NOTA SAINS BAB 8 TINGKATAN 5

Ringkasan Bab (Nota Sains Bab 8 Tingkatan 5: DAYA DAN TEKANAN)

Bab ini meneroka konsep tekanan dalam bendalir (cecair dan gas), dengan tumpuan kepada dua prinsip asas: Prinsip Pascal dan Prinsip Bernoulli.

Prinsip Pascal

Prinsip Pascal menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan pada bendalir dalam sistem tertutup akan disebarkan secara seragam ke seluruh bendalir dan ke semua arah. Prinsip ini adalah asas operasi sistem hidraulik, yang digunakan untuk melakukan kerja berat dengan menghasilkan daya output yang besar.

• Operasi Sistem Hidraulik: Sistem ini menggunakan dua silinder beromboh dengan luas permukaan yang berbeza dan diisi dengan bendalir seperti air atau minyak, yang tidak boleh dimampatkan. Daya input yang kecil dikenakan pada omboh kecil, menghasilkan tekanan yang dipindahkan ke omboh besar. Oleh kerana luas permukaan omboh besar lebih besar, daya output yang terhasil juga lebih besar.

• Aplikasi Prinsip Pascal:

    ◦ Jek Hidraulik: Digunakan untuk mengangkat beban berat seperti kereta. Tuas ditekan berulang kali untuk menaikkan omboh besar.

    ◦ Brek Hidraulik: Digunakan dalam kenderaan ringan seperti kereta. Apabila pedal brek ditekan, tekanan dipindahkan melalui minyak brek untuk menolak pad brek (brek cakera) atau kasut brek (brek gelendong), menghasilkan geseran yang memberhentikan roda.

    ◦ Kerusi Rawatan Gigi: Sistem hidraulik membolehkan kerusi dilaraskan ketinggian dan kedudukannya dengan mudah.

Prinsip Bernoulli

Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju bendalir meningkat, tekanan di kawasan tersebut akan berkurang. Hubungan songsang antara halaju dan tekanan ini mempunyai pelbagai aplikasi praktikal.

• Kesan Venturi: Apabila bendalir mengalir melalui tiub yang sempit (Tiub Venturi), halajunya meningkat dan tekanannya menurun. Ini adalah demonstrasi langsung Prinsip Bernoulli.

• Aplikasi Prinsip Bernoulli:

    ◦ Daya Angkat Kapal Terbang: Sayap kapal terbang berbentuk aerofoil. Udara yang bergerak di atas permukaan sayap yang melengkung mempunyai halaju lebih tinggi dan tekanan lebih rendah berbanding udara di bawah sayap. Perbezaan tekanan ini menghasilkan daya angkat. Sudut serang juga menyumbang kepada daya angkat.

    ◦ Helikopter dan Dron: Bilah kipasnya berfungsi seperti sayap aerofoil untuk menghasilkan daya angkat.

    ◦ Penunu Bunsen: Gas yang dipancut keluar pada halaju tinggi dari muncung jet menghasilkan kawasan bertekanan rendah, yang menyedut udara masuk untuk bercampur dengan gas bagi pembakaran yang lengkap.

    ◦ Garisan Keselamatan di Stesen Kereta Api: Kereta api yang bergerak laju mewujudkan kawasan bertekanan rendah di antara kereta api dan platform. Tekanan udara yang lebih tinggi di sekeliling boleh menolak seseorang ke arah landasan.

Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)

1. Huraikan masalah yang mungkin timbul pada sebuah kapal terbang jika sistem hidrauliknya mengalami kerosakan semasa penerbangan.

• Jawapan: Sistem hidraulik pada kapal terbang adalah kritikal untuk mengawal pelbagai komponen penting. Jika sistem ini rosak, juruterbang akan menghadapi kesukaran atau kegagalan untuk mengawal permukaan kawalan penerbangan seperti aileron (untuk membelok), elevator (untuk naik dan turun), dan kemudi (rudder). Selain itu, sistem pendaratan (roda) mungkin tidak dapat diturunkan, dan sistem brek roda mungkin tidak berfungsi selepas mendarat. Ini boleh menyebabkan pesawat sukar dikawal, gagal mendarat dengan selamat, atau tidak dapat berhenti di landasan, yang membawa kepada potensi bencana.

2. Mengapakah air atau minyak merupakan bendalir yang lazim digunakan dalam sistem hidraulik berbanding gas?

• Jawapan: Air atau minyak digunakan kerana kedua-duanya mempunyai sifat sebagai bendalir yang tidak boleh dimampatkan dan tidak mempunyai bentuk tetap. Sifat tidak boleh mampat ini sangat penting kerana ia memastikan bahawa tekanan yang dikenakan pada omboh input dipindahkan dengan cekap dan sepenuhnya kepada omboh output tanpa kehilangan tenaga untuk memampatkan bendalir itu sendiri. Sebaliknya, gas mudah dimampatkan, jadi sebahagian daripada daya input akan digunakan untuk memampatkan gas, menjadikan sistem kurang efisien dalam memindahkan daya.

3. Kenderaan ringan seperti kereta menggunakan brek hidraulik, manakala kenderaan berat seperti bas dan lori menggunakan brek angin. Berdasarkan pemahaman tentang prinsip Pascal, jelaskan mengapa sistem yang berbeza ini digunakan.

• Jawapan: Kedua-dua sistem brek hidraulik dan brek angin mengaplikasikan prinsip Pascal. Walau bagaimanapun, kenderaan berat seperti bas dan lori memerlukan daya geseran yang jauh lebih tinggi untuk berhenti dengan selamat kerana jisimnya yang besar. Brek angin menggunakan udara termampat sebagai bendalir. Sistem ini mampu menjana daya yang lebih besar berbanding sistem hidraulik biasa yang digunakan dalam kereta. Oleh itu, brek angin lebih sesuai untuk kenderaan berat. Bunyi udara kuat yang dilepaskan apabila brek digunakan pada kenderaan berat adalah bunyi pelepasan udara termampat daripada sistem.

4. Menggunakan Prinsip Bernoulli, terangkan mengapa penumpang di stesen kereta api dinasihatkan untuk berdiri di belakang garisan keselamatan kuning.

• Jawapan: Apabila sebuah kereta api bergerak melalui stesen pada kelajuan tinggi, ia menolak udara di hadapannya dan di sisinya. Ini menyebabkan udara di ruang sempit antara kereta api dan platform bergerak pada halaju yang sangat tinggi. Menurut Prinsip Bernoulli, kawasan dengan halaju bendalir (udara) yang tinggi ini akan mempunyai tekanan yang lebih rendah. Pada masa yang sama, tekanan udara di belakang penumpang (jauh dari kereta api) kekal tinggi (tekanan atmosfera biasa). Perbezaan tekanan ini menghasilkan satu daya tolakan dari kawasan bertekanan tinggi ke kawasan bertekanan rendah, yang boleh menolak penumpang ke arah kereta api yang sedang bergerak. Garisan keselamatan memastikan penumpang berada pada jarak yang selamat di mana kesan ini tidak membahayakan.

5. Sayap kapal terbang menjana daya angkat melalui bentuk aerofoil dan sudut serang. Jelaskan bagaimana kedua-dua ciri ini bekerjasama untuk membolehkan kapal terbang berlepas dan kekal di udara.

• Jawapan:

    ◦ Bentuk Aerofoil: Permukaan atas sayap yang melengkung menyebabkan udara yang mengalir di atasnya bergerak lebih laju berbanding udara yang mengalir di bawah permukaan sayap yang rata. Berdasarkan Prinsip Bernoulli, halaju udara yang lebih tinggi di atas sayap menghasilkan kawasan bertekanan lebih rendah, manakala halaju udara yang lebih perlahan di bawah sayap menghasilkan kawasan bertekanan lebih tinggi. Perbezaan tekanan ini menghasilkan daya bersih ke atas yang dipanggil daya angkat.

    ◦ Sudut Serang (Angle of Attack): Ini adalah sudut antara sayap dengan arah aliran udara yang mendatang. Apabila juruterbang meningkatkan sudut serang (dengan menaikkan muncung pesawat), aliran udara di bawah sayap akan dihalang, manakala aliran di atasnya dipercepatkan lagi. Ini meningkatkan perbezaan tekanan antara bahagian atas dan bawah sayap, seterusnya meningkatkan daya angkat. Gabungan bentuk aerofoil yang efisien dan keupayaan untuk melaraskan sudut serang membolehkan juruterbang mengawal daya angkat untuk berlepas, mendaki, dan mengekalkan ketinggian penerbangan.