SISTEM ROBOTIK KELAS XI TEKNIK MEKATRONIKA

BAB I

Konsep  Fisika Dasar Yang Berkaitan dengan Udara Bertekanan

 

TUJUAN PEMBELAJARAN

Setelah mempelajari materi tentang konsep fisika Dasar yang berkaitan dengan udara bertekanan, peserta didik diharapkan: 1.     Menjelaskan konsep standar tekanan udara 2.     Menjelaskan tekanan udara dalam bejana, 3.     memahami konsep penggunaan alat ukur tekanan udara 4.     Mampu menggunakan alat ukur tekanan udara untuk membuktikan sifat tekanan udara berdasarkan hukum Pascal dan hukum Boyle-Mariotte

 

PETA KONSEP

Konsep  Fisika Dasar Yang Berkaitan dengan Udara Bertekanan Defenisi Satuan tekanan dan Temperatur   Hukum Pascal   Hukum Boyle-MAriotte   Karakteristik udara Bertekanan

 

KATA KUNCI

Hukum Pascal, Tekanan, Temperatur, Boyle-Mariotte, udara bertekanan

 

 

 

 

 

PENDAHULUAN

 

 

            Tekanan udara  adalah bentuk dasar yang sangat penting untuk membentuk sebuah sistem pneumatic. Konsep udara bertekanan, termasuk didalamnya Hukum Pascal  diperlukan untuk membentuk dan menghasilkan system pneumatic yang aman untuk dipergunakan dalam kehidupan sehari-hari, baik dalam lingkungan pendidikan, maupun sector industry dan UMKM, seperti perbengkelan yang sangat membutuhkan konsep udara bertekanan ini untuk dipergunakan dalam mengangkat beban yang berat seperti kendaraan beroda empat. Pada bab ini akan  dipelajari Hukum Pascal, Hukum boyle-Mariotte dan karakteristik udara bertekanan. Untuk lebih jelasnya kita akan membahas dibawah ini.

           

MATERI PEMBELAJARAN

A.  Defenisi Satuan Tekanan dan Temperatur

 

Gambar1.1. Konsep tekanan dihubungkan pada bidang luas sepatu yang menjangkau tanah

Sumber : Static.inilah.com

 

Tekanan (simbol: p atau P) adalah sebuah istilah dalam  fisika yang digunakan untuk menyatakan besarnya gaya per satuan luas. Perlu diperhatikan,  bahwa gaya yang dimaksud disini adalah gaya yang tegak lurus dengan permukaan dari suatu objek.  Tekanan biasanya digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu zat yang berupa cairan atau gas. Untuk zat padat jarang digunakan istilah tekanan karena zat pada bentuk dan volumenya tidak berubah-ubah. Satuan tekanan juga sering dihubungkan dengan volume(isi) dan suhu. Semakin tinggi tekanan di suatu tempat yang volumenya sama, maka suhu pada tempat tersebut juga akan semakin tinggi. Hal ini bisa digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah daripada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi. Namun pernyataan tersebut tidak selamanya benar atau terkecuali untuk uap air, apabila tekanan uap air ditingkatkan maka akan terjadi perubahan dari gas kembali menjadi cair. Rumus tekanan bisa juga digunakan untuk menerangkan mengapa pisau yang diasah dan permukaannya menipis menjadi tajam. Semakin kecil luas permukaan, dengan gaya yang sama akan dapatkan tekanan yang lebih tinggi. Satuan Internasional (SI) untuk tekanan adalah Pascal (Pa), pascal ini sama dengan newton per meter persegi (N/m²). Tekanan udara bisa diukur dengan menggunakan barometer. (https://www.pelajaran.co.id/)

1.    KLASIFIKASI MACAM – MACAM JENIS TEKANAN

Secara umum terdapat dua jenis tekanan, jika tekanan itu berhubungan dengan zat cair disebut dengan Tekanan Hidrostatis, sedangkan tekanan yang berhubungan dengan zat gas disebut Tekanan Udara.

a.       Tekanan Hidrostatis

Sesuai dengan namanya, kata hidrostatis berasal dari dua kata, yaitu “hidro” yang artinya air dan “statis” yang artinya tetap. Jadi tekanan hidrostatis merupakan tekanan pada zat cair dalam keadaan diam. Tekanan hidrostatisk ini ada pada kesetimbangan zat cair dalam posisi diam karena dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Tekanan Hidrostatis tidak dipengaruhi oleh volume dari zat cair tersebut. Tiga hal utama yang mempengaruhi tekanan hidrostatis pada suatu tempat adalah :

a.    Kedalaman

b.    Massa jenis zat cair tersebut

c.    Gaya gravitasi pada tempat itu

Gambar 1.2. Besar atau kecilnya tekanan hidrostatis seseorang dipengaruhi oleh jauh atau dekat posisinya dari permukaan air

Sumber : https://www.studiobelajar.com/tekanan-hidrostatis/

b. Tekanan Udara

Tekanan udara adalah tekanan yang menggerakkan massa udara dalam setiap satuan luas tertentu. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur tekanan udara disebut barometer. Satuan dari tekanan udara adalah milibar (mb). Besarnya tekanan udara akan berbanding terbalik dengan ketinggian suatu tempat, semakin tinggi tempat tersebut, maka semakin rendah tekanan udaranya, demikian pula sebaliknya.

Gambar 1.3. Tekanan udara yang terdapat di permukaan bumi

https://www.ruangguru.co.id/pengertian-tekanan-udara-rumus-satuan-dan-alat-untuk-mengukur-tekanan-udara/

 

2 PERSAMAAN, RUMUS DAN SATUAN TEKANAN

 

3.BESARAN – BESARAN FISIKA YANG BERHUBUNGAN DENGAN TEKANAN

a. Besaran Gaya

Gaya adalah segala bentuk interaksi yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami perubahan gerak. Dinilai dari nilai dan arahnya, gaya merupakan besaran vektor fisika karena gaya memiliki nilai dan arah. Sedangkan dinilai dari jenisnya, gaya termasuk besaran turunan karena nilainya didapatkan bukan dari pengukuran langsung melainkan dengan menghubungkan dengan besaran-besaran pokok yang mempengaruhi. Satuan Internasional (SI) yang dipakai untuk gaya adalah Newton (N). Simbol yang digunakan untuk melambangkan gaya adalah F (huruf kapital). Alat ukur yang biasanya digunakan untuk mengukur gaya adalah dinamometer atau neraca pegas.  Dalam mempengaruhi benda, gaya dapat mengubah posisi benda tersebut, mengubah pergerakannya, ataupun mengubah bentuk benda. Untuk melakukan sebuah gaya diperlukan usaha, semakin besar gaya yang ingin dilakukan, maka semakin besar usaha yang harus dikeluarkan.

Gambar 1.4. Alat ukur tekanan udara bentuk analog dan digital

Sumber : https://abi-blog.com/jenis-jenis-dinamometer-dan-kegunaannya/

 

2. Besaran Luas

Luas adalah besaran turunan fisika yang menyatakan ukuran dua dimensi dari suatu bagian permukaan.  Nilainya didapatkan dari perkalian dua satuan panjang sebuah objek. Satuan Internasional (SI) untuk luas adalah meter persegi (m2). Simbol yang digunakan untuk melambangkan luas adalah A (huruf kapital). Bentuk dari objek tersebut akan mempengaruhi luasnya, contohnya jika bentuk objek bujur sangkar maka luas didapatkan dari perkalian kedua sisinya, jika bentuk objek persegi panjang, maka luas didapatkan dari perkalian panjang dan lebarnya, jika bentuk objek lingkaran, maka luas didapatkan dari perkalian phi dengan jari-jari pangkat dua, sedangkan jika bentuknya segitiga, luas objek didapatkan dari perkalian alas dengan tingginya. https://www.ilmudasar.com/2017/10

 

Temperatur

Gambar 1.5. Pengukuran temperatur ruangan dengan alat ukur

http://www.mysecretwindow.se/category/hemma-hos/

Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya menggunakan perubahan salah satu property suatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik.

Prinsip    pengukurannya   adalah  apabila   suatu        alat               ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi   perpindahan   panas   ke   alat   ukur   sampai   terjadi   keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang terterapada alat ukur adalah     sama      dengan    temperatur     pada     benda            yang                 diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika Zeroth (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan  seimbang thermal dengan benda ketiga  maka  dua  benda tersebut juga dalam keadaan seimbang thermal walaupun tidak saling bersentuhan.

 

Dalam  sistem  SI  satuan  temperatur  adalah  Kelvin  (K)  tanpa derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik 0⁰C sama dengan 273 K.  Titik 0⁰C adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti. Dalam   analisis   thermodinamika,   apabila   yang   dimaksudkan adalah ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran ⁰C maupu K dapat digunakan.

Temperatur (temperature) berbeda dengan kalor (heat). Kalor adalah variabel energi yang berkaitan dengan temperatur. Semakin tinggi temperatur belum tentu memiliki energi yang lebih tinggi. Sebaliknya temperatur yang rendah belum tentu memiliki kalor yang rendah. Sebagai contoh jika ada sebutir peluru yang temperaturnya sangat tinggi, anggaplah 200 ^oC dengan air kolam yang sangat besar yang temperaturnya 80 ^oC, manakah yang lebih tinggi kalornya?Tentu jawabannya adalah air kolam. Kalor tidak hanya bergantung dari temperatur tapi juga bergantung dengan massanya.

Untuk mengubah satuan temperatur dari satuan yang satu ke yang lain dapat menggunakan cara dibawah ini:

http://catatan-teknik.blogspot.com/2016/04/variabel-variabel-termodinamika.html

 

 

B.  Hukum Pascal

Gambar 1.6. Aplikasi konsep Hukum pascal pada pompa hidrolik pada pencucian mobil

Sumber : http://www.mysecretwindow.se/category/hemma-hos/

Kita semua pasti sering melihat kendaraan roda empat yang di bersihkan atau dengan istilah Doorsmeer menggunakan alat seperti diatas. Alat seperti diatas memiliki prinsip kerja yang sederhana, namun berdaya guna. Alat dengan nama Pompa Hidrolik ini menggunakan prinsip kerja yang dikenal dengan nama Hukum Pascal.

Apakah defenisi hukum Pascal tersebut dan apa saja penerapannya dalam kehidupan kita sehari-hari? Mari kita baca penjabaran dibawah ini.

Berbicara tentang Hukum Pascal, inti dari pengertian hukum pascal adalah keterkaitan antara tekanan yang disebabkan oleh zat cair dalam ruang tertutup.Adapun Bunyi Hukum Pascal adalah : sebuah Tekanan yang terjadi zat cair didalam ruang tertutup akan diteruskan secara merata ke segala arah/tempat. 

Contohnya, alat semprot bunga , ketika kita dorong untuk disemprotkan maka air/udara yang keluar dari lubang penyemprot akan sama besar dan sama kuat. Hal ini menunjukkan bahwa air dapat menekan secara merata ke segala arah/tempat.

Pemanfaatan Hukum Pascal yang paling utama adalah dalam hal "memanfaatkan gaya yang kecil namun dapat menghasilkan gaya yang besar contohnya adalah pompa hidrolik untuk mengangkat kendaraan roda empat. Pompa ini memiliki dua buah tabung yang luas penampang tabungnya antar keduanya berbeda. Pada tabung kecil dikerjakan dengan gaya F1 dan pada tabung besar di kerjakan gaya F2. Hubungan yang berlaku pada kedua penampang tersebut adalah P₁ = P₂. Tekanan yang dihasilkan pada cairan adalah:

        

 

Dimana :

P₁  = Tekanan pada penampang kecil ( Pa)

P₂  = Tekanan pada penampang besar (Pa)

A₁ = Luas penampang  kecil ( m2)

A₂ = Luas penampang besar (m2)

F₁  = Gaya pada penampang kecil (N)

F₂ = Gaya pada penampang besar (N)

 

Contoh Penggunaan Rumus Hukum Pascal diatas adalah sebagai berikut :

Luas penampang kecil (A₁) adalah = 100 cm²

Luas penampang besar (A₂) adalah = 1 m²

Perbandingan antara A₂/A₁ adalah 100 kali

Hal ini berarti, dengan mengerjakan gaya F1 = 15 N pada tabung kecil, maka gaya yang dihasilkan dan peroleh pada tabung besar adalah :

F₂ = F₁

= 15 N x 100

=1.500 N 

Dengan demikian, gaya 15 N yang kalau kita perkirakan mampu untuk digunakan menekan sebuah paku payu payung pada papan, tetapi mampu menghasilkan gaya sebesar 1500 N yang kira-kira sama dengan berat mobil sedan.

 

Contoh soal Hukum Pascal :

Pompa hidrolik mempunya luas penampang kecil 20 cm2. Jika gaya 20 N dapat digunakan untuk mengangkat  mobil dengan berat 8.000 N, berapa luas penampang besar?

Jawabannya adalah :

1 

      = 8.000 cm2

      = 0,8 m2

 

Kita sering menjumpai aplikasi pemanfaatan Hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya adalah :

1.      Jembatan Angkat

Contoh penggunaan jembatan angkat ini bisa kita lihat pada bengkel dan tempat pencucian mobil. Dengan diangkatnya mobil maka akan mempermudah perbaikan maupun pembersihan mobil bagian bawah. Didalam reservoir atau bak penampungan cairan jembatan angkat diisi dengan minyak. Diatasnya permukaan minyak terdapat udara yang dimampatkan atau dipadatkan sehingga mempunyai tekanan yang tinggi. Ketika jembatan angkat ini dipergunakan, maka udara yang mampat ini akan meneruskan tekanan kebagian bawah penghisap yang selanjutnya akan mengangkat mobil yang diletakkan diatasnya. Dengan cara seperti ini maka akan dengan mudah mengangkat beban mobil yang berat menjadi mudah dilakukan.

Gambar 1.7. Jembatan angkat

https://pixabay.com/id/photos/jembatan-perairan-jembatan-angkat-3196619/

2.      Dongkrak Hidrolik

Tau dongkrak kan? Alat ini merupakan alat wajib yang harus tersedia didalam mobil karena akan sangat membantu kita untuk mengganti ban mobil kita ketika bocor. Ketika dongkrak ditekan atau diungkit, maka penghisap kecil akan menekan cairan yang berada di reservoir. Cairan ini akan meneruskan tekanan ke penghisap besar sehingga akan mendorong benda yang ada diatasnya.

Gambar 1.8. Pompa hidrolik

Sumber : https://blog.klikmro.com/cerita-menarik-dari-sejarah-penemuan-dongkrak-hidrolik/

3.      Benda lain yang mempergunakan prinsip dasar Hukum Pascal adalah, Kempa Hidrolik yang biasanya digunakan untuk memeras buah untuk diambil airnya,  memadatkan kertas dan lain-lain. Digunakan juga pada Dental Chair atau kursi periksa gigi, pompa ban, elevator atau tangga berjalan untuk menaikkan barang atau orang ke pesawat dan lain-lain.

Gambar 1.9. Kempa hidrolik

Sumber : https://indonesian.alibaba.com/product-detail/laboratory-hydraulic-press-400c-25t-hydraulic-lamination-hot-press-with-dual-temp-controller-8-x-8-platens-60290348916.html

4.      Rem cakram hidrolik

Pemanfaatan hukum Pascal juga diterapkan pada rem (cakram) hidrolik. Rem (cakram) menggunakan fluida minyak. Ketika kaki menginjak pedal rem, piston (pipa penghubung) akan menekan minyak yang ada di dalamnya. Tekanan tersebut kemudian diteruskan pada kedua piston keluaran yang berfungsi untuk mengatur rem. Rem ini akan menjepit piringan logam yang akibatnya bisa menimbulkan gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan sehingga putaran roda berhenti. Ketika piston pertama (A₁) ditekan, maka permukaan piston kedua (A₂) akan naik. Dari keadaan tersebut, berdasarkan hukum pascal bisa dihasilkan hubungan volume minyak yang didesak sama dengan volume minyak yang naik. Bila volume minyak yang didesak (V₁) sama dengan A₁ h₁ dan volume minyak yang naik (V₂) sama dengan A₂ h₂, maka :

V₁ =V₂
A₁ h₁ =A₂ h₂

Dengan keterangan:

h₁ = tinggi fluida pada piston pertama

h₂ = tinggi fluida pada piston kedua

A₁ = luas penampang piston pertama

A₂ = luas penampang piston kedua

 

C.  Hukum Boyle-Mariotte

Hukum Boyle, yaitu hukum fisika yang menjelaskan bagaimana kaitan antara tekanan dan volume suatu gas. Penemu hukum boyle adalah Robert Boyle (1627-1691), dia melakukan penelitian untuk mengetahui hubungan antara tekanan dan volume gas pada suhu yang konstan. Dari hasil penelitiannya, Robet Boyle menemukan bahwa hasil kali tekanan dan volume gas dalam ruangan tertutup adalah tetap/konstan.

https://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_Boyle (ilustrasi hukum Boyle Mariotte) 

Hukum Boyle

Hukum boyle ditemukan oleh Robert Boyle yang menyelidiki pengaruh tekanan terhadap volume gas pada suhu tetap. Pernyataan Robert Boyle dikenal dengan Hukum Boyle, yang berbunyi :

“Pada suhu tetap, tekanan gas di dalam ruang tertutup berbanding terbalik dengan volumenya”

Dari hukum Boyle tersebut berarti hasil kali tekanan dan volume gas dalam ruang tertutup adalah konstan (tetap) asalkan suhu gas tetap.

Pernyataan tersebut bila ditulis dalam bentuk rumus :

P . V = C

Dimana c = bilangan tetap (konstanta)

Bila tekanan diubah maka volum gas juga berubah maka rumus di atas dapat ditulis sebagai berikut.

P₁ . V₁ = P₂ . V₂

Keterangan:

P₁ = tekanan gas mula-mula (atm, cm Hg, N/m², Pa)
P₂ = tekanan gas akhir (atm, cm Hg, N/m², Pa)
V₁ = volum gas mula-mula (m³, cm³)
V₂ = volum gas akhir (m³, cm³)

Penerapan Hukum Boyle

Penerapan Hukum Boyle terdapat pada prinsip kerja pompa. Pompa adalah alat yang digunakan untuk memindahkan gas atau zat cair. Berdasarkan prinsip kerja ini, pompa dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu pompa hisap dan pompa tekan.

Gambar 1.10. Perlatan Dengan Prinsip Hukum Boyle

https://www.seputarpengetahuan.co.id/2017/10/pengertian-hukum-boyle-rumus-penerapan-contoh-soal.html

Saat penghisap ditarik, maka volume udara dalam pompa membesar dan udara tidak dapat masuk ke ban sebab harus masuk melalui katup (ventil) dari karet. Jika pengisap ditekan maka volume udara dalam pompa mengecil dan udara dapat masuk ke ban melalui ventil karena tekanannya membesar.

 

Contoh Soal Terkait Hukum Boyle

Suatu ruangan tertutup mengandung gas dengan volume 100 ml. Jika tekanan ruangan tersebut adalah 80 cmHg, hitunglah tekanan gas pada ruangan yang volumenya 250 ml?

Diketahui: V₁ = 100 mL ; P₁ = 10 cmHg ; V₂ = 250 ml

Ditanya : P₂ ?

Jawab :

 

D.  Karakteristik udara Bertekanan

Kita semua mengetahui, bahwa udara adalah salah satu bentuk energi di bumi yang bebas kita peroleh dimanapun dan kapanpun tanpa harus mengeluarkan pengorbanan untuk mendapatkannya. Udara memiliki beberapa karakteristik seperti yang tersebut dibawah ini.

Karakteristik positif Sistem Pneumatik :

1.Quantity : Tersedia di mana saja dan tak terbatas

2.Transportation : Mudah disalurkan melalui pipa

3.Storage : Dapat disimpan di dalam tanki atau botol

4.Temperature : Udara tidak sensitif terhadap fluktuasi suhu.

5. Explosion-proof : Udara tekan tidak menyebabkan terjadinya ledakan.

6.Cleanliness : Udara tekan sangat bersih tidak menimbulkan polusi.

7.Construction : Konstruksi komponen pnumatik relatif sederhana.

8.Speed : Udara tekan merupakan working medium yang mempunyai respon cepat [1-2 m/s]

 

 

Karakteristik Positif Sistem Penumatik :

1.    Udara banyak mengandung uap air, sehingga bila kita tidak memastkan udara yang masuk kedalam sistem alat kita, maka alat kita akan cepat karatan akibat hal tersebut.

TUGAS 1. 

Buatlah Presentasi dalam bentuk Microsoft  power point  melalui informasi yang diperoleh dari internet  mengenai peralatan dalam kehidupan sehari yang memanfaatkan Hukum Pascal dan Hukum Boyle-Mariotte. Minimal 10 halaman Power point.