8.1 - Tekanan dalam Bendalir

Konsep Tekanan dalam Bendalir dalam Sesuatu Sistem Tertutup

• Bendalir ialah cecair atau gas.
• Sistem tertutup merupakan suatu sistem fizikal di mana jirim tidak dapat masuk atau keluar daripada sistem tersebut.
• Air dari lubang paling bawah pada botol berisi air terpancut paling jauh kerana tekanan air lebih tinggi pada kedalaman yang lebih besar.
• Apabila botol plastik bertutup dimampatkan, air dari setiap lubang terpancut lebih jauh dengan jarak tambahan yang sama.
• Tekanan tambahan disebarkan secara seragam pada keseluruhan air dan ke semua arah.

Prinsip Pascal: 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.

Aktiviti 8.1: Peralatan Pascal

Tujuan: Menerangkan prinsip Pascal dengan menggunakan peralatan Pascal.

Radas: Kelalang bulat berliang halus dengan omboh dan bikar yang besar

1. Isi bikar dengan air.
2. Rendam kelalang dan tarik omboh ke atas sehingga air memenuhi kelalang.
3. Keluarkan kelalang dari bikar.
4. Tolak omboh ke dalam kelalang.
5. Perhatikan dan lakarkan arah air terpancut dari liang halus.

Pemerhatian: Air terpancut dari semua liang halus ke semua arah.

Penerangan: Tekanan yang dikenakan oleh omboh disebarkan secara seragam pada keseluruhan air dan ke semua arah.

Kesimpulan: Pemerhatian menunjukkan prinsip Pascal.

Prinsip Operasi Sistem Hidraulik

• Sistem hidraulik memindahkan tekanan ke semua arah berdasarkan prinsip Pascal.
• Sistem ini menghasilkan daya output yang besar daripada daya input yang kecil, lalu membolehkan kerja berat seperti mengangkat beban berat dilakukan.
• Sistem ini terdiri daripada dua silinder beromboh dengan luas permukaan yang berlainan dan dihubungkan oleh bendalir.
• Air atau minyak lazimnya digunakan kerana:
  • tidak mempunyai bentuk tetap; dan
  • tidak boleh dimampatkan.
• Tekanan yang dikenakan oleh omboh kecil sama dengan tekanan yang dihasilkan pada omboh besar.

Penggandaan Daya

• Tekanan yang sama bertindak pada kedua-dua omboh.
• Omboh besar yang mempunyai luas permukaan lebih besar menghasilkan daya output yang lebih besar.

Contoh: Daya input $=10\text{N}$, luas omboh kecil $=2{\text{cm}}^2$, luas omboh besar $=100{\text{cm}}^2$.

Maka, daya input $10\text{N}$ menghasilkan daya output $500\text{N}$.

Aplikasi Prinsip Pascal dalam Kehidupan Harian

Sistem hidraulik melakukan kerja berat dengan menggunakan daya yang kecil. Tiga aplikasinya ialah jek hidraulik, brek hidraulik dan kerusi rawatan gigi.

Sistem Jek Hidraulik

• Fungsi: Mengangkat beban berat seperti kereta di bengkel membaiki kereta.
• Bahagian utama: tuas, pangsi, omboh kecil, omboh besar, takungan cecair, liang udara, injap A, injap B dan injap pelepas.
• Pergerakan tuas ke bawah dan ke atas secara berulang-ulang menaikkan omboh besar berbeban apabila injap pelepas tertutup.
• Pembukaan injap pelepas menurunkan omboh besar berbeban ke kedudukan asal.

Menaikkan omboh besar berbeban

1. Pastikan injap pelepas tertutup.
2. Tolak tuas ke bawah: injap A tertutup dan injap B terbuka.
3. Omboh kecil mengenakan tekanan ke atas cecair.
4. Cecair memindahkan tekanan ke omboh besar berbeban lalu menolaknya ke atas.
5. Tolak tuas ke bawah dan ke atas berulang kali sehingga beban mencapai ketinggian yang dikehendaki.

Mengekalkan ketinggian omboh besar

1. Tolak tuas ke atas sementara injap pelepas kekal tertutup.
2. Injap A terbuka dan injap B tertutup.
3. Cecair dari takungan mengalir ke bawah omboh kecil melalui injap A.
4. Tekanan cecair yang tetap bertindak pada omboh besar, maka kedudukannya dikekalkan.

Menurunkan omboh besar

1. Buka injap pelepas: injap A terbuka dan injap B tertutup.
2. Omboh besar berbeban mengenakan tekanan ke atas cecair di bawahnya.
3. Cecair mengalir balik ke dalam takungan cecair melalui injap pelepas.
4. Omboh besar kembali ke kedudukan asal.

Sistem Brek Hidraulik

• Fungsi: Memperlahankan atau memberhentikan kenderaan beroda yang bergerak seperti kereta.
• Roda depan menggunakan brek cakera; roda belakang menggunakan brek gelendong.

1. Pedal brek yang ditekan menolak omboh ke dalam silinder utama lalu mengenakan tekanan ke atas minyak brek.
2. Minyak brek memindahkan tekanan ini secara seragam melalui paip logam ke silinder brek pada roda depan dan belakang.
3. Pada brek cakera, omboh silinder brek menolak pad brek lalu menekannya ke atas piring keluli.
4. Pada brek gelendong, omboh silinder brek menolak kasut brek lalu menekan pelapik brek pada gelendong brek.
5. Geseran memperlahankan atau memberhentikan putaran roda.

Brek	Permukaan yang menghasilkan geseran
Brek cakera	Pad brek dan piring keluli pada roda depan
Brek gelendong	Pelapik brek dan gelendong brek pada roda belakang

Kerusi Rawatan Gigi

• Operasinya dihubungkaitkan dengan sistem hidraulik dan prinsip Pascal.

Hubung Kait antara Halaju Bendalir dengan Tekanan

• Dalam bendalir yang tidak mengalir, tekanan pada $P_1$, $P_2$ dan $P_3$ adalah sama.
• Tiub Venturi merupakan tiub tidak seragam dengan bahagian tengah yang lebih sempit.
• Apabila bendalir mengalir melalui tiub:
  • halaju di bahagian sempit, $P_2$, lebih tinggi berbanding di bahagian luas, $P_1$ dan $P_3$;
  • tekanan di $P_2$ lebih rendah berbanding di $P_1$ dan $P_3$.
• Semakin sempit bahagian tiub Venturi, semakin tinggi halaju bendalir dan semakin rendah tekanan bendalir. Hal ini dikenali sebagai kesan Venturi.

Prinsip Bernoulli: Bendalir yang bergerak dengan halaju tinggi akan menghasilkan tekanan yang lebih rendah pada kawasan tersebut.

Aktiviti 8.2: Tiub Venturi

Tujuan: Menerangkan prinsip Bernoulli dengan menggunakan tiub Venturi.

Bahan: Air paip
Radas: Tiub Venturi dengan tiub tegak $X$, $Y$ dan $Z$, tiub getah dan klip

1. Sambungkan tiub Venturi pada pili dan halakan salur keluarnya ke singki.
2. Tutup klip, buka pili dan biarkan tiub $X$, $Y$ dan $Z$ diisi dengan air.
3. Banding dan lakarkan aras air dalam $X$, $Y$ dan $Z$.
4. Buka klip supaya air mengalir secara berterusan melalui tiub kaca ke dalam singki.
5. Banding dan lakarkan aras air sekali lagi.

Keadaan	Pemerhatian dan inferens
Klip tertutup	Air tidak mengalir; halaju ialah sifar dan aras air dalam $X$, $Y$ dan $Z$ sama, menunjukkan tekanan yang sama.
Klip terbuka	Air mengalir paling laju melalui bahagian sempit di $Y$; aras air di $Y$ paling rendah, menunjukkan tekanan paling rendah.

• Perubahan tekanan pada bahagian yang lebih sempit ialah kesan Venturi.
• Keputusan semasa air mengalir menunjukkan prinsip Bernoulli.

Aplikasi Prinsip Bernoulli dalam Kehidupan Harian

Bentuk Aerofoil Sayap Kapal Terbang

• Udara mengalir dengan halaju tinggi dan tekanan rendah di atas sayap.
• Udara mengalir dengan halaju lebih rendah dan tekanan lebih tinggi di bawah sayap.
• Perbezaan tekanan menghasilkan daya angkat ke atas.
• Daya angkat terhasil daripada bentuk aerofoil dan sudut serang sayap.

Helikopter dan Dron

• Aliran udara di atas bilah berhalaju tinggi dan bertekanan rendah.
• Udara di bawah bilah mempunyai halaju lebih rendah dan tekanan lebih tinggi.
• Perbezaan tekanan menghasilkan daya angkat.

Penunu Bunsen

• Gas mengalir dengan halaju tinggi dan tekanan rendah.
• Udara sekeliling yang bertekanan lebih tinggi disedut masuk ke dalam penunu.
• Udara bercampur dengan gas dan campuran itu mengalir ke atas.

Garisan Keselamatan di Tepi Landasan Kereta Api

• Kereta api yang bergerak menghasilkan aliran udara berhalaju tinggi dan bertekanan rendah di ruang antara kereta api dengan orang yang berdekatan.
• Udara di sebelah lain orang itu mempunyai halaju lebih rendah dan tekanan lebih tinggi.
• Perbezaan tekanan menghasilkan daya ke arah kereta api yang bergerak.
• Berdiri di belakang garisan keselamatan untuk mengelakkan diri daripada ditolak ke arah kereta api.

Aktiviti 8.3: Mengkaji Aplikasi dalam Kehidupan Harian

1. Kumpulkan maklumat tentang aplikasi prinsip Bernoulli dalam sukan seperti bot layar dan luncur angin.
2. Bincangkan maklumat yang dikumpulkan.
3. Bentangkan dapatan dalam bentuk laporan.

Aktiviti 8.4: Mereka Bentuk Alat Menggunakan Prinsip Tekanan dalam Bendalir

Tujuan: Mereka bentuk alat menggunakan prinsip tekanan dalam bendalir.

1. Reka bentuk alat seperti kren yang menggunakan sistem hidraulik untuk mengangkat beban berat.
2. Persembahkan reka bentuk dan terangkan bagaimana sistem hidraulik berfungsi dalam reka bentuk tersebut.

Urutan operasi: