Daya dan Tekanan — Nota JomSkor

Prinsip Pascal dan Sistem Tertutup

Sistem tertutup ialah suatu sistem fizikal di mana jirim tidak dapat masuk atau keluar daripada sistem tersebut. Prinsip Pascal menyatakan bahawa penyebaran tekanan yang dikenakan pada sesuatu bendalir (cecair atau gas) dalam satu sistem tertutup adalah secara seragam pada keseluruhan bendalir tersebut dan ke semua arah. Contoh: apabila daya dikenakan ke atas permukaan air dalam botol plastik bertutup berlubang, air dari setiap lubang terpancut lebih jauh dengan jarak tambahan yang sama.

Tekanan disebarkan secara seragam ke semua arah dalam sistem tertutup

Prinsip Operasi Sistem Hidraulik

Sistem hidraulik terdiri daripada dua silinder beromboh dengan luas permukaan berlainan, menggunakan bendalir seperti air atau minyak (tidak mempunyai bentuk tetap dan tidak boleh dimampatkan). Berdasarkan prinsip Pascal, tekanan yang dikenakan oleh omboh kecil adalah sama dengan tekanan yang dihasilkan pada omboh besar, membolehkan daya input yang kecil menghasilkan daya output yang besar untuk mengangkat beban berat. Contoh pengiraan: daya input 10 N pada omboh berluas 2 cm2 menghasilkan daya output = (10 N x 100 cm2) / 2 cm2 = 500 N pada omboh berluas 100 cm2.

Tekanan pada omboh kecil = Tekanan pada omboh besar; Daya input / Luas omboh kecil = Daya output / Luas omboh besar

Aplikasi Prinsip Pascal dalam Kehidupan Harian

Tiga contoh utama: (1) Sistem jek hidraulik — tuas ditolak ke bawah dan ke atas berulang kali untuk menolak omboh besar berbeban ke atas dengan injap pelepas tertutup; apabila injap pelepas dibuka, omboh besar turun kembali ke kedudukan asal. (2) Sistem brek hidraulik — pedal brek yang ditekan menolak omboh silinder utama, tekanan dipindahkan secara seragam oleh minyak brek melalui paip logam ke silinder brek pada brek cakera (roda depan, menekan pad brek pada piring keluli) dan brek gelendong (roda belakang, menekan pelapik brek pada gelendong brek); daya geseran yang terhasil memperlahankan/memberhentikan putaran roda. (3) Kerusi rawatan gigi — pelarasan ketinggian menggunakan sistem hidraulik berdasarkan prinsip Pascal.

Hubung Kait Halaju Bendalir dengan Tekanan: Kesan Venturi

Tekanan bendalir adalah sama pada bendalir yang tidak mengalir (statik). Tiub Venturi ialah tiub tidak seragam dengan bahagian tengah lebih sempit. Apabila bendalir mengalir melalui tiub Venturi, halaju bendalir di bahagian sempit adalah lebih tinggi berbanding bahagian yang lebih luas; semakin sempit bahagian tiub, semakin rendah tekanan bendalir yang melaluinya. Fenomena ini dikenali sebagai kesan Venturi.

Prinsip Bernoulli dan Aplikasinya

Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa bendalir yang bergerak dengan halaju tinggi akan menghasilkan tekanan yang lebih rendah pada kawasan tersebut. Aplikasi: Daya angkat sayap kapal terbang terhasil daripada bentuk aerofoil dan sudut serang — aliran udara berhalaju tinggi di atas sayap menghasilkan tekanan rendah, manakala aliran udara berhalaju rendah di bawah sayap menghasilkan tekanan tinggi, mewujudkan daya angkat ke atas. Prinsip yang sama berlaku pada helikopter dan dron. Pada garisan keselamatan tepi landasan stesen kereta api, aliran udara berhalaju tinggi (tekanan rendah) berlaku antara kereta api yang bergerak laju dengan orang yang berdiri berdekatan, menyebabkan orang itu boleh tertolak ke arah kereta api — sebab itu garisan keselamatan perlu dipatuhi.

Halaju bendalir tinggi -> tekanan bendalir rendah (dan sebaliknya)

Contoh soalan

Satu sistem jek hidraulik mempunyai omboh kecil berluas permukaan 2 cm2 dan omboh besar berluas permukaan 150 cm2. Suatu daya input 15 N dikenakan pada omboh kecil. Hitung daya output yang dihasilkan pada omboh besar dan nyatakan prinsip yang digunakan.

• Prinsip yang digunakan ialah Prinsip Pascal: tekanan yang dikenakan oleh omboh kecil adalah sama dengan tekanan yang dihasilkan pada omboh besar.
• Daya input / Luas omboh kecil = Daya output / Luas omboh besar
• 15 N / 2 cm2 = Daya output / 150 cm2
• Daya output = (15 N x 150 cm2) / 2 cm2 = 1125 N

Contoh soalan

Terangkan mengapa daya angkat terhasil pada sayap kapal terbang semasa ia bergerak laju di udara, berdasarkan prinsip Bernoulli.

• Bentuk aerofoil sayap kapal terbang menyebabkan udara mengalir lebih laju di atas sayap berbanding di bawah sayap.
• Mengikut prinsip Bernoulli, aliran udara berhalaju tinggi di atas sayap menghasilkan tekanan udara yang lebih rendah, manakala aliran udara berhalaju rendah di bawah sayap menghasilkan tekanan udara yang lebih tinggi.
• Perbezaan tekanan ini (tekanan tinggi di bawah, tekanan rendah di atas) menghasilkan daya angkat yang menolak sayap (dan kapal terbang) ke atas.

Contoh soalan

Huraikan bagaimana sistem brek hidraulik berfungsi untuk memberhentikan sebuah kereta yang sedang bergerak.

• Pedal brek yang ditekan menolak omboh dalam silinder utama ke dalam dan mengenakan tekanan ke atas minyak brek.
• Mengikut prinsip Pascal, tekanan ini dipindahkan secara seragam oleh minyak brek melalui paip logam ke silinder brek pada roda depan dan belakang.
• Pada brek cakera (roda depan), tekanan menolak omboh dalam silinder brek yang menekan pad brek ke atas piring keluli.
• Pada brek gelendong (roda belakang), tekanan menolak omboh dalam silinder brek yang menekan kasut brek dan pelapik brek pada gelendong brek.
• Daya geseran yang terhasil antara pad brek/piring keluli dan pelapik brek/gelendong brek memperlahankan atau memberhentikan putaran roda, lalu memberhentikan kereta.