Fluida Statis: Hukum Pascal dan Penerapannya

A. FAKTA

Apa yang kita lakukan jika ban sepeda atau mobil kempes? Setelah di pompa apa yang akan terjadi pada ban tersebut? Mengapa? bila kita memompa sebuah ban mobil yang kempes, ternyata ban akan menggelembung secara merata. Hal ini menunjukkan bahwa tekanan dalam ban yang kita berikan melalui pompa akan diteruskan secara merata oleh fluida (gas) di dalam ban, sehingga ban dapat menggelembung rata pada seluruh bagiannya.

Gambar 1: Ban Mobil yang kempes

Ketika kita menggosok gigi, apa yang kita lakukan agar dapat menggunakan pasta gigi? Apa yang terjadi pada pasta gigi? Mengapa hal itu bias terjadi? Sama halnya dengan ban yang di pompa ketika kita akan  menggosok gigi menekan pasta gigi agar keluar dari wadah silindernya. Saat menekan kita memberikan tekanan di salah satu titik pasta gigi yang membuat isi pasta gigi terdorong keluar melalui lubang wadah silindernya.

Gambar 2: Orang menekan pasta gigi

 
Peristiwa lain yang serupa adalah seperti pada gambar di samping. Apakah mungkin seorang wanita mampu mengangkat mobil tersebut? Mengapa? Mobil dinaikkan dengan menggunakan dongkrak yang di berikan tekanan pada salah satu sisi  sehingga salah sisi yang lain juga menekan mobil ke atas. Sehingga mobil terdorong ke atas seperti pada gambar 3.

Gambar 3: Seorang Wanita Mendongkrak Mobil

B. Konsep dan Prinsip

Tekanan yang di berikan pada ruang tertutup tidak hanya terjadi pada peristiwa-peristiwa yang telah di jelskan tadi, namun juga terjadi pada zat cair. Sebelumya telah di pelajari tentang Fluida yaitu zat yang dapat mengalir (zat cair dan udara) dan tekanan hidrostatis yaitu tekanan yang terjadi pada fluida, dalam materi Hukum Pascal sangat erat kaitanya dengan konsep Fluida dan tekanan hidrostatis. Selain dua konsep tersebut, ada konsep lain yang juga terkait namun telah di pelajari saat di SMP yaitu tekanan (P), gaya (F) dan luas permukaan (A).

C. Materi Pembelajaran

HUKUM PASCAL

Bila ditinjau dari zat cair yang berada dalam suatu wadah, tekanan zat cair pada dasar wadah tentu saja lebih besar dari tekanan zat cair pada bagian di atasnya. Semakin ke bawah, semakin besar tekanan zat cair tersebut. Sebaliknya, semakin mendekati permukaan atas wadah, semakin kecil tekanan zat cair tersebut. Blaise Pascal (1623-1662) menyimpulkannya dalam hukum Pascal yang berbunyi, “tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah”. 

Blaise Pascal (1623-1662) seorang ilmuwan Prancis pada yang menciptakan kalkulator digital pertama di dunia. Ia menghabiskan waktunya dengan bermain dan melakukan eksperimen terus-menerus selama pengobatan kanker yang dideritanya. Ia menemukan teori hukum Pascal dengan eksperimenya bermain-main dengan air.

Sesuai dengan hukum Pascal bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah, maka tekanan yang masuk pada penghisap pertama sama dengan tekanan pada penghisap kedua.

Gambar 4: Zat Cair pada ruangan

Formula hukum Pascal dalam sistem tertutup dapat disimpulkan dengan:

P_masuk = P_keluar

P₁ = P₂

tekanan adalah gaya dibagi besar luasan penampangnya, maka persamaan diatas dapat ditulis kembali sebagai berikut:

Keterangan:

F₁ = gaya di penampang 1 (N)

F₂ = gaya di penampang 2 (N)

A₁ = luas penampang 1 (m²)

A₂ = luas penampang 2 (m²)

Contoh soal:

Sebuah alat pengangkat mobil menggunakan luas penampang pengisap kecil 10 cm² dan pengisap besar 50 cm². Berapakah gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N?

Penyelesaian:
Diketahui:                                                   
A₁ = 10 cm²
A₂= 50 cm²
F₂ = 20.000 N
Ditanya: F1 = ......?
Jawab: 

Penerapan Hukum Pascal dalam Kehidupan sehari-hari

Alat-alat yang bekerja dengan menerapkan prinsil kerja dengan  hukum pascal, antara lain:

1. Dongkrak Hidrolik dan Lift Hidrolik

Prinsip kerja dongkrak hidrolik adalah dengan memanfaatkan hukum Pascal. Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung yang berhubungan yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing- masig ditutup dan diisi air. Mobil diletakkan di atas tutup tabung yang berdiameter besar. Jika kita memberikan gaya yang kecil pada tabung yang berdiameter kecil, tekanan akan disebarkan secara merata ke segala arah termasuk ke tabung besar tempat diletakkan mobil. Inilah salah satu kelebihan Hukum Pascal. Kita dapat mengangkat mobil yang berat hanya dengan alat yang begitu kecil. Dongkrak mobil yang lebih besar biasanya digunakan dibengkel Jika gaya F₁ diberikan pada penghisap yang kecil, tekanan dalam cairan akan bertambah dengan F₁/A_1. Gaya ke atas yang diberikan oleh cairan pada penghisap yang lebih besar adalah penambahan tekanan ini kali luas A₂. 

Jika A₂ jauh lebih besar dari A₁, sebuah gaya yang lebih kecil (F₁) dapat digunakan untuk menghasilkan gaya yang jauh lebih besar (F₂) untuk mengangkat sebuah beban yang ditempatkan di penghisap yang lebih besar. Pada alat pengangkat mobil (lift hidrolik) juga bekerja prinsip yang sama seperti dongkrak hidrolik.

2. Rem Cakram Hidrolik

Pemanfaatan hukum pascal diterapkan pada rem (cakram) hidrolik. Rem (cakram) memakai fluida minyak. Pada saat kaki menginjak pedal rem, piston (pipa penghubung) akan memberi tekanan pada minyak yang ada didalamnya. Tekanan tersebut selanjutnya diteruskan pada kedua piston keluaran yang fungsina sebagai pengatur rem.

Gambar 7 : Rem Cakram Hidrolik

Rem ini akan menjepit piringan logam yang mengakibatkan dapat timbul gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan sehingga putran roda berhenti. Pada saat piston pertama (A₁) ditekan, maka permukaan piston kedua (A₂) akan naik.

Dengan keadaan tersebut, menurut hukum pascal dapat dihasilkan keterkaitan volume minyak yang didesak sama dengan volume minyak yang naik. Jika volume minyak yang didesak (V₁) sama dengan A₁ h₁ dan volume minyak naik (V₂) sama dengan A₂ h₂, maka:

V₁ = V₂

A₁ h₁ = A₂ h₂

Keterangan:

h₁ = tinggi fluida di piston pertama

h₂ = tinggi fluida di piston kedua

A₁ = luas penampang piston pertama

A₂ = luas penampang piston kedua

3. Pompa Hidrolik

Dalam menjalankan suatu sistem tertentu atau untuk membantu operasional dari sebuah sistem, tidak jarang kita menggunakan rangkaian hidrolik. Sebagai contoh, untuk mengangkat satu rangkaian kontainer yang memiliki beban beribu–ribu ton, untuk memermudah itu digunakanlah sistem hidrolik.  Sistem hidrolik adalah teknologi yang memanfaatkan zat cair, biasanya oli, untuk melakukan suatu gerakan segaris atau putaran. Sistem ini bekerja berdasarkan prinsip Pascal, yaitu jika suatu zat cair dikenakan tekanan, tekanan itu akan merambat ke segala arah dengan tidak bertambah atau berkurang kekuatannya. Prinsip dalam rangkaian hidrolik adalah menggunakan fluida kerja berupa zat cair yang dipindahkan dengan pompa hidrolik untuk menjalankan suatu sistem tertentu.

Gambar 8: Mekanisme Pompa Hidrolik

Pompa hidraulik menggunakan kinetik energi dari cairan yang dipompakan pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan pukulan yang tiba-tiba menjadi energi yang berbentuk lain (energi tekan). Pompa ini berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa hidrolik bekerja dengan cara menghisap air dari tangki hidrolik dan mendorongnya kedalam sistem hidraulik dalam bentuk aliran (flow). Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada dua macam yaitu positive dan nonpositive displacement pump. 

SOAL EVALUASI

Soal 01

Jari-jari penampang kecil dongkrak hidrolik adalah 2 cm dan jari-jari penampang besar adalah 25 cm. Berapa gaya yang diberikan pada penampang kecil untuk mengangkat sebuah mobil bermassa 2000 kg ?

A. 125 N

B. 128 N

C. 130 N

D. 131 N

E. 155 N

Soal 02

Sebuah pompa hidrolik dengan perbandingan diameter pengisap 1 : 20. Apabila pada pengisap besar digunakan untuk mengangkat beban 16.000 N, maka besar gaya minimal yang dikerjakan pada pengisap kecil adalah …

A. 20 N

B. 40 N

C. 50 N

D. 80 N

E. 800 N

Soal 03

Gaya sebesar 5 N pada pengisap yang kecil dari suatu pompa hidrolik dapat mengangkat beban yang beratnya 600 N pada pengisap yang besar. Jika pengisap yang kecil berpenampang 400 cm², berapakah luas penampang pengisap yang besar?

A. 45000 cm²

B. 46000 cm²

C. 47000 cm²

D. 48000 cm²

E. 49000 cm²

Daftar Pustaka

Humaidi,     A.H. & Maksum. 2009. Fisika  SMA/MA Kelas XI. Jakarta : Pusat Pembukuan Departemen Pendidikan Nasional

Haryadi, B. 2008. Fisika 1 : Untuk  SMA/MA Kelas XI. Jakarta : Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional

Giancoli, D. C. 2001. FISIKA Edisi Kelima Jilid 1. Jakarta : Airlangga

Akrom, M. 2012. Bintang Kelas Kuasai Rumus Fisika SMA. Jakarta : PT.Buku Seru

Kanginan, M. 2013. Fisika SMA Kelas 2B. Jakarta: Airlangga