Modul Pembelajaran Fisika Tekanan Hidrostatis

A. Pendahuluan

Pada pembahasan kali ini kita akan lebih memfokuskan tekanan pada zat cair yang tidak bergerak atau yang lebih dikenal dengan Tekanan Hidrostatis. Secara konseptual tekanan hidrostatis adalah tekanan yang berlaku pada fluida atas dasar Hukum Pascal.

Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang diberikan oleh gaya berat zat cair itu sendiri pada suatu luas bidang tekan. Dengan asumsi bahwa zat cair dalam bentuk lapisan-lapisan sesuai dengan tingkat kedalaman yang terukur dari permukaan zat cair. Maka tekanan hidrostatis zat cair adalah sama besar untuk setiap bagian zat cair yang memiliki kedalaman yang sama.

Diharapkan dengan pembelajaran ini siswa dapat melakukan penyelidikan tekanan hidrostatis (merumuskan hipotesis, identifikasi variabel dan definisi operasional variabel, melaksanakan eksperimen, menganalisis data, dan membuat kesimpulan), merakit percobaan tekanan hidrostatis dan Keterampilan social seperti bertanya, menyumbang ide, dan menjadi pendengar yang baik.

Siswa sebelum mempelajari materi ini diharapkan mengetahui peristiwa sederhana dari kehidupan sehari-hari yang berkaitan dengan materi ini. Agar dalam proses pembelajaran siswa dapat lebih mudah memahami materi.

B. Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari materi ini, diharapkan peserta didik dapat
· Menjelaskan pengertian tekanan hidrostatis,
· Menggunakan rumus tekanan hidrostatis,
· Menerapkan konsep fluida, tekanan hidrostatis dalam kehidupan sehari-hari.

D. Materi Pembelajaran

Tekanan

1. Tekanan Hidrostatis

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.

Kegiatan Penyelidikan
Maka pada sub bab ini kita akan mempelajari lebih dalam mengenai tekanan didalam suat zat cair atau di dalam fluida zat cair. Bersama temanmu buatlah sepasang lubang didekat dasar sebuah wadah berisi air dan perhatikan air yang memancar keluar dari kedua lubang akibat tekanan air. Sekarang jatuhkan wadah dari suatu ketinggian, apa yang terjadi dengan pancaran air selama wadah jatuh ? apayang akan terjadi jika wadah dipercepat ke atas? Catat hasilnya dan laporkan ke gurumu

Tujuan Penyelidikan
Memahami tentang tekanan hidrostatis melalui kegiatan sederhana

Media
Software Phet

Prosedur Percobaan
1. Amati apa yang dilakukan oleh gurumu !
2. Catat tekanan mula-mula yang terukur saat ketinggian permukaan air masih ½ !
3. Amati kembali apa yang dilakukan oleh gurumu!
4. Apa yang terjadi pada tekanan bila ditambahkan hingga penuh?
5. Lihat perubahan tekanan yang terukur saat ditambah air!
6. Catat dan masukkan kedalam tabel pengamatan!
7. Apa kesimpulan anda?

1.1. Tekanan hidrostatis

Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Semakin tinggi zat cair dalam wadah, makin berat zat cair itu, sehingga makin besar pula tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatis.

Suatu contoh, misalnya kita anggap zat cair terdiri dari beberapa lapis. Lapisan bawah ditekan oleh lapisan-lapisan di atasnya sehingga menderita tekanan yang lebih besar. Lapisan paling atas hanya ditekan oleh udara sehingga tekanan pada permukaan zat cair sama dengan tekanan atmosfer. Telah kita ketahui tekanan atmosfer = 1 atm ( 1,01×105 Pa).

a. Penurunan rumus tekanan hidrostatis
Bayangkan luas penampang persegi panjang ( luas yang diarsir), p×l, yang terletak pada kedalaman h dibawah permukaan zat cair (massa jenis =ρ) . volum permukaan zat cair didalam balok = p×l×h, sehingga massa zat cair didalam balok adalah

m= ρ×V
= ρ× ρ ×l ×h
Berat zat cair didalam balok ,
F = m×g

Tekanan zat cair disembarang titik pada luas bidang yang diarsir adalah

jadi, tekanan hidrostatis zat cair (Ph) dengan massa jenis ρ pada kedalaman h dirumuskan dengan

Tekanan Hidrostatis

Ph = ρ× g ×h

Catatan : Fluida (zat cair atau gas) selalu mengerjakan tekanan kesegala arah. Karena itu besaran tekanan tidak memiliki arah tertentu, sehingga tekanan termasuk besaran scalar. Berbeda dengan itu, gaya selalu memiliki arah etrtentu, sehingga gaya termasuk besaran vector

b. Tekanan Gauge (Tekanan Mutlak) pada suatu kedalaman zat cair
Tekanan gauge adalah selisih antara tekanan yang tidak diketahui dengan tekanan atmosfer (tekanan udara luar). Nilai tekanan yang di ukur oleh alat pengukur tekanan adalah tekanan gauge. Adapun tekanan sesungguhnya disebut tekanan mutlak.

Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer

P = P gauge + P atm

 

Sebagai contoh, sebuah ban yang mengandung udara dengan tekanan gauge 2 atm ( diukur oleh alat ukur) memiliki tekanan mutlak kira-kira 3 atm. Ini karena tekanan atmosfer pada permukaan laut kira-kira 1 atm.

Telah disebutkan sebelumnya bahwa sebelumnya bahwa pada lapisan atas zat cair bekerja tekanan atmosfer). Atmosfer adalah lapisan udara yang menyelimuti bumi. Pada tiap bagian atmosfer bekerja gaya tarik gravitasi. Makin kebawah, makin berat lapisan udara yang diatasnya. Oleh karena itu, makin rendah suatu tempat, makin tinggi tekanan atmosfernya. Dipermukaan air laut, tekanan atmosfer bernilai kira-kira 1 atm atau  1,01 ×10⁵ Pa. tekanan pada permukaan zat cair adalah tekanan atmosfer P_o.

Tekanan hidrostatis zat cair pada kedalaman h adalah  ρgh. Berapakah tekanan mutlak pada kedalaman h ?

Tekanan  hidrostatis zat cair ρgh dapat kita miripkan dengan tekanan gauge pada persamaaan  P = P gauge + P atm, dengan demikian tekanan mutlak pada kedalaman h dirumuskan dengan 

P=  P_{o +} ρgh

Catatan: Jika disebut tekanan pada suatu kedalaman tertentu, yang dimaksud adalah tekanan mutlak. Jika tidak diketahui dalam soal gunakan tekanan udara luar = 1 atm = 76 cmHg.

1.2. Hukum Pokok Hidrostatis

Apabila suatu wadah dilubangi di dua sisi yang berbeda dengan ketinggian yang sama dari dasar wadah, maka air akan memancar dari ke kedua lubang tersebut dengan jarak yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa pada kedalaman yang sama tekanan air sama besar. Disamping itu kita juga sudah mengetaahui bahwa tekanan hidrostatis di dalam suatu zat cair pada ke dalaman yang sama memiliki nilai yang sama. Berkaitan dengan hal tersebut, dalam fluida statik terdapat sebuah hukum yang menyatakan tekanan hidrostatis pada titik – titik di dalam zat cair yang disebut dengan Hukum Utama Hidrostatis.

Hukum Utama hidrostatis menyatakan bahwa : “Tekanan hidrostatis suatu zat cair hanya bergatung pada tinggi kolom zat cair (h), massa jenis zat cair (r) dan percepatan grafitasi (g), tidak bergantung pada bentuk dan ukuran bejana”, perhatikan gambar berikut :

Gambar : tiga buah bejana berbeda bentuk berisi zat cair yang sama dengan ketinggian yang sama memiliki tekanan hidrostatis yang sama besar pada tiap bejana.

Kelima bejana di atas di isi dengan air yang sama dengan ketinggian yang sama. Tekanan hidrostatis pada tiap dasar bejana sama besar, sedangkan berat zat cair pada tiap bejana berbeda.

E. Pengalaman Belajar

Penyajian masalah oleh guru dengan menampilkan gambar obyek-obyek dan gejala-gejala dimana di dalamnya terkandung konsep tekanan. Para siswa diminta untuk mengasosiasikan kata tekanan. Memilih 5 gambar dari 14 gambar yang ditampilkan guru, dimana mereka dapat mengidentifikasi konsep tekanan yang disertai penjelasan.

Guru menyajikan strategi pengubahan konsepsi yang dapat menuntun siswa menuju konsep ilmiah. Dalam kegiatan ini, para siswa juga diminta untuk mendiskusikan faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya tekanan pada zat padat, sampai mereka menemukan persamaan dan kemudian mampu menggunakannya dalam memecahkan soal-soal hitungan

Rangkuman

• Tekanan hidrostatis adalah tekanan dalam zat cair yang disebabkan oleh berat zat cair itu sendiri.

• Besarnya tekanan hidrostatis zat cair dipengaruhi beberapa faktor, yaitu kedalaman, massa jenis zat cair, dan percepatan gravitasi.

• Tekanan Hidrostatis
  P = massa jenis . g . h.
  Dimana h = kedalaman dari permukaan zat cair (m), massa jenis (kg/m3)

• Tekanan hidrostatis di setiap titik pada bidang datar di dalam zat cair sejenis yang berada dalam kesetimbangan adalah sama. Alat yang biasa digunakan untuk mengamati tekanan hidrostatis disebut hartl.

• Pascal menyatakan bahwa: Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dan sama besar.

• Hukum Pascal   :
  P₁        = P₂
  F1/a1 = F2/a2

• Hukum bejana berhubungan berbunyi: Bila bejana-bejana berhubungan diisi dengan zat cair yang sama dan berada dalam keadaan setimbang maka permukaan zat cair dalam bejanabejana terletak pada sebuah bidang datar.

• Bejana berhubungan
  P_A                                  = P_B
  massa jenis₁ . g. h₁ = massa jenis₂ . g. h₂
  massa jenis₁ . h₁      = massa jenis₂ . h₂

• Archimedes menyatakan bahwa jika sebuah benda di udara memiliki berat w maka ketika benda tersebut berada di air, ia akan mendapat gaya ke atas sebesar Fa .

• Berat benda dia air adalah
  w₁ = w – F_A,
  dimana w₁ = berat semu dalam air, w = berat di udara, dan F_A = gaya Archimedes. Atau w₁ = m . g –  . g. V

F. Sumber Belajar

Siswa dapat mempelajari materi ini melalui:

1. Buku Materi Pembelajaran
2. Softwere Fisika (Phet)
3. Internet (Situs-situs Fisika) seperti
http://www.file-edu.com/2011/11/soal-dan-jawaban-fluida-statis.html
http://fisikahappy.wordpress.com/2012/01/04/perangkat-pembelajaran-kooperatif-tipe-stad/
http://www.docstoc.com/docs/6014795/PElajaran-Tekanan-Fisikan
4. Hand Out Fluida Statis
5. LKS 1: Tekanan Hidrostatis