Fluida – Tekanan Hidrostatis

AhmadDahlan.NET – Meskipun tidak begitu dirasakan, namun udara di sekitar kita memiliki tekanan yang cukup besar ke semua benda yang di dalamnya termasuk tubuh manusia. Tekanan udara ini besarnya sebesar 1 atmosfer atau sekitar 760 mmHG.

A. Tekanan pada Fluida

Tekanan dapat didefenisikan sebagai besarnya gaya tegak lurus yang bekerja terhadap luas bidang sentuh dari gaya. Secara matematis dapat dituliskan :

P = \frac{F}{A}

dimana

P : Tekanan (N/m2)
F : Gaya (N)
A : Luas Permukaan (m2)

Tekanan adalah gaya non-Vektor atau hanya memiliki besar tanpa ada arahnya. Dalam sistem internasional, tekanan diberi satuan Pa singkatan dari Pascal yang diambil dari nama Blaise Pascal. 1 Pa didefenisikan sebagai 1 N/m². Namun satuan tekanan sangatlah banyak, terkadang tekanan akan dinyatakan dalam Torr, Bar, lb/in², mmHG dan sejenisnya. Hubungan antara satuan tekanan ini ditunjukkan pad atabel berikut :

Misalkan tekanan didefenisikan

P = \frac{F}{A}

Asumsikan gaya yang bekerja pada fluida adalah berat fluida itu sendiri maka maka F = w = m.g

P = \frac{mg}{A}

massa dimaksud adalah massa dari fluida yang menekan sehingga m = ρV = ρAh , maka persamaan ini bisa ditulis

P = \frac{\rho A hg}{A}

Dengan demikian tekanan hidrostatik dapat dinyatakan dalam bentuk :

P =\rho gh

dimana

P = Tekanan(Pa)
g = grafitasi (m/s2)
ρ = massa jenis (kg/m3)
h = kedalam (m)

Persamaan ini berlaku untuk fluida statis dimana besar tekanan adalah fungsi dari kedalaman, semakin dalam benda di dalam air maka semakin besar tekanan hidrostatik yang diterima.

Hal ini bisa dirasakan padasaat kita menyelam, dimana tekanan yang dialami telinga kita akan semakin besar seiring dengan semakin dalamnya kita menyelam.

Tekanan Pada Pipa U

Persamaan ini bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah tekanan pada fluida yang saling berhubungan, dimana tekanan yang dialami di dalam fluida dengan ketinggian akan selalu sama.

Misalkan ada sebuah pipa U yang diisi dengan dua cairan yang berbeda dna memiliki massa jenis berbeda.Dua carian tersebut tidak membentuk ikatan polar sehingga keduanya terpisah dengan batas yang jelas seperti yang ada pada gambar di bawah ini !

Perhatikan gara datar yang menjadi batas antara zat cair 1 dan zat cair 2. Pada posisi tersebut tekanan akan bernilai sama sehinga

P₀ + P₁ = P₀ + P₂

ρ₁ g h₁ = ρ₂ g h₂

ρ₁ h₁ = ρ₂ h₂

B. Tekanan Atmosfer

Udara yang ada di seluruh permukaan bumi atau di sebut atsmofer merupakan fluida. Fluida terdiri dari banyak jenis gas namun mayoritas berisi banyak NItrogen, sedikit oksigen dan gas-gas lain sekitar 1 %. Karena Udara Fluida yang sama dengan air, maka berada dalam udara juga akan mengalami gaya hidrostatis. Hanya saja gaya yang ada pada udara di sekitar sangatlah lemah sheingga tekanan yang dihasilkan tidak begitu terasa oleh tubuh kita, disamping tubuh manusia yang sudah beradaptasi dengan tekanan udara di tempat mereka beraktifitas.

Toricelli kemudian mengamati fenomena tersebut dan mencoba membuat standar pengukuran untuk nenetukan besar tekanan dari udara di atmosfer. Sebatang pipa kaca sepanjang satu meter kemudian di isi penuh raksa oleh Toricelli. Pipa ini kemudian ditutup dengan kaca dan dibalikkan secara cepat. Air raksa dalam tabung terus turun sampai akhirnya berhenti setelah mencapai 760 mm, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini !

Tekanan udara yang pada bagian atas di dalam tabung membuat air raksa turun yang semula 1 meter. Pada saat tekanan udara di dalam dan di luar tabung sama maka air raksa akan berhenti mengalir. Hasilnya ketinggian yang ditemukan Toricelli adalah 760 mm. Tekanan ini kemudian dijadikan standar untuk nilai dari 1 atm dan karena menggunakan air raksa maka tekanan ini dikenal dengan sebutan 760 mmHg, dimana Hg adalah Hydragyrum atau nama latin dari raksa.

Besar tekanan udara 1 atm ini kemudian dikonversi ke dalam sistem metrik

P = ρ g h
P = (13 600 kg/m3) (9,80 m/s2) (0,76 m) = 1,013 x 105 N/m2

Nilai tekanan ini, 1,013 x 10⁵ N/m² di setarakan dengan 1 atm.

Ketinggian dan tekanan Atmosfer

Sebagai mana yang kita ketahui bahwa medan gravitasi bumi berbanding terbalik dengan kudrat jari-jari bumi. Partikel-partikel udara yang ada di muka bumi akan menumpuk di bagian bawah samapi mencapai kepadatan jenuh. Kepadatan ini terus berkurang sebanding dengan naiknya ketinggian dari permukaan bumi, hasilnya tekanan udara pada daerah kurang pada akan semakin rendah. Dengan demikian tekanan udara di permukaan di atas gunung akan lebih rendah dari permukaan laut.

Tentu saja parameter gravitasi yang bekerja pada tekanan udara dipermukaan bumi bukanlah satu-satunya besaran fisika yang berpengaruh ke tekanan udara. Terdapat banyak faktor yang akan berpengaruh terhadap tekanan atmosfer suatu tempat sepeti suhu udara, kondisi lingkungan, jenis-jenis zat, kelembaban, aktifitas mayor manusia di daerah tersebut, namun pada umumnya ketinggian akan menjadi faktor paling besar menentukan tekanan udara di suatu daerah.

Soal Latihan

1. Jelaskan mengapa suhu udara di atas gunung bisa lebih rendah dibandingkan dengan dataran rendah?
2. Mengapa tekanan Hidrostatis di dalam air jauh lebih tinggi dibandingkan di udara?
3. Jika paru-paru manusia mampu menahan tekanan 85 mmHg, berapakah ke dalaman maksimun seseroang dapat berenang tanpa alat bantu?