Tekanan Zat Padat, Cair & Gas serta Penerapannya dalam Kehidupan

Tekanan adalah besarnya gaya yang bekerja pada luas permukaan bidang. Contohnya, saat kita memberikan dorongan (Gaya) pada permukaan suatu benda, maka akan terjadi tekanan. Oleh karena itu, tekanan sangat dipengaruhi oleh kekuatan dorongan (Gaya), luas permukaan yang tertekan, dan zat yang bersangkutan dengan tekanan.

Mengapa kita mempelajari tekanan zat? Karena banyak teknologi yang memanfaatkan tekanan zat dan telah berhasil banyak membantu kehidupan manusia di segala bidang. Bahkan organ manusia sendiri pun banyak memanipulasi tekanan zat. Seperti pada tekanan darah, pengangkutan nutrisi, dan proses pernapasan.

Tekanan dapat terjadi dalam zat padat, cair, dan gas. Masing-masing tekanan dalam setiap zat memiliki karakteristiknya sendiri. Karakter yang dimaksud itu seperti apa? Berikut adalah penjelasan dan pemaparan materi tekanan zat dimulai dari tekanan zat padat.

Tekanan Zat Padat

Tekanan zat padat berbanding lurus dengan besar Gaya. Artinya, semakin besar Gaya (dorongan) yang diberikan, semakin besar juga tekanan yang dihasilkan. Sebaliknya, tekanan berbanding terbalik dengan Luas Bidang tekan. Maksudnya, semakin besar luas bidang tekan suatu benda maka semakin kecil tekanan yang dihasilkan.

Itulah sebabnya mengapa atraksi sulap duduk di atas bangku yang memiliki banyak paku dapat dilakukan. Karena permukaan pakunya sangat luas, sehingga tekanannya lemah. Akibatnya paku tidak menancap ke bagian tubuh pesulapnya. Hal tersebut tentunya berbeda jika paku hanya menyelubungi sebagian kecil permukaan tubuh, apalagi hanya satu buah. Paku tersebut akan menembus tubuh karena tekanannya sangat kuat.

Rumus Tekanan Zat Padat

Konsep tekanan sama dengan penyebaran gaya pada luas suatu permukaan. Sehingga, apabila gaya yang diberikan pada suatu benda (F) semakin besar, maka tekanan yang dihasilkan akan semakin besar. Sebaliknya, semakin luas permukaan suatu benda, tekanan yang dihasilkan semakin kecil.

Secara matematis, besaran tekanan dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.

Tekanan Zat Cair

Ketika kita menyelam di dalam air, telinga kita akan terasa tertekanan bukan? Apalagi jika kolam yang kita selami lebih dalam. Semakin dalam tekanan tersebut rasanya lebih kencang. Mengapa hal tersebut dapat terjadi?

Ternyata, kedalaman zat cair dan massa jenis zat cair memengaruhi tekanan yang dihasilkan oleh zat cair atau disebut dengan tekanan hidrostatis. Semakin dalam zat cair, semakin besar tekanan yang dihasilkan.

Tekanan Hidrostatis

Dapat disimpulkan bahwa Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang dihasilkan zat cair berdasarkan kedalaman dan massa jenisnya. Semakin besar massa jenis zat cair, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan.

Oleh karena fenomena tekanan hidrostatis tersebut, saat kita menghitung tekanan di dalam air kita tidak dapat menggunakan rumus yang sama dengan tekanan zat padat. Pada zat cair, gaya (F) disebabkan oleh berat zat cair (w) yang berada di atas benda.

Namun demikian, berat zat cair tidak dapat diambil begitu saja, karena Massa benda (m) dan percepatan gravitasi akan memengaruhinya pula. Untuk mengetahui berat zat cair yang sebenarnya, kita harus mengalikan massa benda (m) dengan percepatan gravitasi (g), maka rumus tekanan zat cair adalah:

Intinya, rumus tekanan zat cair (p) adalah Massa Jenis Zat Cair dikali Percepatan Gravitasi dikali Tinggi Zat Cair.

Hukum Archimedes

Tentunya kita semua telah melihat dan mengetahui bahwa benda yang dimasukkan ke air terkadang dapat mengapung ketika dimasukkan ke kolam air. Peristiwa tersebut seakan membuat suatu benda yang dimasukkan ke dalam air beratnya berkurang.

Sebetulnya bukan berarti ada massa benda yang hilang, hal tersebut disebabkan oleh adanya gaya apung (Fa ) yang mendorong benda ke atas atau berlawanan dengan arah berat benda. Secara matematis, gaya apung dapat diperoleh melalui rumus:

Fenomena ini telah diamati dan dipelajari oleh Archimedes yang hasilnya kemudian dinyatakan sebagai hukum Archimedes yang berbunyi: “Jika benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda itu akan mendapat gaya ke atas yang sama besar dengan berat zat cair yang didesak oleh benda tersebut”.

Menurut Archimedes, benda menjadi lebih ringan bila diukur dalam air daripada di udara karena di dalam air benda mendapat gaya ke atas. Ketika di udara, benda memiliki berat mendekati yang sesungguhnya. Karena berat zat cair yang didesak atau dipindahkan benda adalah:

Hukum Archimedes tersebut dapat digunakan sebagai dasar pembuatan kapal laut atau kapal selam. Hal itu karena kita mengetahui bahwa suatu benda dapat terapung atau tenggelam tergantung pada besarnya gaya berat dan gaya apung, dengan pertimbangan:

1. Jika gaya apung maksimum lebih besar daripada gaya berat maka benda akan terapung.
2. Sebaliknya, jika gaya apung maksimum lebih kecil daripada gaya berat maka benda akan tenggelam.
3. Jika gaya apung maksimum sama dengan berat benda, maka benda akan melayang.

Sebagai catatan, gaya apung maksimum adalah gaya apung jika seluruh benda berada di bawah permukaan zat cair.

Hukum Pascal

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup ternyata akan diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama. Hal ini merupakan bunyi dari hukum Pascal yang dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623- 1662).

Mengapa hal demikian menjadi penting? Karena melalui hukum tersebut kita tahu bahwa benda kecil seperti tiang sekalipun dapat memiliki tekanan yang tinggi. Misalnya bagaimana alat pengangkat mobil di tempat pencucian mobil dapat mengangkat mobil hanya dengan udara atau minyak saja.

Menurut hukum Pascal tekanan p tersebut diteruskan ke segala arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang. Secara matematis diperoleh persamaan pada dongkrak hidrolik sebagai berikut.

Pompa hidrolik menerapkan prinsip dari Hukum Pascal. Pada pompa hidrolik terdapat dua luas penampang yang berbeda, yaitu luas penampang kecil (A1 ) dan luas penampang besar (A2 ). Tekanan p (10 N/cm2 ) akan diteruskan menuju luas penampang besar (A2 ) misalnya 100 cm2.

Berdasarkan contoh tersebut dapat dilihat bahwa dengan memberikan gaya 10 N pada luas penampang kecil mampu menghasilkan gaya 1.000 N pada luas penampang besar. Berdasarkan prinsip inilah pompa hidrolik tersebut mampu mengangkat mobil yang cukup berat dan jauh lebih besar dari penampangnya.

Tekanan Gas

Tekanan gas dapat dibuktikan dengan percobaan sederhana menggunakan gelas yang diisi air lalu ditutup dengan kertas. Jika gelas tersebut dibalikkan dengan cepat sembari menahan kertasnya, maka air di dalam tidak akan tumpah bahkan ketika kita melepaskan tangan kita dari kertas. Hal tersebut terjadi karena HVS mendapatkan tekanan dari udara luar yang besarnya lebih besar daripada tekanan air dalam gelas.

Prinsip tekanan gas dimanfaatkan untuk mengembangkan balon udara. Balon udara seperti dapat terbang karena massa jenis total dari balon udara lebih rendah daripada massa jenis udara di sekitarnya. Massa jenis balon udara tersebut dikendalikan oleh perubahan temperatur pada udara dalam balon.

Seorang pilot balon udara mengontrol temperatur udara dalam balon dengan menggunakan pembakar yang ada di bawah lubang balon. Ketika bara api dari pembakar memanaskan udara dalam balon, berat balon menjadi lebih kecil dari gaya ke atas sehingga balon akan bergerak ke atas. Hal tersebut terjadi karena udara panas lebih ringan dari udara dingin. Jika ingin turun, maka pemanasan udara dalam balon dikurangi atau dihentikan sehingga suhu udara dalam balon menurun.

Konsep Tekanan Zat pada Makhluk Hidup

Tekanan zat juga memegang peranan penting pada makhluk hidup. Misalnya bagaimana tanaman mengangkut air dan nutrisi yang dibutuhkannya melalui tekanan. Berikut adalah beberapa pemaparan aplikasi konsep tekanan zat pada makhluk hidup menurut Tim Kemdikbud (2017, hlm. 23-32).

Pengangkutan Air dan Nutrisi pada Tumbuhan

Xilem dan floem adalah jaringan seperti tabung yang berperan dalam sistem pengangkutan pada tumbuhan. Air dan mineral dari dalam tanah akan diserap oleh akar, kemudian diangkut melalui xilem ke bagian batang dan daun tumbuhan.

Zat makanan yang dibuat di daun akan diangkut melalui floem ke bagian lain tumbuhan yang memerlukan zat makanan. Lalu bagaimana mekanisme pengangkutan air, mineral, dan nutrisi tersebut?

Pengangkutan Air pada Tumbuhan

Pertama-tama, air diserap oleh rambut-rambut akar. Kemudian, air masuk ke sel epidermis melalui proses secara osmosis. Selanjutnya, air akan melalui korteks. Dari korteks, air kemudian melalui endodermis dan perisikel. Selanjutnya, air masuk ke jaringan xilem yang berada di akar. Setelah tiba di xilem akar, air akan bergerak ke xilem batang dan ke xilem daun.

Tumbuhan tidak mempunyai mekanisme pemompaan cairan seperti pada jantung manusia. Lalu, bagaimana caranya air dapat naik dari akar ke bagian tumbuhan lain yang lebih tinggi? Air dapat diangkut naik dari akar ke bagian tumbuhan lain yang lebih tinggi dan diedarkan ke seluruh tubuh tumbuhan karena adanya daya kapilaritas batang.

Kapilaritas Batang

Kapilaritas batas ini seperti yang terjadi pada pipa kapiler. Pipa kapiler memiliki bentuk yang hampir menyerupai sedotan tetapi diameternya sangat kecil. Apabila salah satu ujung pipa kapiler dimasukkan ke dalam air, air yang berada pada pipa tersebut akan lebih tinggi daripada air yang berada di sekitar pipa kapiler.

Batang tanaman juga dapat diibaratkan seperti pipa yang memiliki diameter yang sangat kecil. Ketika batang tersebut lebih tinggi dari air yang berada di sekitar batang sekalipun, air akan berusaha mengisi “pipa” kecil batang tersebut.

Air yang berada pada batang tanaman akan lebih tinggi apabila dibandingkan dengan air yang berada pada tanah. Daya kapilaritas batang juga dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi dan adhesi.

1. Gaya Kohesi merupakan kecenderungan suatu molekul untuk dapat berikatan dengan molekul lain yang sejenis. Melalui gaya adhesi, molekul air membentuk ikatan yang lemah dengan dinding pembuluh.
2. Gaya Adhesi adalah kecenderungan suatu molekul untuk dapat berikatan dengan molekul lain yang tidak sejenis. Melalui gaya kohesi akan terjadi ikatan antara satu molekul air dengan molekul air lainnya. Hal ini akan menyebabkan terjadinya tarik-menarik antara molekul air yang satu dengan molekul air lainnya di sepanjang pembuluh xilem.

Selain disebabkan oleh gaya kohesi dan adhesi, naiknya air ke daun juga disebabkan oleh penggunaan air di bagian daun atau yang disebut dengan daya isap daun. Pada daun, air juga mengalami penguapan. Penguapan air oleh daun disebut transpirasi. Penggunaan air oleh bagian daun akan menyebabkan terjadinya tarikan terhadap air yang berada pada bagian xilem sehingga air yang ada pada akar dapat naik ke daun.

Pengangkutan Nutrisi pada Tumbuhan

Semua bagian dari tumbuhan, meliputi akar, batang, daun, dan bagian lainnya memerlukan nutrisi. Agar kebutuhan nutrisi tumbuhan terpenuhi dibutuhkan suatu proses pengangkutan nutrisi hasil fotosintesis berupa gula dan asam amino ke seluruh tubuh tumbuhan. Pengangkutan hasil fotosintesis dari daun ke seluruh tubuh tumbuhan terjadi melalui pembuluh floem.

Pengangkutan zat-zat hasil fotosintesis dimulai dari sumbernya, yaitu daun (daerah yang memiliki konsentrasi gula tinggi) ke bagian tanaman lain yang dituju (daerah yang memiliki konsentrasi gula rendah) dengan dibantu oleh sirkulasi air yang mengalir melalui pembuluh xilem dan floem.

Tekanan Darah pada Sistem Peredaran Darah Manusia

Tekanan yang terdapat pada pembuluh darah memiliki prinsip kerja seperti Hukum Pascal. Hal ini karena tekanan pada pembuluh darah merupakan tekanan yang berada pada ruang tertutup. Pada saat jantung memompa darah, darah akan mendapatkan dorongan sehingga mengalir melalui pembuluh darah.

Saat mengalir dalam pembuluh darah, darah memberikan dorongan pada dinding pembuluh darah yang disebut dengan tekanan darah. Agar tekanan darah tetap terjaga, maka pembuluh darah harus terisi penuh oleh darah.

Bila terjadi kehilangan darah akibat kecelakaan atau penyakit, tekanan darah dapat hilang, sehingga darah tidak dapat mengalir menuju sel-sel di seluruh tubuh. Akibatnya, sel-sel tubuh akan mati karena tidak mendapatkan pasokan oksigen dan nutrisi.

Tekanan Gas pada Proses Pernapasan Manusia

Di dalam paru-paru tepatnya di alveolus terjadi pertukaran antara oksigen (O₂) dan karbon dioksida (CO₂). Setiap menit paru-paru dapat menyerap sekitar 250 mL O₂ dan mengeluarkan sebanyak 200 mL CO₂ . Proses pertukaran antara O₂ dengan CO₂ terjadi secara difusi, yaitu proses perpindahan zat terlarut dari daerah yang memiliki konsentrasi dan tekanan parsial tinggi ke daerah yang memiliki konsentrasi dan tekanan parsial rendah.

Tekanan parsial adalah tekanan yang diberikan oleh gas tertentu dalam campuran gas tersebut. Pada bagian ini yang dimaksud dengan tekanan parsial adalah tekanan O₂ dan CO₂ yang terlarut di dalam darah. Tekanan parsial O₂ diberi simbol PO₂ , sedangkan tekanan parsial CO₂ diberi simbol PCO₂.

Dalam sistem peredaran darah, tekanan parsial antara ₂ dan CO₂ bervariasi pada setiap organ. Darah yang masuk ke paru-paru melalui arteri pulmonalis memiliki PO₂ yang lebih rendah dan PCO₂ yang lebih tinggi daripada udara di dalam alveoli.

Ketika darah memasuki kapiler alveoli, CO₂ yang terkandung dalam darah berdifusi menuju alveoli dan O₂ yang terkandung dalam udara di alveoli berdifusi ke dalam darah. Akibatnya PO₂ dalam darah menjadi naik (banyak mengandung oksigen) dan PCO₂ dalam darah menjadi turun (sedikit mengandung karbondioksida).

Darah tersebut selanjutnya menuju ke jantung, kemudian dipompa ke seluruh bagian tubuh. Pada saat darah tiba di jaringan tubuh, O₂ dalam darah tersebut mengalami difusi menuju jaringan tubuh.

Kandungan CO₂ dalam jaringan tubuh lebih besar dari pada kandungan CO₂ dalam darah, sehingga CO₂ dalam jaringan tubuh mengalami difusi ke dalam darah. Setelah melepaskan O₂ dan membawa CO₂ dari jaringan tubuh, darah kembali menuju jantung dan dipompa lagi ke paru-paru.

Referensi

1. Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. (2017). Ilmu Pengetahuan Alam SMP/MTs Kelas VIII. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.