Memahami Tekanan dalam Kehidupan Sehari-hari: Contoh Soal IPA Kelas 8 Semester 2 Bab 7
Bab 7 dalam mata pelajaran Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) untuk kelas 8 semester 2 seringkali berfokus pada konsep Tekanan. Konsep ini mungkin terdengar abstrak, namun sebenarnya sangat relevan dan sering kita jumpai dalam berbagai aspek kehidupan sehari-hari. Mulai dari cara kita berjalan, penggunaan benda-benda di dapur, hingga fenomena alam seperti kapal yang mengapung, semuanya berkaitan erat dengan tekanan.
Memahami tekanan tidak hanya penting untuk menjawab soal-soal ujian, tetapi juga untuk membangun pemahaman fisika yang lebih mendalam. Artikel ini akan mengupas tuntas konsep tekanan beserta contoh-contoh soal IPA Kelas 8 Semester 2 Bab 7 yang relevan, lengkap dengan pembahasan dan strategi penyelesaiannya.
Apa Itu Tekanan?
Secara sederhana, tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu luas permukaan. Semakin besar gaya yang diberikan pada luas permukaan yang kecil, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Sebaliknya, jika gaya yang sama diberikan pada luas permukaan yang lebih besar, tekanannya akan semakin kecil.
Secara matematis, tekanan (P) dihitung dengan rumus:
$P = fracFA$
Dimana:
- $P$ = Tekanan (dalam satuan Pascal (Pa) atau N/m²)
- $F$ = Gaya (dalam satuan Newton (N))
- $A$ = Luas Permukaan (dalam satuan meter persegi (m²) atau cm²)
Penting untuk diingat bahwa satuan gaya adalah Newton (N) dan satuan luas adalah meter persegi (m²). Jika satuan yang diberikan dalam soal berbeda, kita perlu melakukan konversi terlebih dahulu.
Tekanan pada Benda Padat
Tekanan pada benda padat dipengaruhi oleh besar gaya yang diberikan dan luas area kontak antara dua benda.
Contoh Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Jarum dan Paku: Ujung jarum atau paku dibuat runcing agar luas permukaannya kecil. Ketika gaya yang sama diberikan, tekanan yang dihasilkan sangat besar sehingga mudah menembus benda lain.
- Alas Sepatu: Sepatu dengan sol yang lebar memiliki luas kontak yang lebih besar dengan tanah. Hal ini mengurangi tekanan yang dirasakan oleh kaki saat berjalan, membuat lebih nyaman.
- Pisau dan Gunting: Bagian mata pisau atau gunting dibuat tajam (luas permukaan kecil) agar dapat memotong dengan mudah ketika diberikan gaya.
Contoh Soal Tekanan pada Benda Padat:
Soal 1: Seorang anak menumpuk dua buah balok kayu yang identik di atas meja. Massa masing-masing balok adalah 5 kg. Luas alas setiap balok adalah 0,02 m². Hitunglah tekanan yang diberikan balok pada meja ketika:
a. Satu balok diletakkan di atas meja.
b. Dua balok ditumpuk di atas meja.
(Percepatan gravitasi bumi $g = 10$ m/s²)
Pembahasan Soal 1:
Pertama, kita perlu menghitung gaya berat (yang merupakan gaya yang bekerja) untuk setiap balok.
Gaya berat ($F$) = massa ($m$) × percepatan gravitasi ($g$)
$F$ = 5 kg × 10 m/s² = 50 N
a. Tekanan oleh satu balok:
Luas permukaan yang bersentuhan dengan meja ($A$) = 0,02 m²
Tekanan ($P$) = $fracFA$
$P$ = $frac50 text N0,02 text m^2$
$P$ = 2500 N/m² = 2500 Pa
b. Tekanan oleh dua balok yang ditumpuk:
Gaya berat total ($Ftexttotal$) = gaya berat balok 1 + gaya berat balok 2
$Ftexttotal$ = 50 N + 50 N = 100 N
Luas permukaan yang bersentuhan dengan meja tetap sama karena balok ditumpuk secara vertikal, yaitu $A$ = 0,02 m²
Tekanan ($Ptexttotal$) = $fracFtexttotalA$
$Ptexttotal$ = $frac100 text N0,02 text m^2$
$Ptexttotal$ = 5000 N/m² = 5000 Pa
Analisis: Terlihat bahwa ketika jumlah balok (dan oleh karena itu gaya) bertambah, tekanan yang diberikan pada meja juga bertambah dua kali lipat, meskipun luas permukaannya tetap sama.
Soal 2: Sebuah kotak beras bermassa 20 kg diletakkan di atas lantai. Ukuran alas kotak adalah 0,4 m × 0,5 m. Berapakah tekanan yang diberikan kotak beras pada lantai? (Percepatan gravitasi bumi $g = 9,8$ m/s²)
Pembahasan Soal 2:
Pertama, hitung gaya berat kotak beras:
$F$ = $m times g$
$F$ = 20 kg × 9,8 m/s² = 196 N
Selanjutnya, hitung luas alas kotak:
$A$ = panjang × lebar
$A$ = 0,4 m × 0,5 m = 0,2 m²
Sekarang, hitung tekanannya:
$P$ = $fracFA$
$P$ = $frac196 text N0,2 text m^2$
$P$ = 980 N/m² = 980 Pa
Analisis: Kotak beras memberikan tekanan pada lantai karena gaya beratnya didistribusikan pada luas alasnya.
Tekanan pada Zat Cair (Fluida)
Tekanan pada zat cair, yang sering disebut sebagai tekanan hidrostatis, bergantung pada kedalaman zat cair, massa jenis zat cair, dan percepatan gravitasi. Tekanan hidrostatis bekerja ke segala arah.
Rumus tekanan hidrostatis:
$P_h = rho times g times h$
Dimana:
- $P_h$ = Tekanan hidrostatis (Pa)
- $rho$ (rho) = Massa jenis zat cair (kg/m³)
- $g$ = Percepatan gravitasi (m/s²)
- $h$ = Kedalaman zat cair (m)
Penting: Tekanan hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman, bukan pada bentuk wadah.
Contoh Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Bendungan: Dinding bendungan dibuat lebih tebal di bagian bawah daripada di bagian atas. Ini karena tekanan air semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman.
- Menyelam: Semakin dalam seseorang menyelam, semakin besar tekanan yang dirasakan di telinganya.
- Penghisap (Siphon): Prinsip kerja siphon memanfaatkan perbedaan tekanan.
Contoh Soal Tekanan pada Zat Cair:
Soal 3: Sebuah akuarium berisi air hingga kedalaman 50 cm. Massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Hitunglah tekanan hidrostatis pada dasar akuarium! (Percepatan gravitasi bumi $g = 10$ m/s²)
Pembahasan Soal 3:
Pertama, ubah kedalaman dari cm ke m:
$h$ = 50 cm = 0,5 m
Sekarang, gunakan rumus tekanan hidrostatis:
$P_h = rho times g times h$
$P_h$ = 1000 kg/m³ × 10 m/s² × 0,5 m
$P_h$ = 5000 N/m² = 5000 Pa
Analisis: Tekanan hidrostatis di dasar akuarium adalah 5000 Pa.
Soal 4: Diberikan dua wadah berbentuk silinder dengan luas alas yang berbeda, namun keduanya diisi dengan minyak yang sama hingga ketinggian yang sama. Wadah A memiliki luas alas 0,1 m² dan wadah B memiliki luas alas 0,2 m². Massa jenis minyak adalah 800 kg/m³ dan percepatan gravitasi $g = 9,8$ m/s². Jika ketinggian minyak di kedua wadah adalah 1 meter, berapakah tekanan hidrostatis di dasar wadah A dan wadah B?
Pembahasan Soal 4:
Karena tekanan hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman, massa jenis fluida, dan gravitasi, luas alas wadah tidak mempengaruhi besarnya tekanan hidrostatis di dasar.
$h$ = 1 m
$rho$ = 800 kg/m³
$g$ = 9,8 m/s²
$P_h = rho times g times h$
$P_h$ = 800 kg/m³ × 9,8 m/s² × 1 m
$P_h$ = 7840 N/m² = 7840 Pa
Analisis: Tekanan hidrostatis di dasar wadah A dan wadah B adalah sama, yaitu 7840 Pa, meskipun luas alasnya berbeda. Ini menegaskan bahwa bentuk wadah tidak memengaruhi tekanan hidrostatis.
Tekanan Udara (Tekanan Atmosfer)
Udara yang ada di sekitar kita memiliki massa, dan oleh karena itu juga memiliki berat. Berat udara inilah yang menciptakan tekanan udara atau tekanan atmosfer. Tekanan atmosfer ini bekerja pada seluruh permukaan bumi. Tekanan atmosfer tertinggi terjadi di permukaan laut dan semakin berkurang seiring dengan bertambahnya ketinggian.
Contoh Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Sedotan: Saat kita menghisap cairan melalui sedotan, kita mengurangi tekanan udara di dalam sedotan. Tekanan udara di luar sedotan (yang lebih besar) mendorong cairan naik ke dalam sedotan.
- Pompa Vakum: Pompa vakum bekerja dengan cara mengeluarkan udara dari suatu ruang, menciptakan tekanan rendah di dalamnya. Tekanan atmosfer yang lebih tinggi di luar akan mendorong benda masuk ke dalam ruang vakum.
- Penerbangan Pesawat: Semakin tinggi pesawat terbang, semakin rendah tekanan udaranya. Ini sebabnya kabin pesawat perlu diberi tekanan tambahan.
Contoh Soal Tekanan Udara:
Soal 5: Di permukaan laut, tekanan atmosfer adalah sekitar 101.325 Pa. Jika massa jenis udara di permukaan laut adalah 1,225 kg/m³, berapakah ketinggian kolom udara yang memberikan tekanan sebesar itu, seolah-olah udara tersebut adalah zat cair? (Percepatan gravitasi bumi $g = 10$ m/s²)
Pembahasan Soal 5:
Kita dapat menggunakan rumus tekanan hidrostatis untuk memperkirakan ketinggian kolom udara:
$P = rho times g times h$
Kita ingin mencari $h$:
$h = fracPrho times g$
$P$ = 101.325 Pa
$rho$ = 1,225 kg/m³
$g$ = 10 m/s²
$h = frac101.325 text Pa1,225 text kg/m^3 times 10 text m/s^2$
$h = frac101.32512,25$
$h approx 8271,43$ m
Analisis: Ini menunjukkan bahwa tekanan atmosfer di permukaan laut setara dengan tekanan yang diberikan oleh kolom udara setinggi sekitar 8,3 kilometer. Ini adalah perkiraan kasar karena massa jenis udara sebenarnya tidak konstan.
Hukum Pascal
Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.
Rumus Hukum Pascal:
$P_1 = P_2$
$fracF_1A_1 = fracF_2A_2$
Dimana:
- $F_1$ = Gaya pada penampang kecil
- $A_1$ = Luas penampang kecil
- $F_2$ = Gaya pada penampang besar
- $A_2$ = Luas penampang besar
Contoh Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Dongkrak Hidrolik: Ini adalah aplikasi paling umum dari Hukum Pascal. Dengan memberikan gaya kecil pada luas penampang kecil, kita dapat mengangkat beban yang sangat berat pada luas penampang yang lebih besar.
- Rem Hidrolik Mobil: Tekanan yang diberikan pada pedal rem diteruskan ke seluruh sistem hidrolik, menekan kampas rem pada cakram.
- Kursi Dokter Gigi: Menggunakan sistem hidrolik untuk menaikkan dan menurunkan kursi.
Contoh Soal Hukum Pascal:
Soal 6: Sebuah dongkrak hidrolik memiliki diameter piston kecil 2 cm dan diameter piston besar 10 cm. Jika gaya sebesar 50 N diberikan pada piston kecil, berapakah gaya maksimum yang dapat diangkat oleh piston besar?
Pembahasan Soal 6:
Pertama, hitung luas penampang kedua piston. Ingat bahwa luas lingkaran adalah $pi r^2$.
Jari-jari piston kecil ($r_1$) = diameter / 2 = 2 cm / 2 = 1 cm = 0,01 m
Jari-jari piston besar ($r_2$) = diameter / 2 = 10 cm / 2 = 5 cm = 0,05 m
Luas piston kecil ($A_1$) = $pi r_1^2$ = $pi (0,01 text m)^2 = 0,0001 pi$ m²
Luas piston besar ($A_2$) = $pi r_2^2$ = $pi (0,05 text m)^2 = 0,0025 pi$ m²
Gaya yang diberikan pada piston kecil ($F_1$) = 50 N
Menggunakan Hukum Pascal:
$fracF_1A_1 = fracF_2A_2$
$F_2 = F_1 times fracA_2A_1$
$F_2 = 50 text N times frac0,0025 pi text m^20,0001 pi text m^2$
$F_2 = 50 text N times frac0,00250,0001$
$F_2 = 50 text N times 25$
$F_2 = 1250$ N
Analisis: Dengan memberikan gaya 50 N pada piston kecil, dongkrak hidrolik ini mampu mengangkat beban hingga 1250 N pada piston besar. Ini menunjukkan keuntungan mekanis yang diperoleh dari sistem hidrolik.
Hukum Archimedes
Hukum Archimedes menyatakan bahwa suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya angkat ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Rumus Gaya Apung ($F_A$):
$FA = rhotextfluida times g times V_texttercelup$
Dimana:
- $F_A$ = Gaya apung (N)
- $rho_textfluida$ = Massa jenis fluida (kg/m³)
- $g$ = Percepatan gravitasi (m/s²)
- $V_texttercelup$ = Volume fluida yang dipindahkan (sama dengan volume benda yang tercelup) (m³)
Hubungan Gaya Apung dengan Berat Benda:
- Jika $FA > Wtextbenda$ (gaya apung lebih besar dari berat benda), maka benda akan mengapung.
- Jika $FA = Wtextbenda$ (gaya apung sama dengan berat benda), maka benda akan melayang.
- Jika $FA < Wtextbenda$ (gaya apung lebih kecil dari berat benda), maka benda akan tenggelam.
Contoh Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Kapal Laut: Kapal terbuat dari baja yang massa jenisnya lebih besar dari air, namun kapal dapat mengapung karena bentuknya yang cekung. Bentuk ini membuat kapal memindahkan volume air yang besar, sehingga gaya apungnya cukup untuk menahan berat kapal.
- Balon Udara: Balon udara mengapung karena udara panas di dalamnya memiliki massa jenis yang lebih rendah daripada udara dingin di sekitarnya. Ini menciptakan gaya apung yang mengangkat balon.
- Hidrometer: Alat untuk mengukur massa jenis cairan, bekerja berdasarkan prinsip Archimedes.
Contoh Soal Hukum Archimedes:
Soal 7: Sebuah batu bermassa 2 kg dan bervolume 0,001 m³ dicelupkan ke dalam air yang memiliki massa jenis 1000 kg/m³. Hitunglah:
a. Berat batu di udara.
b. Gaya apung yang dialami batu.
c. Berat batu di dalam air.
(Percepatan gravitasi bumi $g = 10$ m/s²)
Pembahasan Soal 7:
a. Berat batu di udara ($W_textbatu$):
$Wtextbatu = m times g$
$Wtextbatu = 2 text kg times 10 text m/s^2$
$W_textbatu = 20$ N
b. Gaya apung yang dialami batu ($F_A$):
Karena batu tercelup seluruhnya, volume fluida yang dipindahkan sama dengan volume batu.
$Vtexttercelup$ = 0,001 m³
$rhotextair$ = 1000 kg/m³
$g$ = 10 m/s²
$FA = rhotextair times g times V_texttercelup$
$F_A = 1000 text kg/m^3 times 10 text m/s^2 times 0,001 text m^3$
$F_A = 10$ N
c. Berat batu di dalam air ($W_textair$):
Berat batu di dalam air adalah berat batu di udara dikurangi gaya apung.
$Wtextair = Wtextbatu – FA$
$Wtextair = 20 text N – 10 text N$
$W_textair = 10$ N
Analisis: Berat batu di dalam air lebih kecil daripada di udara karena adanya gaya apung yang mendorongnya ke atas. Karena gaya apung (10 N) lebih kecil dari berat batu di udara (20 N), batu akan tenggelam.
Soal 8: Sebuah balok kayu dengan volume 0,002 m³ mengapung di permukaan air. Massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Jika massa jenis kayu adalah 600 kg/m³, berapakah volume balok kayu yang tercelup di dalam air?
Pembahasan Soal 8:
Karena balok mengapung, maka gaya apung sama dengan berat balok.
$FA = Wtextbalok$
Kita tahu bahwa:
$FA = rhotextair times g times Vtexttercelup$
$Wtextbalok = mtextbalok times g = (rhotextkayu times V_texttotal) times g$
Jadi,
$rhotextair times g times Vtexttercelup = (rhotextkayu times Vtexttotal) times g$
Kita bisa mencoret $g$ dari kedua sisi:
$rhotextair times Vtexttercelup = rhotextkayu times Vtexttotal$
Sekarang, kita cari $Vtexttercelup$:
$Vtexttercelup = fracrhotextkayu times Vtexttotalrho_textair$
Diketahui:
$rhotextkayu$ = 600 kg/m³
$Vtexttotal$ = 0,002 m³
$rho_textair$ = 1000 kg/m³
$Vtexttercelup = frac600 text kg/m^3 times 0,002 text m^31000 text kg/m^3$
$Vtexttercelup = frac1,21000$
$V_texttercelup = 0,0012$ m³
Analisis: Sebesar 0,0012 m³ dari volume balok kayu tercelup di dalam air. Ini berarti 60% dari volume balok kayu terendam (0,0012 / 0,002 = 0,6). Perbandingan ini sesuai dengan perbandingan massa jenis kayu terhadap air (600/1000 = 0,6).
Kesimpulan
Memahami konsep tekanan dan hukum-hukum yang terkait dengannya (Hukum Pascal dan Hukum Archimedes) sangat krusial dalam studi IPA Kelas 8. Soal-soal yang disajikan di atas mencakup berbagai skenario penerapan konsep-konsep ini dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari benda padat, zat cair, hingga udara. Dengan berlatih soal-soal seperti ini dan memahami langkah-langkah penyelesaiannya, siswa diharapkan dapat menguasai materi Bab 7 dan menerapkannya dalam pemecahan masalah fisika yang lebih kompleks di masa mendatang. Ingatlah untuk selalu memperhatikan satuan yang digunakan dan melakukan konversi jika diperlukan, serta memahami konsep dasar di balik setiap rumus.
>
Semoga artikel ini bermanfaat! Jika Anda memiliki permintaan spesifik lainnya atau ingin mendalami bagian tertentu, beri tahu saya.
