2.1 - Tekanan Cecair

Tekanan Cecair dan Penerbitan Rumus

• Tekanan cecair disebabkan oleh berat turus cecair di atas suatu titik.
• Bagi turus berketinggian $h$, luas tapak $A$ dan ketumpatan $\rho$:

Simbol	Maksud dan unit SI
$P$	Tekanan cecair, $\mathrm{Pa}$
$h$	Kedalaman dari permukaan cecair, $\mathrm{m}$
$\rho$	Ketumpatan cecair, $\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$
$g$	Pecutan graviti, $\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-2}$

• Pascal ialah unit SI tekanan: $1\mathrm{Pa}=1\mathrm{N}{\mathrm{m}}^{-2}=1\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-1}{\mathrm{s}}^{-2}$.

Faktor yang Mempengaruhi Tekanan Cecair

• Pada $\rho$ dan $g$ yang tetap, semakin bertambah kedalaman, semakin bertambah tekanan.
• Pada $h$ dan $g$ yang tetap, semakin tinggi ketumpatan, semakin tinggi tekanan.
• Tekanan turut bergantung pada $g$.

Eksperimen 2.1: Kedalaman dan Tekanan

• Tujuan: Mengkaji hubungan antara kedalaman cecair dengan tekanan cecair.
• Inferens: Tekanan cecair bergantung pada kedalaman.
• Hipotesis: Semakin bertambah kedalaman, semakin bertambah tekanan cecair.
• Pemboleh ubah: Dimanipulasikan — kedalaman $h$; bergerak balas — tekanan yang diwakili perbezaan ketinggian $D$ antara dua aras air dalam tiub-U; dimalarkan — ketumpatan cecair.
• Radas: Silinder penyukat 500 ml, tiub silikon, corong tisel ditutup kepingan getah nipis, tiub-U, dua batang pembaris setengah meter dan kaki retort.
• Bahan: Air dan pewarna makanan.

1. Sambungkan corong tisel yang ditutup getah kepada tiub-U menggunakan tiub silikon. Pada awalnya, letakkan corong di luar silinder penyukat dengan aras air dalam kedua-dua lengan tiub-U sama.
2. Rendam muncung corong pada $h=4.0\mathrm{cm}$ dan ukur $D$.
3. Ulang pada kedalaman $8.0$, $12.0$, $16.0$ dan $20.0\mathrm{cm}$.
4. Rekodkan $h$ dan $D$, kemudian plotkan graf $D$ melawan $h$.

Eksperimen 2.2: Ketumpatan dan Tekanan

• Tujuan: Mengkaji hubungan antara ketumpatan cecair dengan tekanan cecair.
• Inferens: Tekanan cecair bergantung pada ketumpatan.
• Hipotesis: Semakin tinggi ketumpatan, semakin tinggi tekanan.
• Pemboleh ubah: Dimanipulasikan — ketumpatan $\rho$; bergerak balas — tekanan yang diwakili perbezaan aras air $D$ dalam tiub-U; dimalarkan — kedalaman cecair.
• Radas: Pembaris setengah meter, tiga bikar 600 ml, tiub-U, tiub silikon, corong tisel ditutup kepingan getah nipis dan kaki retort.
• Bahan: Pita pelekat, alkohol, air dan gliserin.

1. Tandakan setiap bikar $2\mathrm{cm}$ dari dasarnya. Gunakan bikar A, B dan C untuk alkohol, air dan gliserin masing-masing.
2. Sambungkan corong yang ditutup getah kepada tiub-U berisi air. Rendam corong secara menegak ke dalam alkohol dengan perlahan sehingga muncungnya sama aras dengan penanda.
3. Ukur $D$, kemudian keluarkan dan keringkan corong.
4. Ulang untuk air dan gliserin. Rekodkan $D$ bagi setiap cecair dan hubung kaitkan dengan ketumpatan.

Cecair	Ketumpatan / $\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$
Alkohol	790
Air	1 000
Gliserin	1 300

Ciri Tekanan Cecair

• Tekanan cecair tidak bergantung secara berasingan pada jisim, isi padu, luas permukaan cecair atau bentuk bekas.
• Tekanan pada suatu titik bertindak ke semua arah. Titik pada aras yang sama dalam cecair yang sama mempunyai tekanan sama apabila cecair itu statik.
• Turus bersambung yang berlainan bentuk dan luas keratan rentas mempunyai aras cecair sama. Lubang pada aras sama dalam botol berisi air menghasilkan jarak pancutan mengufuk yang sama.
• Bagi dua cecair yang tidak bercampur dalam tiub-U, bandingkan tekanan pada aras mengufuk yang sama dalam cecair statik yang bersambung. Apabila kedua-dua permukaan bebas mengalami tekanan atmosfera sama:

• Ukur ketinggian setiap turus dari permukaan bebasnya ke aras rujukan yang sama.

Tekanan Sebenar dan Contoh Pengiraan

• Cecair yang terdedah kepada atmosfera mengalami tekanan pada permukaannya. Tekanan sebenar pada suatu kedalaman merangkumi kedua-dua sumbangan:

• Seekor ikan pada kedalaman $1.5\mathrm{m}$ dalam air akuarium berketumpatan $1050\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$, dengan $g=9.81\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-2}$ dan $P_{\mathrm{atm}}=100\mathrm{kPa}$:

• Dalam tiub-U, turus air $15.0\mathrm{cm}$ mengimbangi turus minyak zaitun $16.5\mathrm{cm}$. Dengan ${\rho }_{\text{air}}=1000\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$:

Aplikasi

• Tangki air di rumah: Kedudukan antara siling dengan bumbung menghasilkan perbezaan ketinggian besar di atas pili, lalu menghasilkan tekanan yang membolehkan air mengalir dengan laju.
• Cecair intravena: Beg di atas badan pesakit menghasilkan tekanan yang menolak cecair masuk ke dalam badan. Ketinggian beg mempengaruhi kadar pengaliran; pelaras mengawal aliran.
• Empangan: Dasar yang lebih lebar menahan tekanan lebih tinggi pada kedalaman lebih besar. Empis air yang rendah membekalkan aliran deras untuk memutarkan turbin.
• Sifon: Tiub boleh dibengkokkan yang dipenuhi air memindahkan air dari takungan tinggi ke saluran keluar yang lebih rendah tanpa kuasa elektrik. Pengaliran keluar merendahkan tekanan berhampiran bahagian atas tiub; tekanan atmosfera menolak air masuk melalui hujung yang terendam.
• Kadar pemindahan cecair ialah isi padu yang dipindahkan per unit masa:

• Dengan $V$ dalam ml dan $t$ dalam saat, unitnya ialah $\mathrm{ml}{\mathrm{s}}^{-1}$.