Tekanan — Nota JomSkor
2.1 Tekanan Cecair Tekanan cecair adalah tekanan yang disebabkan oleh berat turus cecair dan dihitung menggunakan formula $P = h \rho g$. Ia bergantung kepada kedalaman cecair, ketumpatan cecair, dan pecutan graviti, tetapi tidak pada jisim, isi padu atau luas permukaan cecair. Tekanan cecair bertindak pada semua arah dan titik-titik pada aras yang sama dalam cecair statik mempunyai tekanan yang sama. 2.2 Tekanan Atmosfera Tekanan atmosfera ialah tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak ke atas permukaan bumi. Ia boleh diukur menggunakan barometer merkuri atau aneroid, dan nilainya berubah mengikut altitud serta keadaan cuaca. Perubahan tekanan atmosfera ini mempunyai kesan signifikan ke atas manusia, terutamanya pada altitud tinggi dan kedalaman laut yang lampau. 2.3 Tekanan Gas Tekanan gas diukur menggunakan manometer, yang biasanya terdiri daripada tiub-U berisi cecair. Tekanan gas ditentukan oleh perbezaan ketinggian turus cecair dalam tiub-U berbanding dengan tekanan atmosfera. Formula $P = h\rho g$ digunakan untuk menukar unit tekanan. 2.4 Prinsip Pascal Prinsip Pascal menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu. Prinsip ini diaplikasikan dalam sistem hidraulik untuk menggandakan daya, membolehkan daya input yang kecil menghasilkan daya output yang lebih besar. Aplikasi utama termasuk brek hidraulik dan jek hidraulik. 2.6 Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir bertambah, tekanan dalam bendalir akan berkurang atau sebaliknya. Perbezaan tekanan yang terhasil daripada perbezaan halaju bendalir ini mewujudkan daya, seperti daya angkat pada sayap kapal terbang. Prinsip ini diaplikasikan secara meluas dalam pelbagai bidang termasuk aeronautik, sukan, dan peralatan harian.
Fizik · Tingkatan 5
2.1 Tekanan Cecair Tekanan cecair adalah tekanan yang disebabkan oleh berat turus cecair dan dihitung menggunakan formula $P = h \rho g$. Ia bergantung kepada kedalaman cecair, ketumpatan cecair, dan pecutan graviti, tetapi tidak pada jisim, isi padu atau luas permukaan cecair. Tekanan cecair bertindak pada semua arah dan titik-titik pada aras yang sama dalam cecair statik mempunyai tekanan yang sama. 2.2 Tekanan Atmosfera Tekanan atmosfera ialah tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak ke atas permukaan bumi. Ia boleh diukur menggunakan barometer merkuri atau aneroid, dan nilainya berubah mengikut altitud serta keadaan cuaca. Perubahan tekanan atmosfera ini mempunyai kesan signifikan ke atas manusia, terutamanya pada altitud tinggi dan kedalaman laut yang lampau. 2.3 Tekanan Gas Tekanan gas diukur menggunakan manometer, yang biasanya terdiri daripada tiub-U berisi cecair. Tekanan gas ditentukan oleh perbezaan ketinggian turus cecair dalam tiub-U berbanding dengan tekanan atmosfera. Formula $P = h\rho g$ digunakan untuk menukar unit tekanan. 2.4 Prinsip Pascal Prinsip Pascal menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu. Prinsip ini diaplikasikan dalam sistem hidraulik untuk menggandakan daya, membolehkan daya input yang kecil menghasilkan daya output yang lebih besar. Aplikasi utama termasuk brek hidraulik dan jek hidraulik. 2.6 Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir bertambah, tekanan dalam bendalir akan berkurang atau sebaliknya. Perbezaan tekanan yang terhasil daripada perbezaan halaju bendalir ini mewujudkan daya, seperti daya angkat pada sayap kapal terbang. Prinsip ini diaplikasikan secara meluas dalam pelbagai bidang termasuk aeronautik, sukan, dan peralatan harian.
Formula Tekanan Cecair
Tekanan ($P$) pada suatu kedalaman dalam cecair adalah hasil darab kedalaman ($h$), ketumpatan cecair ($\rho$), dan pecutan graviti ($g$). Unit S.I. bagi tekanan ialah pascal (Pa).
$P = h \rho g$
Faktor-faktor Mempengaruhi Tekanan Cecair
Tekanan cecair dipengaruhi oleh kedalaman cecair, ketumpatan cecair, dan pecutan graviti. Ia tidak bergantung pada jisim, isi padu, atau luas permukaan cecair.
Tekanan Sebenar dalam Cecair
Tekanan sebenar yang dialami oleh objek dalam cecair adalah jumlah tekanan cecair ($h \rho g$) dan tekanan atmosfera ($P_{atm}$) yang bertindak di permukaan cecair.
$P_{sebenar} = h \rho g + P_{atm}$
Sifat Tekanan Cecair
Tekanan dalam cecair pada satu titik bertindak pada semua arah. Titik-titik pada aras yang sama mempunyai tekanan yang sama hanya jika cecair dalam keadaan statik.
Definisi Tekanan Atmosfera
Tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang tebal yang terdiri daripada pelbagai jenis gas yang bertindak ke atas permukaan bumi.
Pengukuran Tekanan Atmosfera
Tekanan atmosfera boleh diukur menggunakan barometer merkuri (seperti barometer Fortin) atau barometer aneroid. Formula $P = h\rho g$ digunakan untuk menghitung tekanan dalam unit Pascal, di mana $h$ ialah ketinggian turus merkuri, $\rho$ ialah ketumpatan merkuri, dan $g$ ialah pecutan graviti.
$P_{atm} = h\rho g$
Perubahan Tekanan Atmosfera
Nilai tekanan atmosfera boleh berubah mengikut perubahan cuaca dan altitud. Udara yang semakin tipis pada altitud tinggi menyebabkan tekanan atmosfera menjadi semakin rendah.
Kesan Tekanan Atmosfera ke atas Manusia
Pada altitud tinggi, tekanan atmosfera yang rendah menyebabkan kadar pernafasan meningkat dan penyerapan oksigen berkurang. Pada kedalaman laut yang lampau, tekanan air yang tinggi menyebabkan tisu badan menyerap gas nitrogen berlebihan.
Manometer
Radas yang terdiri daripada sebatang tiub-U kaca yang mengandungi cecair berwarna, digunakan untuk mengukur tekanan gas.
Tekanan Gas (berbanding tekanan atmosfera)
Tekanan gas di dalam bekas adalah sama dengan tekanan atmosfera ditambah dengan ketinggian turus cecair, $h$, jika aras cecair di lengan yang disambung ke gas lebih rendah.
$P_{gas} = h \text{ cm H}_2\text{O} + P_{atm}$
Penukaran Unit Tekanan
Tekanan boleh dihitung dalam unit Pascal (Pa) dengan menukar ketinggian turus cecair ($h$) kepada meter, ketumpatan cecair ($\rho$) dalam $\text{kg m}^{-3}$, dan pecutan graviti ($g$) dalam $\text{m s}^{-2}$.
$P = h\rho g$
Tekanan dalam Cecair
Tekanan dalam cecair tidak bergantung pada luas permukaan tiub atau bekas.
Prinsip Pascal
Tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu.
$P_1 = P_2$
Sistem Hidraulik
Sistem yang menggunakan cecair tidak termampat dalam sistem tertutup untuk memindahkan tekanan dan menggandakan daya. Tekanan input adalah sama dengan tekanan output.
$P = F/A$
Penggandaan Daya
Daya output ($F_2$) yang lebih besar dihasilkan apabila tekanan dipindahkan ke permukaan omboh output ($A_2$) yang lebih luas berbanding permukaan omboh input ($A_1$).
$F_2 = (A_2/A_1) \times F_1$
Prinsip Bernoulli
Apabila halaju pengaliran suatu bendalir (cecair atau gas) bertambah, tekanan dalam bendalir tersebut akan berkurang, dan sebaliknya.
Daya Angkat
Daya ke atas yang terhasil akibat perbezaan tekanan antara bahagian atas dan bawah objek yang bergerak dalam bendalir, disebabkan oleh perbezaan halaju bendalir. Halaju udara yang tinggi menghasilkan kawasan bertekanan rendah, manakala halaju udara yang rendah menghasilkan kawasan bertekanan tinggi.
Aerofoil
Bentuk sayap kapal terbang yang direka untuk menyebabkan udara mengalir pada kelajuan yang berbeza di bahagian atas dan bawahnya. Halaju udara yang tinggi di bahagian atas menghasilkan tekanan rendah, manakala halaju udara yang rendah di bahagian bawah menghasilkan tekanan tinggi, seterusnya menghasilkan daya angkat.
Tiub Venturi
Saluran dengan luas keratan rentas yang berbeza. Di bahagian yang lebih sempit, halaju bendalir lebih tinggi dan tekanan bendalir lebih rendah, menunjukkan hubungan antara halaju dan tekanan bendalir.
Contoh soalan
Rajah 2.7 menunjukkan seekor ikan berada pada kedalaman 1.5 m di dalam sebuah akuarium. Ketumpatan air akuarium ialah 1 050 kg m⁻³ dan tekanan atmosfera ialah 100 kPa. [Pecutan graviti, g = 9.81 m s⁻²] (a) Berapakah tekanan yang dialami oleh ikan itu disebabkan oleh air di sekelilingnya? (b) Hitungkan tekanan sebenar yang bertindak ke atas ikan itu.
- Kenal pasti maklumat yang diberikan: Kedalaman ikan, $h = 1.5 \text{ m}$. Ketumpatan air akuarium, $\rho = 1050 \text{ kg m}^{-3}$. Pecutan graviti, $g = 9.81 \text{ m s}^{-2}$. Tekanan atmosfera, $P_{atm} = 100 \text{ kPa}$.
- Untuk (a), hitung tekanan air ke atas ikan menggunakan formula $P = h \rho g$. $P = 1.5 \text{ m} \times 1050 \text{ kg m}^{-3} \times 9.81 \text{ m s}^{-2}$.
- Untuk (b), hitung tekanan sebenar yang bertindak ke atas ikan menggunakan formula $P_{sebenar} = h \rho g + P_{atm}$. $P_{sebenar} = 15.5 \text{ kPa} + 100 \text{ kPa}$.
(a) $15.5 \text{ kPa}$ (b) $115.5 \text{ kPa}$
- Mengabaikan tekanan atmosfera apabila menghitung tekanan sebenar pada objek yang terendam dalam cecair yang terdedah kepada atmosfera.
- Menganggap tekanan cecair bergantung pada luas permukaan atau bentuk bekas.
- Tidak menukar unit kedalaman (cm ke m) atau tekanan (kPa ke Pa) sebelum melakukan pengiraan.
- Tidak menukar unit ketinggian (contoh: mm ke m) sebelum melakukan pengiraan tekanan.
- Menganggap tekanan atmosfera adalah malar dan tidak berubah mengikut altitud atau cuaca.
- Tidak memahami perbezaan antara prinsip kerja barometer Fortin dan barometer Aneroid.
- Tidak menukar unit ketinggian (contoh: cm ke m) sebelum menggunakan formula $P = h\rho g$.
- Tersilap menambah atau menolak tekanan atmosfera apabila menentukan tekanan gas dari bacaan manometer.
- Menganggap diameter tiub manometer mempengaruhi bacaan tekanan gas.
- Menganggap air sesuai sebagai cecair hidraulik (air boleh termampat dan menyebabkan kakisan, berbanding minyak hidraulik).
- Tidak memahami bahawa tekanan dipindahkan secara seragam, bukan daya secara langsung.
- Kesilapan dalam menukar unit luas (contoh: $cm^2$ ke $m^2$) jika diperlukan dalam pengiraan.
- Mengabaikan keperluan sistem tertutup untuk pemindahan tekanan yang berkesan.
- Mengelirukan Prinsip Bernoulli dengan Prinsip Archimedes, terutamanya dalam penggunaan formula (contoh: $F_B = \rho V g$ adalah untuk Archimedes, bukan Bernoulli).
- Tidak memahami bahawa halaju bendalir yang lebih tinggi menyebabkan tekanan yang lebih rendah.
- Gagal menjelaskan peranan 'sudut serang' dalam penghasilan daya angkat pada aerofoil.
- Hanya mengaitkan daya angkat dengan bentuk aerofoil tanpa menjelaskan perbezaan tekanan dan halaju udara.
- Pastikan unit S.I. digunakan dalam pengiraan ($h$ dalam meter, $\rho$ dalam $\text{kg m}^{-3}$, $g$ dalam $\text{m s}^{-2}$, $P$ dalam Pascal).
- Fahami perbezaan antara tekanan cecair (disebabkan oleh cecair sahaja) dan tekanan sebenar (termasuk tekanan atmosfera).
- Gunakan formula $h_1 \rho_1 = h_2 \rho_2$ untuk membandingkan ketumpatan dua cecair tak bercampur dalam tiub-U.
- Ingat bahawa tekanan cecair pada aras yang sama adalah sama dalam cecair statik.
- Fahami definisi tekanan atmosfera dan faktor-faktor yang mempengaruhinya.
- Ingat formula $P = h\rho g$ dan cara menggunakannya untuk mengira tekanan atmosfera dalam unit Pascal.
- Ketahui pelbagai unit tekanan (Pa, mm Hg, m H₂O, milibar) dan konteks penggunaannya.
- Terangkan kesan tekanan atmosfera pada altitud tinggi dan kedalaman laut yang lampau ke atas manusia, serta langkah penyesuaian yang diperlukan.
- Pastikan semua unit konsisten (contoh: m, kg, s) sebelum melakukan pengiraan tekanan.
- Fahami konfigurasi manometer untuk menentukan sama ada tekanan gas lebih tinggi atau lebih rendah daripada tekanan atmosfera, untuk menambah atau menolak ketinggian turus cecair dengan betul.
- Ingat bahawa tekanan pada aras mendatar yang sama dalam bendalir yang berterusan adalah sama.
- Ketoksikan merkuri adalah sebab mengapa manometer merkuri jarang digunakan kini; manometer digital lebih biasa.
- Fahami konsep asas Prinsip Pascal: tekanan dipindahkan secara seragam dalam bendalir tertutup.
- Ingat formula penggandaan daya: $F_2 = (A_2/A_1) \times F_1$ dan aplikasikannya dengan betul dalam masalah pengiraan.
- Berikan contoh aplikasi Prinsip Pascal dalam kehidupan harian seperti brek hidraulik dan jek hidraulik.
- Jelaskan mengapa cecair hidraulik (minyak) digunakan dan bukan air (kerana minyak tidak termampat, tidak menyebabkan kakisan, dan bertindak sebagai pelincir).
- Fahami hubungan songsang antara halaju bendalir dan tekanan bendalir seperti yang dinyatakan dalam Prinsip Bernoulli.
- Mampu menjelaskan bagaimana daya angkat dihasilkan pada sayap kapal terbang dan bola pingpong yang berputar menggunakan Prinsip Bernoulli.
- Kenal pasti dan terangkan pelbagai aplikasi Prinsip Bernoulli dalam kehidupan harian, seperti penunu Bunsen, spoiler kereta lumba, dan tiub venturi.
- Ingat bahawa Hukum Gerakan Newton Ketiga juga menyumbang kepada daya angkat, terutamanya berkaitan dengan sudut serang.
- Tekanan Cecair
- Kedalaman Cecair
- Ketumpatan Cecair
- Pecutan Graviti
- Pascal (Pa)
- Tekanan Atmosfera
- Tiub-U
- Manometer
- Sifon
- Empangan
- Cecair Intravena
- Tekanan atmosfera
- Barometer merkuri
- Barometer Fortin
- Barometer Aneroid
- mm Hg
- m H₂O
- milibar (mbar)
- Altitud
- Kedalaman lampau
- Tekanan Gas
- Merkuri
- Kelalang gas termampat
- Manometer digital
- Prinsip Pascal
- Sistem hidraulik
- Pengganda daya
- Omboh input
- Omboh output
- Cecair hidraulik
- Brek hidraulik
- Jek hidraulik
- Prinsip Bernoulli
- Bendalir
- Halaju pengaliran
- Tekanan
- Daya angkat
- Aerofoil
- Tiub venturi
- Sudut serang
- Penunu Bunsen
- Hukum Gerakan Newton Ketiga