Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 2: Tekanan
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
RINGKASAN
Ringkasan Konsep Utama (Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 2: Tekanan)
Bab ini meneroka konsep tekanan dalam pelbagai bentuk—cecair, atmosfera, dan gas—serta prinsip-prinsip fizik asas yang mengawalnya. Pemahaman tentang tekanan adalah penting dalam pelbagai aplikasi, daripada reka bentuk empangan dan kenderaan laut dalam hingga kepada teknologi penerbangan dan sistem hidraulik.
1. Tekanan Cecair
Tekanan dalam cecair dihasilkan oleh berat turus cecair itu sendiri. Ia bertindak ke semua arah.
• Faktor-faktor yang Mempengaruhi: Tekanan cecair bergantung kepada tiga faktor utama:
1. Kedalaman cecair (h): Semakin dalam cecair, semakin tinggi tekanannya.
2. Ketumpatan cecair (ρ): Semakin tumpat cecair, semakin tinggi tekanannya.
3. Pecutan graviti (g): Merupakan pemalar dalam kebanyakan pengiraan di Bumi.
• Formula: Tekanan cecair dikira menggunakan formula P = hρg.
• Faktor yang Tidak Mempengaruhi: Tekanan cecair tidak bergantung pada jisim, isi padu, atau luas permukaan cecair.
• Aplikasi: Konsep ini digunakan dalam pembinaan empangan (dinding lebih lebar di dasar), kedudukan tangki air di rumah, penggunaan sifon, dan penetapan ketinggian beg cecair intravena.
2. Tekanan Atmosfera
Tekanan atmosfera ialah tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak ke atas permukaan bumi.
• Pengukuran: Diukur menggunakan barometer, seperti Barometer Merkuri atau Barometer Aneroid. Pada aras laut, tekanan atmosfera adalah lebih kurang 760 mm Hg atau 101.3 kPa.
• Kesan Altitud: Tekanan atmosfera berkurangan apabila altitud meningkat kerana lapisan udara menjadi semakin nipis dan kurang tumpat.
• Kesan Kedalaman Laut: Tekanan meningkat dengan ketara di bawah permukaan laut disebabkan oleh gabungan tekanan air dan tekanan atmosfera. Setiap 10 meter kedalaman menambah kira-kira 1 atmosfera tekanan.
• Kesan kepada Manusia: Perubahan tekanan yang ekstrem (di altitud tinggi atau kedalaman laut) memberi kesan fisiologi kepada manusia, seperti kesukaran bernafas atau penyerapan gas nitrogen berlebihan dalam darah. Ini memerlukan penyesuaian seperti kabin bertekanan dalam kapal terbang dan kapal selam, serta prosedur nyahmampatan yang perlahan untuk penyelam.
3. Tekanan Gas
Tekanan gas dalam bekas tertutup diukur menggunakan manometer. Manometer membandingkan tekanan gas dengan tekanan atmosfera.
• Pengiraan: Tekanan gas (Pgas) dihitung berdasarkan perbezaan ketinggian (h) turus cecair dalam manometer dan tekanan atmosfera (Patm). Formula asasnya ialah Pgas = h + Patm.
4. Prinsip Pascal
Prinsip ini menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu.
• Sistem Hidraulik: Prinsip ini adalah asas kepada sistem hidraulik, yang berfungsi sebagai pengganda daya. Daya input yang kecil pada omboh kecil boleh menghasilkan daya output yang jauh lebih besar pada omboh besar.
• Formula: F1 / A1 = F2 / A2, di mana F ialah daya dan A ialah luas permukaan omboh.
• Aplikasi: Digunakan secara meluas dalam jek hidraulik, sistem brek hidraulik kereta, dan mesin pengekstrak santan.
5. Prinsip Archimedes
Prinsip ini menyatakan bahawa objek yang terendam sebahagian atau sepenuhnya di dalam bendalir akan mengalami daya apungan yang sama dengan berat bendalir yang disesarkan.
• Daya Apungan (FB): Daya tujah ke atas ini wujud kerana perbezaan tekanan antara permukaan bawah dan permukaan atas objek yang terendam. Ia dikira menggunakan formula FB = ρVg, di mana ρ ialah ketumpatan bendalir dan V ialah isi padu bendalir yang disesarkan.
• Keapungan: Sesuatu objek akan:
◦ Terapung: Jika daya apungan sama dengan beratnya (FB = W).
◦ Tenggelam: Jika beratnya lebih besar daripada daya apungan (W > FB).
◦ Timbul/Naik: Jika daya apungan lebih besar daripada beratnya (FB > W).
• Aplikasi: Menjelaskan bagaimana kapal laut dan kapal selam berfungsi (menggunakan tangki balast untuk mengawal keapungan), penggunaan hidrometer untuk mengukur ketumpatan cecair, dan operasi belon udara panas.
6. Prinsip Bernoulli
Prinsip ini menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir (cecair atau gas) bertambah, tekanan dalam bendalir itu akan berkurang, dan sebaliknya.
• Daya Angkat: Perbezaan tekanan antara dua kawasan aliran bendalir menghasilkan daya. Bentuk aerofoil pada sayap kapal terbang menyebabkan udara di bahagian atas bergerak lebih laju (tekanan rendah) berbanding di bahagian bawah (tekanan tinggi). Perbezaan tekanan ini menghasilkan daya angkat.
• Sudut Serang: Sudut sayap kapal terbang juga menyumbang kepada daya angkat melalui tindak balas daya mengikut Hukum Gerakan Newton Ketiga.
• Aplikasi: Digunakan dalam reka bentuk sayap kapal terbang (aerofoil), penunu Bunsen (mencampurkan gas dan udara), spoiler kereta lumba (menghasilkan daya ke bawah), dan teknik sepakan bola melengkung dalam sukan.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Aerofoil | Bentuk keratan rentas sayap kapal terbang yang direka untuk menghasilkan daya angkat apabila udara mengalir melaluinya. |
| Barometer | Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan atmosfera. Contohnya ialah Barometer Merkuri, Barometer Fortin, dan Barometer Aneroid. |
| Daya Apungan (FB) | Daya yang bertindak ke atas apabila terdapat perbezaan tekanan antara permukaan atas dengan permukaan bawah suatu objek yang terendam di dalam suatu bendalir. |
| Faktor Penggandaan | Nisbah luas permukaan omboh output (A2) kepada luas permukaan omboh input (A1) dalam sistem hidraulik, yang menentukan gandaan daya. |
| Hidrometer | Alat yang mengaplikasikan Prinsip Archimedes untuk mengukur ketumpatan cecair. Ia terapung pada aras kedalaman yang berbeza dalam cecair yang berlainan ketumpatan. |
| Manometer | Radas yang terdiri daripada tiub-U berisi cecair, digunakan untuk mengukur tekanan gas dengan membandingkannya dengan tekanan atmosfera. |
| Pascal (Pa) | Unit S.I. bagi tekanan. 1 Pa bersamaan dengan 1 Newton per meter persegi (1 N m⁻²). |
| Prinsip Archimedes | Prinsip yang menyatakan bahawa objek yang terendam sebahagian atau sepenuhnya di dalam suatu bendalir mengalami daya apungan yang sama dengan berat bendalir yang disesarkan. |
| Prinsip Bernoulli | Prinsip yang menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir bertambah, tekanan dalam bendalir akan berkurang atau sebaliknya. |
| Prinsip Pascal | Prinsip yang menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu. |
| Sifon | Salur yang digunakan untuk memindahkan air dari kawasan tinggi ke kawasan rendah, berfungsi berdasarkan perbezaan tekanan yang dihasilkan oleh aliran air dan tekanan atmosfera. |
| Sistem Hidraulik | Sistem yang menggunakan cecair untuk memindahkan tekanan dan berfungsi sebagai pengganda daya berdasarkan Prinsip Pascal. |
| Sudut Serang | Sudut antara garisan rujukan pada aerofoil dengan arah gerakan udara, yang mempengaruhi jumlah daya angkat yang dihasilkan. |
| Tekanan (P) | Daya yang bertindak secara normal ke atas satu unit luas permukaan. Formula asasnya ialah P = F / A. |
| Tekanan Atmosfera | Tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak ke atas permukaan bumi. Nilainya di aras laut adalah kira-kira 101.3 kPa atau 760 mm Hg. |
| Tekanan Cecair | Tekanan pada suatu kedalaman dalam cecair yang disebabkan oleh berat turus cecair di atasnya. Dikira dengan formula P = hρg. |
| Tiub Venturi | Tiub yang mempunyai bahagian tengah yang lebih sempit, digunakan untuk menunjukkan bahawa halaju bendalir meningkat dan tekanan berkurang di kawasan yang sempit. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan dan Jawapan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)
1. Soalan: Mengapakah sistem hidraulik seperti brek kereta menggunakan bendalir (minyak) dan bukannya gas (udara) untuk memindahkan tekanan? Jelaskan jawapan anda berdasarkan Prinsip Pascal.
Jawapan: Sistem hidraulik menggunakan bendalir seperti minyak kerana bendalir adalah hampir tidak boleh dimampatkan. Menurut Prinsip Pascal, tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu. Apabila daya dikenakan pada omboh input, tekanan yang terhasil dipindahkan dengan cekap dan seragam ke seluruh sistem untuk menghasilkan daya output yang besar pada omboh output. Sebaliknya, gas adalah sangat mudah dimampatkan. Jika gas digunakan, sebahagian besar daya input akan digunakan untuk memampatkan gas itu sendiri dan bukannya memindahkan tekanan. Ini akan menyebabkan sistem menjadi tidak cekap, dan daya yang dipindahkan ke omboh output akan berkurangan dengan ketara, sekali gus menjejaskan fungsi sistem seperti brek.
2. Soalan: Sebuah kapal yang diperbuat daripada keluli boleh terapung di lautan, manakala seketul blok keluli dengan jisim yang jauh lebih kecil akan tenggelam. Terangkan fenomena ini menggunakan Prinsip Archimedes.
Jawapan: Fenomena ini dijelaskan oleh Prinsip Archimedes, yang menyatakan bahawa daya apungan yang bertindak ke atas objek adalah sama dengan berat bendalir yang disesarkannya.
• Kapal Keluli: Kapal mempunyai bentuk badan yang berongga dan besar. Reka bentuk ini membolehkannya menyesarkan isipadu air yang sangat besar. Berat air yang disesarkan ini menghasilkan daya apungan yang besar. Kapal akan terapung selagi daya apungan ini sama dengan jumlah berat kapal.
• Blok Keluli: Walaupun jisimnya lebih kecil, blok keluli padu hanya menyesarkan isipadu air yang kecil, sama dengan isipadunya sendiri. Berat air yang disesarkan adalah jauh lebih kecil daripada berat blok keluli itu. Akibatnya, daya apungan yang terhasil tidak mencukupi untuk menampung berat blok, menyebabkan daya paduan ke bawah dan blok itu tenggelam. Oleh itu, keapungan bergantung pada bentuk objek yang menentukan isipadu bendalir yang disesarkan, bukan hanya pada bahan objek itu sendiri.
3. Soalan: Semasa ribut taufan, angin bertiup dengan kelajuan yang sangat tinggi di atas bumbung sebuah rumah. Terangkan bagaimana Prinsip Bernoulli boleh menyebabkan bumbung rumah itu terangkat.
Jawapan: Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir (dalam kes ini, udara) bertambah, tekanan dalam bendalir itu akan berkurang.
1. Di Atas Bumbung: Angin kencang semasa ribut menyebabkan udara di atas bumbung bergerak dengan halaju yang sangat tinggi. Ini mewujudkan satu kawasan bertekanan rendah di atas bumbung.
2. Di Dalam Rumah: Udara di dalam rumah pula berada dalam keadaan hampir pegun, menjadikannya satu kawasan bertekanan lebih tinggi (tekanan atmosfera biasa).
3. Perbezaan Tekanan: Wujud perbezaan tekanan yang ketara antara bahagian atas (tekanan rendah) dan bahagian bawah (tekanan tinggi) bumbung.
4. Daya Angkat: Perbezaan tekanan ini menghasilkan satu daya paduan yang bertindak dari kawasan tekanan tinggi ke kawasan tekanan rendah, iaitu dari dalam rumah ke luar. Daya paduan ke atas ini dikenali sebagai daya angkat. Jika daya angkat ini cukup besar dan melebihi berat bumbung, ia boleh mengangkat dan menerbangkan bumbung rumah tersebut.
4. Soalan: Dinding sebuah empangan air dibina lebih tebal di bahagian dasar berbanding di bahagian atas. Mengapakah reka bentuk ini penting? Hubungkaitkan penjelasan anda dengan formula tekanan cecair.
Jawapan: Reka bentuk ini penting untuk menahan tekanan air yang semakin meningkat dengan kedalaman. Formula bagi tekanan cecair ialah P = hρg, di mana P ialah tekanan, h ialah kedalaman cecair, ρ ialah ketumpatan cecair, dan g ialah pecutan graviti.
• Daripada formula ini, jelas bahawa tekanan cecair (P) adalah berkadar terus dengan kedalaman (h). Ini bermakna, semakin dalam air di dalam empangan, semakin tinggi tekanan yang dikenakan ke atas dinding empangan.
• Bahagian dasar empangan berada pada kedalaman maksimum, jadi ia mengalami tekanan air yang paling tinggi.
• Untuk menahan daya yang amat besar akibat tekanan tinggi ini dan mengelakkan empangan daripada pecah, dinding di bahagian dasar perlu dibina dengan struktur yang jauh lebih tebal dan kuat berbanding bahagian atas yang mengalami tekanan yang lebih rendah.
5. Soalan: Penyelam laut dalam memerlukan sut khas untuk menahan tekanan melampau, manakala pendaki gunung di altitud tinggi hanya perlu menyesuaikan diri secara perlahan-lahan dengan tekanan yang berkurangan. Mengapakah keperluan mereka berbeza?
Jawapan: Keperluan yang berbeza ini disebabkan oleh perbezaan magnitud tekanan dan sifat persekitaran.
• Penyelam Laut Dalam: Tekanan meningkat dengan mendadak apabila turun ke dalam laut. Setiap 10 meter kedalaman menambah tekanan sebanyak kira-kira 1 atmosfera. Di kedalaman lampau, tekanan air boleh menjadi puluhan atau ratusan kali ganda lebih tinggi daripada tekanan atmosfera di permukaan. Tekanan melampau ini boleh menghancurkan badan manusia. Selain itu, ia menyebabkan gas nitrogen larut dalam darah, yang boleh membentuk gelembung berbahaya jika tekanan dikurangkan terlalu cepat. Sut penyelam khas atau badan kapal selam yang diperbuat daripada keluli atau titanium diperlukan untuk menahan tekanan luaran yang sangat tinggi ini.
• Pendaki Gunung: Di altitud tinggi, tekanan atmosfera berkurangan kerana lapisan udara menjadi semakin nipis. Walaupun tekanan rendah dan kekurangan oksigen memberi kesan fisiologi seperti kadar pernafasan meningkat dan dehidrasi, perubahan tekanan tidaklah sehebat di dalam laut. Tubuh manusia mampu menyesuaikan diri (aklimatisasi) dengan perubahan ini jika pendakian dilakukan secara perlahan-lahan. Tiada tekanan luaran yang menghancurkan badan; sebaliknya, cabarannya ialah perbezaan tekanan antara dalam badan dan luar, serta kekurangan oksigen.