagai “gaya gravitasi”.

Contoh:

• Objek berat dalam keadaan jatuh bebas. Perubahan momentumnya sebagaimana dp/dt = mdv/dt = ma =mg (jika massa m konstan), jadi kita sebut kuantitas mg “gaya gravitasi” yang beraksi pada objek. Hal ini adalah definisi berat (W = mg) objek.

• Objek berat di atas meja ditarik ke bawah menuju lantai oleh gaya gravitasi (yakni beratnya). Pada waktu yang sama, meja menahan gaya ke bawah dengan gaya ke atas yang sama (disebut gaya normal), menghasilkan gaya netto nol, dan tak ada percepatan. (Jika objek adalah orang, ia sesungguhnya merasa aksi gaya normal terhadapnya dari bawah.)
• Objek berat di atas meja dengan lembut didorong dalam arah menyamping oleh jari-jari.
• Akan tetapi, ia tidak pindah karena gaya dari jari-jari tangan pada objek sekarang dilawan oleh gaya baru gesekan statis, dibangkitkan antara objek dan permukaan meja.
• Gaya baru terbangkitkan ini secara pasti menyeimbangkan gaya yang dikerahkan pada objek oleh jari, dan lagi tak ada percepatan yang terjadi.
• Gesekan statis meningkat atau menurun secara otomatis. Jika gaya dari jari-jari dinaikkan (hingga suatu titik), gaya samping yang berlawanan dari gesekan statis meningkat secara pasti menuju titik dari posisi sempurna.
• Objek berat di atas meja didorong dengan jari cukup keras sehingga gesekan statis tak dapat membangkitkan gaya yang cukup untuk menandingi gaya yang dikerahkan oleh jari, dan objek mulai terdorong melintasi permukaan meja. Jika jari dipindah dengan kecepatan konstan, ini perlu untuk menerapkan gaya yang secara pasti membatalkan gaya gesek kinetik dari permukaan meja dan kemudian objek berpindah dengan kecepatan konstan yang sama. Kecepatan adalah konstan hanya karena gaya dari jari dan gesekan kinetik saling menghilangkan satu sama lain. Tanpa gesekan, objek terus-menerus bergerak dipercepat sebagai respon terhadap gaya konstan.
• Objek berat mencapai tepi meja dan jatuh. Sekarang objek, yang dikenai gaya konstan dari beratnya, namun dibebaskan dari gaya normal dan gaya gesek dari meja, memperoleh dalam kecepatannya dalam arah sebanding dengan waktu jatuh, dan jadinya (sebelum ia mencapai kecepatan dimana gaya tahanan udara menjadi signifikan dibandingkan dengan gaya gravitasi) laju perolehan momentum dan kecepatannya adalah konstan. Fakta ini pertama kali ditemukan oleh Galileo.
• Objek berat suspended pada timbangan. Karena objek tidak bergerak (sehingga turunan waktu dari momentumnya adalah nol) maka selama percepatan jatuh bebas g ia harus mengalami percepatan yang diarahkan sama dan berlawanan a = -g dikarenakan aksi pegas.
• Percepatan ini dikalikan dengan massa objek adalah apa yang kita labeli sebagai “gaya reaksi pegas” yang mana secara nyata sama dan berlawanan dengan berat objek mg.
• Mengetahui massa (katakanlah, 1 kg) dan percepatan jatuh bebas (katakanlah, 9,8 meter/detik2) kita dapat menentukan timbangan dengan tanda “9,8 N”. Pasang beragam massa (2 kg, 3 kg, …) kita dapat mengkalibrasi timbangan dan kemudian menggunakan skala tertentu ini untuk mengukur banyak gaya yang lain (gesek, gaya reaksi, gaya listrik, gaya magnetik, dst).

c. Definisi Kuantitatif

Kita memiliki pemahaman intuitif ide gaya, karena gaya dapat secara langsung dirasakan sebagai dorongan atau tarikan. Sebagaimana dengan konsep fisika yang lain (misal temperatur), ide intuitif dikuantifikasi menggunakan definisi operasional yang konsisten dengan persepsi langsung, namun lebih presisi.

Secara historis, gaya pertama kali secara kuantitatif diselidiki dalam keadaan keseimbangan statis dimana beberapa gaya membatalkan satu sama lain. Eksperimen demikian membuktikan sifat-sifat yang rumit bahwa gaya adalah kuantitas vektor aditif: mereka memiliki besar dan arah. Sehingga, ketika dua gaya berkasi pada suatu objek, gaya hasil, resultan, adalah penjumlahan vektor gaya asal. Hal ini disebut prinsip superposisi. Besar resultante bervariasi dari perbedaan besar dua gaya terhadap penjumlahan mereka, gayut sudut antara garis-garis aksi mereka.

Sebagaimana dengan seluruh penambahan vektor hasil-hasil ini dalam aturan jajaran genjang: penambahan dua vektor yang diwakili oleh sisi-sisi jajaran genjang, memberi vektor resultan ekivalen yang sama dalam besar dan arah terhadap transversal jajaran genjang.

Sebagaimana dapat ditambahkan, gaya juga dapat diuraikan (atau dipecah). Sebagai contoh, gaya horisontal menunjuk timur laut dapat dipecah menjadi dua gaya, satu menunjuk ke utara dan satu menunjuk timur. Jumlahkan komponen-komponen gaya ini menggunakan penambahan vektor menghasilkan gaya asal. Vektor-vektor gaya dapat juga menjadi tiga dimensi, dengan komponen ketiga (vertikal) pada penjuru sudut terhadap dua komponen horisontal.

Kasus paling sederhana dari keseimbangan statis adalah ketika dua gaya adalah sama dalam besar namun berlawanan arah. Ini menyisakan cara yang paling biasa dari pengukuran gaya, menggunakan peralatan sederhana semisal timbangan berat dan neraca pegas.

Menggunakan peralatan demikian, beberapa hukum gaya kuantitatif ditemukan: gaya gravitasi sebanding dengan volume objek yang terdiri dari material (secara luas dimanfaatkan saat ini untuk mendefinisikan standar berat); prinsip Archimedes untuk gaya apung; analisis Archimedes dari pengungkit; hukum Boyle untuk tekanan gas; dan hukum Hooke untuk pegas: seluruhnya diformulasikan dan secara eksperimental dibuktikan sebelum Isaac Newton menguraikan secara rinci tiga hukum geraknya.

Gaya terkadang didefinisikan menggunakan hukum kedua Newton, sebagai perkalian massa m kali percepatan atau lebih umum, sebagai laju perubahan momentum. Pendekatan ini diabaikan oleh sejumlah besar buku teks.

Dengan pertimbangan yang lebih, hukum kedua Newton dapat diambil sebagai definisi kuantitatif massa; secara pasti dengan menuliskan hukum sebagai persamaan, satuan relatif gaya dan massa ditetapkan.

Sukses empirik yang diberikan hukum Newton, hal itu terkadang digunakan untuk mengukur kuat gaya (sebagai contoh, menggunakan orbit astronomi untuk menentukan gaya gravitasi).

d. Gaya dalam Relativitas Khusus

Dalam teori relativitas khusus, massa dan energi adalah sama (sebagaimana dapat dilihat dengan menghitung kerja yang diperlukan untuk mempercepat benda). Ketika kecepatan suatu objek meningkat demikian juga energinya dan oleh karenanya ekivalensi massanya (inersia). Hal ini memerlukan gaya yang lebih besar untuk mempercepat benda sejumlah yang sama daripada itu lakukan pada kecepatan yang lebih rendah. Definisi masih valid.

e. Gaya dan Potensial

Disamping gaya, konsep yang sama secara matematis dari medan energi potensial dapat digunakan untuk kesesuaian. Sebagai contoh, gaya gravitasi yang beraksi pada suatu benda dapat dipandang sebagai aksi medan gravitasi yang hadir pada lokasi benda. Pernyataan ulang secara matematis definisi energi (melalui definisi kerja), medan skalar potensial didefinisikan sebagai medan yang mana gradien adalah sama dan berlawanan dengan gaya yang dihasilkan pada setiap setiap titik. Gaya dapat diklasifikasi sebagai konservatif atau non konservatif. Gaya konservatif sama dengan gradien potensial.

- Gaya konservatif:

Gaya yang beraksi pada sistem tertutup memiliki sebuah kerja mekanis terkait yang memperkenankan energi untuk mengubah hanya antara bentuk kinetik atau potensial. Hal ini berarti bahwa untuk sistem tertutup, energi mekanis netto adalah kekal kapan pun gaya konservatif beraksi pada sistem.

Gaya konservatif meliputi gravitasi, gaya elektromagnetik, dan gaya pegas. Tiap-tiap gaya ini, oleh karena itu, memiliki model yang gayut pada posisi seringkali diberikan sebagai vektor radial eminating dari potensial simetri bola.

- Gaya non konservatif

Untuk skenario fisis tertentu, adalah tak mungkin untuk memodelkan gaya sebagaimana dikarenakan gradien potensial. Hal ini seringkali dikarenakan tinjauan makrofisis yang mana menghasilkan gaya sebagai kemunculan dari rata-rata statistik makroskopik dari keadaan mikro. Sebagai contoh, friksi disebabkan oleh gradien banyak potensial elektrostatik antara atom-atom, namun mewujud sebagai model gaya yang tak gayut sembarang vektor posisi skala makro.

Gaya non konservatif selain friksi meliputi gaya kontak yang lain, tegangan, tekanan, dan seretan (drag). Akan tetapi, untuk sembarang deskripsi detil yang cukup, seluruh gaya ini adalah hasil gaya konservatif karena tiap-tiap gaya makroskopis ini adalah hasil netto gradien potensial mikroskopis.

Hubungan antara gaya non konservatif makroskopis dan gaya konservatif mikroskopis dideskripsikan oleh perlakuan detil dengan mekanika statistik. Dalam sistem tertutup makroskopis, gaya non konservatif beraksi untuk mengubah energi internal sistem dan seringkali dikaitkan dengan transfer panas.

Menurut Hukum Kedua Termodinamika, gaya non konservatif hasil yang diperlukan dalam transformasi energi dalam sistem tertutup dari kondisi terurut menuju kondisi lebih acak sebagaimana entropi meningkat.

Satuan Ukuran

Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah newton (simbol N), yang mana adalah ekivalen dengan kg.m.s-2. Satuan CGS lebih awal adalah dyne. Hubungan F = m.a dapat digunakan dengan yang mana pun.

Di dalam ilmu fisika, gaya atau kakas adalah apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan.^[1]. Gaya memiliki besar dan arah, sehingga merupakan besaran vektor. Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah Newton (dilambangkan dengan N). Berdasarkan Hukum kedua Newton, sebuah benda dengan massa konstan akan dipercepat sebanding dengan gaya netto yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya.

Penjelasan lain yang mirip, gaya netto yang bekerja pada sebuah benda adalah sebanding dengan laju perubahan momentum yang dialaminya.^[2]

Gaya bukanlah sesuatu yang pokok dalam ilmu fisika, meskipun ada kecenderungan untuk memperkenalkan ilmu fisika lewat konsep ini. Yang lebih pokok ialah momentum, energi dan tekanan. Sebenarnya, tak seorang pun dapat mengukur gaya secara langsung. Tetapi, kalau sesuatu mengatakan seseorang mengukur gaya, sedikit berpikir akan membuat seseorang menyadari bahwa apa yang diukur sebenarnya adalah tekanan (atau mungkin kemiringannya). "Gaya" yang Anda rasakan saat meraba kulit anda, misalnya, sebenarnya adalah sel syaraf tekanan Anda yang mendapat perubahan tekanan. Ukuran neraca pegas mengukur ketegangan pegas, yang sebenarnya adalah tekanannya, dll.

Dalam bahasa sehari-hari gaya dikaitkan dengan dorongan atau tarikan, mungkin dikerahkan oleh otot-otot kita. Di fisika, kita memerlukan definisi yang lebih presisi. Kita mendefinisikan gaya di sini dalam hubungannya dengan percepatan yang dialami benda standar yang diberikan ketika ditempatkan di lingkungan sesuai. Sebagai benda standar kita menggunakan (atau agaknya membayangkan bahwa kita menggunakannya!) silinder platinum yang disimpan di International Bureau of Weights and Measures dekat Paris dan disebut kilogram standar.

Di fisika, gaya adalah aksi atau agen yang menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepat. Hal ini mungkin dialami sebagai angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding dengan penjumlahan vektor seluruh gaya yang beraksi padanya (dikenal sebagai gaya netto atau gaya resultan).

Dalam benda yang diperluas, gaya mungkin juga menyebabkan rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda. Efek rotasi ditentukan oleh torka, sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stres yang diciptakan oleh gaya. Gaya netto secara matematis sama dengan laju perubahan momentum benda dimana gaya beraksi. Karena momentum adalah kuantitas vektor (memiliki besar dan arah), gaya adalah juga kuantitas vektor.

Konsep gaya telah membentuk bagian dari statika dan dinamika sejak zaman kuno. Kontribusi kuno terhadap statika berpuncak dalam pekerjaan Archimedes di abad ke tiga sebelum Masehi, yang masih membentuk bagian fisika modern. Sebaliknya, dinamika Aristoteles disatukan kesalahpahaman intuisi peranan gaya yang akhirnya dikoreksi dalam abad ke 17, berpuncak dalam pekerjaan Isaac Newton.

Menurut perkembangan mekanika kuantum, sekarang dipahami bahwa partikel saling mempengaruhi satu sama lain melalui interaksi fundamental, menjadikan gaya sebagai konsep yang berguna hanya pada konsep makroskopik. Hanya empat interaksi fundamental yang dikenal: kuat, elektromagnetik, lemah (digabung menjadi satu interaksi elektrolemah pada tahun 1970-an), dan gravitasi (dalam urutan penurunan kuat interaksi).

B. TEKANAN

Tekanan (p) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Setiap gaya yang bekerja pada permukaan suatu benda akan memberikan tekanan. Begitu juga jika gaya bekerja pada sebuah bidang, gaya tersebut akan memberikan tekanan. Selain pada zat padat, gaya juga menimbulkan tekanan pada fluida., seperti zat cair dan gas. Tekanan yang ditimbulkan pada setiap wujud zat berbeda-beda. Hal ini dipengaruhi oleh besarnya gaya dan luas bidang, tempat gaya bekerja.

Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.

Rumus dari tekanan dapat juga digunakan untuk menerangkan mengapa pisau yang diasah dan permukaannya menipis menjadi tajam. Semakin kecil luas permukaan, dengan gaya yang sama akan dapatkan tekanan yang lebih tinggi.

Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas.

Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.

Rumus dari tekanan dapat juga digunakan untuk menerangkan mengapa pisau yang diasah dan permukaannya menipis menjadi tajam. Semakin kecil luas permukaan, dengan gaya yang sama akan dapatkan tekanan yang lebih tinggi. Tekanan udara dapat diukur dengan menggunakan barometer.

Tekanan Hidrostatis

Adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan. Tekanan sebuah cairan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut. Dirumuskan :

P = ρgh

dimana ρ adalah masa jenis cairan, g (10 m/s²) adalah gravitasi, dan h adalah kedalaman cairan.

Tekanan Udara

Atmosfer adalah lapisan yang melindungi bumi. Lapisan ini meluas hingga 1000 km ke atas bumi dan memiliki massa 4.5 x 10¹⁸ kg. Massa atmosfir yang menekan permukaan inilah yang disebut dengan tekanan atmosferik. Tekanan atmosferik di permukaan laut adalah 76 cmHg.

1. Tekanan Pada Zat Padat

Jika gaya bekerja pada sebuah bidang yang luas, tekanan yang ditimbulkan akan lebih kecil. Sebaliknya, jika gaya bekerja pada bidang yang sempit tekanan yang ditimbulkannya akan lebih besar. Balok kayu dan balok besi dengan posisi tegak menghasilkan bekas yang lebih dalam dibandingkan dengan posisi mendatar. Dalam hal ini balok dengan posisi tegak menunjukkan luas bidang permukaan yang lebih kecil dari pada posisi mendatar. Jadi dapat dikatakan bahwa tekanan berbanding terbalik dengan luas bidang permukaan atau dapat ditulis menjadi :

P χ 1 / A

Balok besi, baik dengan posisi tegak maupun mendatar menghasilkan bekas yang lebih dalam dari pada balok kayu. Dalam hal ini, balok besi menunjukkan berat (gaya) yang lebih besar dari pada kayu. Jadi dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya yang bekerja pada benda itu dan dapat ditulis menjadi :

P χ F

Hubungan antara tekanan dengan gaya dan luas bidang dirumuskan dengan persamaan :

P = F / A

keterangan :

p = tekanan (N/m2)

F = gaya (N)

A = luas bidang (m2 )

2. Tekanan Pada Zat Cair

Kita menemukan bahwa air dan minyak menghasilkan zat cair yang berbeda jauhnya. Dengan demikian, massa jenis zat cair berpengaruh juga terhadap besar kecilnya tekanan. Persamaannya dapat ditulis sebagai berikut :

p = p . g . h

keterangan :

p = tekanan (N/m2) ρ = massa jenis (kg/m3) g = percepatan gravitasi (N/kg) h = kedalaman (m)

a. Hukum Pascal

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan kesegala arah dan sama besar. Air menyembur dari setiap lubang kantong plastik dengan jarak yang sama. Semakin kuat kantong plastik ditekan, semakin cepat semburan airnya begitu sebaliknya. Dengan demikian kita dapat menyimpulkan bahwa tekanan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.

Beberapa alat yang bekerja berdasarkan hukum Pascal adalah dongkrak hidrolik, rem hidrolik dan alat pengangkat mobil.

b. Bejana Berhubungan

Bejana berhubungan adalah rangkaian beberapa bejana yang bagian atasnya terbuka dan bagian bawahnya dihubungkan satu sama lain. Jika ke dalam bejana itu diisi air maka akan terlihat bahwa permukaan air dalam bejana yang diam selalu terletak pada bidang datar. Begitu pula bila bejana dimiringkan, permukaan airnya akan tetap dalam satu bidang datar. Prinsip kerja bejana berhubungan dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa penerapannya dapat ditemui pada cerek atau teko, permukaan air dalam mulut teko sama tinggi dengan permukaan air pada bagian bawah tutup teko, tangki air, waterpass atau sifat datar dari selang air yang digunakan oleh tukang bangunan.

Hukum bejana berhubungan tidak berlaku untuk zat cair yang tidak sejenis,misalnya diisi air dan air raksa. Hubungan antara tinggi kedua jenis zat cair itu dapat dituliskan :

p1 = p2

ρ1 . g . h1 = ρ2 . g . h2

ρ1. h1 = ρ. h2

c. Hukum Archimedes

Hukum Archimedes menyatakan sebagai berikut, Sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkannya.

Besarnya gaya ke atas menurut Hukum Archimedes ditulis dalam persamaan :

Fa = ρ v g

keterangan :

Fa = gaya ke atas (N)

V = volume benda yang tercelup (m3)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (N/kg)

Berdasarkan Hukum Archimedes, sebuah benda yang tercelup ke dalam zat cair akan mengalami dua gaya, yaitu gaya gravitasi atau gaya berat (W) dan gaya ke atas (Fa) dari zat cair itu. Dalam hal ini ada tiga peristiwa yang berkaitan dengan besarnya kedua gaya tersebut yaitu seperti berikut.

• Tenggelam

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa).

w > Fa

ρb X Vb X g > ρa X Va X g

ρb > ρa

• Melayang

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w) sama dengan gaya ke atas (Fa).

w = Fa

ρb X Vb X g = ρa X Va X g

ρb = ρa

• Terapung

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).

w = Fa

ρb X Vb X g = ρa X Va X g

ρb < ρa

Beberapa alat yang bekerja berdasarkan Hukum Archimedes adalah hidrometer, kapal selam dan balon udara.

3. Tekanan Pada Zat Gas

Atmosfer adalah lapisan udara yang menyelubungi bumi. Pada lapisan inilah manusia dapat hidup. Selain zat cair, atmosfer pun mengadakan tekanan terhadap sekitarnya. Tekanan ini sebagai akibat adanya gaya gravitasi yang bekerja pada setiap bagian atmosfer.

Massa jenis udara ini sangat kecil jika dibandingkan dengan massa jenis zat padat atau zat cair. Massa jenis udara berkurang pada ketinggian yang berbeda. Oleh sebab itu persamaan tekanan P = ρ g h tidak berlaku pada tekanan atmosfer atau tekanan pada gas.

a. Percobaan Torricelli

Tekanan Atmosfer pertama kali diukur oleh seorang ahli fisika Italia bernama Torricelli. Menurut Torricelli, tekanan yang menahan raksa dalam tabung kaca setinggi 76 cm atau tekanan udara luar (atmosfer) sama dengan 76 cm Hg. Dalam percobaannya, Torricelli menggunakan pipa kaca sempit berdinding tebal yang panjangnya kira-kira 1 meter dan salah satu ujungnya tertutup. Alat tersebut lebih dikenal dengan sebagai alat Torricceli. Selain menemukan kesetaraan satuan tekanan raksa dengann tekanan atmosfer, Torricceli juga menemukan hubungan antara ketinggian tempat dengan tekanan udaranya. Menurut Torricelli, tekanan udara di permukaan laut lebih besar daripada tekanan di tempat yang tinggi, misalnya pegunungan. Semakin tinggi tempat pengukuran, semakin rendah tekanan udaranya karena semakin dekat ke permukaan lapisan. Hal ini sama dengan zat cair bahwa semakin dekat ke permukaan air, semakin kecil tekanan hidrostatisnya.

Tekanan udara luar (atmosfer) = 1 atm = 76 cmHg =76 cm air raksa. Dalam SI ditulis ρ raksa = 13.000 kg/m3, g = 9,8 N/kg dan h raksa = 76cm = 0.76m. Persamaan tekanan raksa adalah p

= ρ raksa X g X h raksa

= 13.600 X 9.8 X 0.76

= 101.292,8 N/m2

Jadi tekanan raksa adalah 101.292,8 N/m2.

Satuan tekanan yang lain nilainya dapat didekatkan menjadi sebagai berikut.

1 bar = 100.000 N/m2 = 100.000 Pascal (Pa)

Jadi 1 bar = 1000.000 N/m2 = 100.000 Pa.

b. Gas Dalam Ruang Tertutup.

Sebuah balon ditiup dan diikat sehingga bentuk balon yang kempis berubah menjadi bulat. Demikian pula, jika balon yang bulat ditekan maka balon yang ditekan akan kempis dan bagian balon yang lain akan menggelembung dan membesar. Selain itu, kita juga akan merasakan adanya tekanan udara dari dalam balon itu. Berdasarkan contoh itu, kita dapat mengatakan bahwa udara di dalam balon itu menekan ke segala arah. Udara dalam ruang tertutup mengadakan tekanan pada dinding ruang itu. Untuk megukur tekanan gas dalam ruang tertutup, kita dapat meggunakan Manometer. Manometer ada dua jenis yaitu manometer zat cair terbuka dan manometer logam.

Manometer zat cair terbuka atau menometer terbuka terdiri dari sebuah pipa berbentuk U berisi zat cair. Manometer diisi zat cair dan salah satunya dihubungkan dengan kran gas. Jika raksa pada kaki yang lain naik dan perbedaan tinggi raksa sebesar h cm, sedangkan tekanan udar luar sebesar B cm hg, tekanan gas dalam ruang tertutup adalah:

P gas = (h +B) cm Hg, sedangkan ρ air = 1/13.6 ρ raksa jadi tekanan dalam ruang tertutup adalah : P gas = ( h / 13.6 + B ) cmHg.

Manometer logam adalah alat untuk mengukur tekanan udara yang besar. Manometer logam terdiri dari pipa logam yang dibengkokkan.

Salah satu jenis manometer logam adalah manometer Bourdon. Alat ini banyak digunakan dalam industri untuk mengukur tekanan udara dalam tabung gas atau tangki uap.

c. Hukum Boyle

Hubungan antara tekanan gas dalam ruang tertutup dan volume pertama kali ditemukan oleh Robert Boyle. Menurut Boyle, semakin besar tekanan, volume udara semakin kecil. Hasil kali tekanan dan volume selalu tetap.

Persamaannya :

P X V = C atau p1 X V1 = p2 X V2

keterangan :

p1 = tekanan gas mula-mula (N/m2)

p2 = tekanan gas akhir (N/m2)

v1 = volume gas mula-mula (m3)

v2 = volume gas akhir (m3).

Beberapa alat yang menggunakan Hukum Boyle adalah pompa air dan pompa sepeda.

Pompa Air

Prinsip kerja pompa air adalah sebagai berikut. Jika pengisap ditarik ke atas, klep K1 terbuka dan klep K2 tertutup. Udara dari pipa masuk ke dalam tabung pompa melalui klep K1 sehingga volume udara diperbesar dan tekanan udara di dalam pompa diperkecil. Akibatnya air naik ke dalam pipa. Jika pengisap digerakkan terus menerus, air akan naik mengisi tabung pompa dan terus dinaikkan oleh pengisap sehingga keluar melalui pipa kecil. Air yang sudah berada di atas pengisap tidak turun lagi karena klep K2 menutup.

Pompa Sepeda

Pada saat pompa digunakan, bagian saluran udara pada pompa harus menempel pada katup atau pentil yang terbuat dari karet. Prinsip kerjanya, jika pengisap ditekan maka tekanan udara yang besar di dalam pompa akan menerobos pentil dan masuk ke dalam ban.

Aplikasi Tekanan

Tekanan diaplikasikan dalam beberapa hal dalam kehidupan, diantaranya:

• Pengukuran tekanan darah
• Pompa Hidrolik yang biasanya dipakai di bengkel-bengkel

C. PESAWAT SEDERHANA

Dalam fisika, pesawat sederhana adalah segala jenis perangkat yang hanya membutuhkan satu gaya untuk bekerja. Kerja terjadi sewaktu gaya diberikan dan menyebabkan gerakan sepanjang suatu jarak tertentu. Kerja yang timbul adalah hasil gaya dan jarak. Jumlah kerja yang dibutuhkan untuk mencapai sesuatu bersifat konstan, walaupun demikian jumlah gaya yang dibutuhkan untuk mencapai hal ini dapat dikurangi dengan menerapkan gaya yang lebih sedikit terhadap jarak yang lebih jauh. Dengan kata lain, peningkatan jarak akan mengurangi gaya yang dibutuhkan. Rasio antara keduanya disebut keuntungan mekanik.

Secara tradisional, pesawat sederhana terdiri dari:

Bidang miring adalah suatu permukaan datar yang memiliki suatu sudut, yang bukan sudut tegak lurus, terhadap permukaan horizontal. Penerapan bidang miring dapat mengatasi hambatan besar dengan menerapkan gaya yang relatif lebih kecil melalui jarak yang lebih jauh, dari pada jika beban itu diangkat vertikal. Dalam istilah teknik sipil, kemiringan (rasio tinggi dan jarak) sering disebut dengan gradien. Bidang miring adalah salah satu pesawat sederhana yang umum dikenal.

Dapat dirumuskan:

Kuasa(F) = beban(W)/jarak(s)

Jadi: Keuntungan mekanis

Beban(W)/kuasa(F) = jarak perpindahan(s)/ketinggian(h)

Tuas (lever,dalam Bahasa Inggris) atau pengungkit adalah salah satu pesawat sederhana yang digunakan untuk mengubah efek atau hasil dari suatu gaya. Hal ini dimungkinkan terjadi dengan adanya sebuah batang ungkit dengan titik tumpu (fulcrum), titik gaya (force), dan titik beban (load) yang divariasikan letaknya. Contoh penggunaan prinsip pengungkit adalah gunting dan linggis. Pada awalnya tulisan mengenai tuas (pengungkit) ada sejak abad ke-3 SM dan dicetuskan oleh Archimedes. “Beri aku tempat untuk berdiri, dan aku akan menggerakkan bumi” adalah catatan dari Archimedes yang secara resmi menyatakan kebenaran prinsip matematika dari tuas (dikutip oleh Pappus of Alexandria). Di zaman Mesir kuno, para tukang bangunan menggunakan tuas untuk memindahkan dan mengangkat obelisk-obelisk.

Rumus :

Berat beban(w)/gaya(F) = lengan beban(Lb)/lengan kuasa(Lk)

Berdasarkan pada letak titik gaya, titik beban, titik tumpu, tuas dibedakan menjadi :

1. Tuas jenis pertama, cirinya: titik tumpu terletak diantara titik gaya (kuasa) dan titik beban. Contoh: gunting dan tang.

2. Tuas jenis kedua, cirinya: titik beban terletak diantara titik gaya(kuasa) dan titik tumpu. Contohnya: pembuka tutup botol.

3. Tuas jenis ketiga, cirinya: titik gaya(kuasa) terletak diantara titik tumpu dan titik beban. Contoh: pinset, alat pancing

Katrol adalah suatu roda dengan bagian berongga di sepanjang sisinya untuk tempat tali atau kabel. Katrol biasanya digunakan dalam suatu rangkaian yang dirancang untuk mengurangi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat suatu beban. Walaupun demikian, jumlah usaha yang dilakukan untuk membuat beban tersebut mencapai tinggi yang sama adalah sama dengan yang diperlukan tanpa menggunakan katrol.

Besarnya gaya memang dikurangi, tapi gaya tersebut harus bekerja atas jarak yang lebih jauh. Usaha yang diperlukan untuk mengangkat suatu beban secara kasar sama dengan berat beban dibagi jumlah roda. Semakin banyak roda yang ada, sistem semakin tidak efisien karena akan timbul lebih banyak gesekan antara tali dan roa. Katrol adalah salah satu dari enam jenis pesawat sederhana.

Tidak ditemukan catatan mengenai kapan dan oleh siapa katrol pertama kali dikembangkan, tapi kemugkinan besar berasal dari Eurasia. Bagian dasar pembentuk sistem katrol, roda, ditemukan beberapa waktu setelah penemuan di di Eurasia pada masyarakat di belahan barat, Afrika sub-Sahara, dan Australia. Dipercayai juga bahwa Archimedes mengembangkan rangkaian sistem katrol pertama, sebagai mana dicatat oleh Plutarch.

f. Katrol tunggal tetap, keuntungannya sama dengan satu.

Ex: katrol pada alat penimba air

Rumus: keuntungan mekanis :

w/f=lengan beban(ab)/lengan kuasa(ac)=1

b. Katrol tunggal bergerak

c. Katrol takal (katrol majemuk yang terdiri atas katrol-katrol tetap dan katrol-katrol bergerak. Keuntungan mekanik tergantung jumlah katrol dan tali yang menanggung beban. )

Gigi roda merupakan contoh pesawat sederhana yang banyak digunakan pada mesin mesin mobil, sepeda motor dan sepeda