Fizik notesnota, bab 2

Tekanan

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Fizik Tingkatan 5 Kurikulum Standard Sekolah Menengah (KSSM), pageshalaman 38-89

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menerbitkan formula tekanan cecair P = hρg daripada P = F/A dan ρ = m/V (2.1.1)
Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi tekanan cecair, iaitu kedalaman, ketumpatan cecair dan pecutan graviti (2.1.2)
Saya boleh menyelesaikan masalah tekanan cecair, termasuk tekanan sebenar dan perbandingan ketumpatan dengan tiub-U (2.1.3)
Saya boleh memerihalkan aplikasi tekanan cecair dalam kehidupan, iaitu tangki air, cecair intravena, empangan dan sifon (2.1.4)
Saya boleh menerangkan tekanan atmosfera dan membuat kesimpulan tentang kewujudannya (2.2.1)
Saya boleh menerangkan nilai tekanan atmosfera menggunakan barometer merkuri, barometer Fortin dan barometer Aneroid (2.2.2)
Saya boleh menukar unit tekanan Pa, mm Hg, m H₂O dan milibar, dan menyelesaikan masalah yang melibatkannya (2.2.3)
Saya boleh menerangkan kesan tekanan atmosfera pada altitud tinggi dan kesan tekanan pada aras kedalaman lampau di bawah permukaan laut (2.2.4)
Saya boleh menerangkan tekanan gas dan mengukurnya dengan manometer (2.3.1)
Saya boleh menyelesaikan masalah tekanan gas yang melibatkan manometer air dan manometer merkuri (2.3.2)
Saya boleh menyatakan prinsip Pascal (2.4.1)
Saya boleh menerangkan sistem hidraulik sebagai sistem pengganda daya menggunakan F₂/A₂ = F₁/A₁ (2.4.2)
Saya boleh memerihalkan aplikasi prinsip Pascal dalam brek hidraulik dan jek hidraulik (2.4.3)
Saya boleh menyelesaikan masalah yang melibatkan prinsip Pascal (2.4.4)
Saya boleh menerangkan daya apungan dan menyatakan prinsip Archimedes (2.5.1)
Saya boleh menghubungkan keseimbangan daya dengan keadaan keapungan suatu objek (2.5.2)
Saya boleh memerihalkan aplikasi prinsip Archimedes dalam hidrometer, kapal laut, kapal selam dan belon udara panas (2.5.3)
Saya boleh menyelesaikan masalah yang melibatkan prinsip Archimedes dan keapungan (2.5.4)
Saya boleh menyatakan prinsip Bernoulli dan menerangkan kesan halaju bendalir terhadap tekanan (2.6.1)
Saya boleh menerangkan penghasilan daya angkat oleh aerofoil dan peranan sudut serang (2.6.2)
Saya boleh memerihalkan aplikasi prinsip Bernoulli dalam kehidupan harian (2.6.3)

2.1Tekanan cecair

Tekanan ialah daya yang bertindak pada satu unit luas permukaan, P = F ÷ A. Unit S.I. bagi tekanan ialah pascal (Pa): 1 Pa = 1 N m⁻² atau 1 kg m⁻¹ s⁻².

Menerbitkan formula tekanan cecair (2.1.1)

Bayangkan satu turus cecair yang berketinggian h dan luas permukaan tapak A, dalam cecair berketumpatan ρ. Tekanan pada tapak turus itu disebabkan oleh berat turus cecair tersebut:

Langkah	Hasil
Isi padu = luas permukaan tapak × ketinggian	V = Ah
Jisim = isi padu × ketumpatan	m = ρV = ρAh
Berat = jisim × pecutan graviti	W = mg = ρAhg
Tekanan = berat turus ÷ luas permukaan	P = W ÷ A = hρg

Tekanan cecair: P = hρg
h = kedalaman cecair (m), ρ = ketumpatan cecair (kg m⁻³), g = pecutan graviti (9.81 m s⁻²).

Faktor yang mempengaruhi tekanan cecair (2.1.2)

Faktor	Kesan terhadap tekanan
Kedalaman, h	Semakin bertambah kedalaman, semakin bertambah tekanan (Eksperimen 2.1: perbezaan ketinggian turus air dalam tiub-U, D, bertambah apabila corong tisel ditolak lebih dalam)
Ketumpatan cecair, ρ	Semakin tinggi ketumpatan, semakin tinggi tekanan pada kedalaman yang sama (Eksperimen 2.2: gliserin 1 300 kg m⁻³ memberi D lebih besar daripada air 1 000 kg m⁻³ dan alkohol 790 kg m⁻³)
Pecutan graviti, g	Semakin besar g, semakin tinggi tekanan
Jisim, isi padu, luas keratan rentas dan bentuk bekas	Tiada kesan (Aktiviti 2.2: paras air sama dalam semua turus pelbagai bentuk)

Titik-titik pada aras yang sama dalam cecair yang pegun mempunyai tekanan yang sama. Tekanan dalam cecair pada satu titik bertindak pada semua arah (air memancut sama jauh daripada tiga lubang pada aras yang sama pada botol).

Menggunakan isi padu atau lebar bekas dalam P = hρg. Hanya kedalaman, ketumpatan dan g yang penting. Tiub kecil dan tangki lebar yang sama dalamnya memberi tekanan yang sama pada dasar.

Menyelesaikan masalah tekanan cecair (2.1.3)

Tekanan sebenar: permukaan cecair turut mengalami tekanan atmosfera, maka tekanan yang dialami oleh suatu objek di dalam cecair ialah

Tekanan sebenar = hρg + P_atm

Contoh 1: tekanan sebenar

Seekor ikan berada pada kedalaman 1.5 m dalam akuarium. Ketumpatan air akuarium ialah 1 050 kg m⁻³ dan tekanan atmosfera ialah 100 kPa. Hitungkan tekanan akibat air dan tekanan sebenar pada ikan itu.
Tekanan air, P = hρg = 1.5 × 1 050 × 9.81 = 15 450.8 Pa ≈ 15.5 kPa.
Tekanan sebenar = 15.5 + 100 = 115.5 kPa.

Membandingkan ketumpatan dengan tiub-U. Dua cecair yang tidak bercampur boleh dibandingkan dalam sebatang tiub-U. Tekanan di titik A dan titik B pada aras yang sama dalam cecair statik adalah sama, P₁ = P₂.

Tiub-U berisi cecair X dan cecair Y; ketinggian h1 dan h2 diukur dari paras titik A dan B — Cecair X dan cecair Y dalam tiub-U. Titik A dan B berada pada aras yang sama.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 45 (Rajah 2.6).

h₁ρ₁g = h₂ρ₂g, maka h₁ρ₁ = h₂ρ₂

Contoh 2: ketumpatan minyak zaitun

Tiub-U berisi air setinggi 15.0 cm dan minyak zaitun setinggi 16.5 cm — Air dan minyak zaitun dalam tiub-U

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 46 (Rajah 2.8).

Ketumpatan air = 1 000 kg m⁻³. Tinggi turus air = 15.0 cm, tinggi turus minyak zaitun = 16.5 cm.
h₁ρ₁ = h₂ρ₂ → 15.0 × 1 000 = 16.5 × ρ₂
ρ₂ = 15.0 × 1 000 ÷ 16.5 = 909.1 kg m⁻³.

Aplikasi tekanan cecair (2.1.4)

Kedudukan tangki air di rumah: tangki diletakkan di ruang antara siling dengan bumbung. Perbezaan ketinggian antara aras air dalam tangki dengan pili air menghasilkan tekanan air yang tinggi pada pili, supaya air mengalir keluar dengan laju.
Kedudukan cecair intravena: beg cecair diletakkan lebih tinggi daripada badan pesakit. Tekanan hasil perbezaan ketinggian menolak cecair masuk ke dalam badan; kadar aliran dikawal oleh ketinggian beg dan pelaras.
Pembinaan empangan: dinding dibina lebih lebar pada bahagian dasar kerana tekanan air bertambah dengan kedalaman. Empis air berada pada kedudukan rendah supaya tekanan tinggi menghasilkan aliran air yang deras untuk memutarkan turbin.
Penggunaan sifon: memindahkan air dari kawasan tinggi ke kawasan rendah tanpa kuasa elektrik. Salur sifon diisi penuh dengan air dahulu; tekanan atmosfera menolak air ke dalam tiub dan air terus mengalir apabila hujung keluar berada lebih rendah daripada permukaan air di dalam tangki.

Hitungkan tekanan yang disebabkan oleh air laut pada kedalaman 12 m. [Ketumpatan air laut = 1 030 kg m⁻³]

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

P = hρg = 12 × 1 030 × 9.81 = 121 252 Pa ≈ 1.21 × 10⁵ Pa.

2.2Tekanan atmosfera

Tekanan atmosfera ialah tekanan yang disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak ke atas permukaan bumi.

Bumi dikelilingi oleh lapisan udara yang tebal. Lapisan udara itu mempunyai berat dan mengenakan tekanan ke atas semua objek di permukaan bumi, sama seperti tekanan air ke atas seorang penyelam di dalam laut (2.2.1). Tekanan atmosfera di aras laut ialah kira-kira 100 000 Pa (100 kPa).

Mengukur tekanan atmosfera dengan barometer (2.2.2)

Barometer merkuri. Tiub kaca sepanjang kira-kira 1 m diisi penuh dengan merkuri, ditutup, diterbalikkan dan hujungnya direndam ke dalam mangkuk merkuri. Apabila penutup dikeluarkan, turus merkuri jatuh sehingga ketinggian tertentu dan ruang di atasnya ialah vakum. Tekanan atmosfera pada permukaan merkuri dalam mangkuk menyokong turus merkuri itu, maka ketinggian turus menunjukkan tekanan atmosfera (Torricelli, 1643). Jika h = 760 mm, P_atm = 760 mm Hg.

Barometer merkuri: vakum di atas turus merkuri setinggi 760 mm dan tekanan atmosfera pada mangkuk — Barometer merkuri. Ketinggian turus merkuri h mewakili tekanan atmosfera.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 50 (Rajah 2.11).

Nilai tekanan atmosfera dalam Pa

P_atm = 760 mm Hg, h = 0.76 m, ketumpatan merkuri ρ = 1.36 × 10⁴ kg m⁻³.
P_atm = hρg = 0.76 × 1.36 × 10⁴ × 9.81 = 101 396 Pa.

Barometer Fortin	Barometer Aneroid
Tekanan ditentukan oleh perubahan ketinggian turus merkuri	Tekanan ditentukan oleh perubahan isi padu kotak logam separa vakum
Besar dan sukar dibawa ke mana-mana	Kecil dan mudah alih
Mengambil masa yang lebih lama untuk memberi bacaan	Memberi bacaan secara langsung
Kejituan lebih tinggi, sehingga ±0.1 mm Hg	Kejituan lebih rendah, sehingga ±1 mm Hg

Barometer Fortin digunakan di pusat kaji cuaca. Barometer Aneroid sesuai di rumah, kapal dan pesawat udara. Tekanan atmosfera berubah mengikut cuaca dan semakin rendah pada altitud tinggi kerana udara semakin nipis.

Unit tekanan dan penukarannya (2.2.3)

Unit	Penggunaan
pascal (Pa)	Unit S.I.; nilai tekanan mesti dalam Pa sebelum dimasukkan ke dalam rumus Fizik
mm Hg	Perubatan (tekanan darah 120/80 mm Hg), meteorologi, penerbangan dan sains
m H₂O	Tekanan air dalam laut, takungan air dan empangan (Empangan Bakun: 150 m H₂O)
milibar (mbar)	Meteorologi; 1 milibar = 1 hektopascal (hPa) = 100 Pa; tekanan atmosfera ialah 1 013 mbar

Untuk menukar unit, gunakan P = hρg dengan h dalam meter, kemudian ρ cecair yang berkenaan.

Contoh 1: mm Hg kepada Pa

Bacaan tekanan darah seorang pesakit ialah 160/100. Berapakah 160 mm Hg dalam Pa? [ρ_Hg = 1.36 × 10⁴ kg m⁻³]
h = 160 mm = 0.16 m. P = hρg = 0.16 × 1.36 × 10⁴ × 9.81 = 2.13 × 10⁴ Pa.

Contoh 2: Pa kepada m H₂O

Tekanan maksimum yang dapat ditahan oleh sebuah tembok di tepi laut ialah 3.6 × 10⁵ Pa. Nyatakan tekanan itu dalam m H₂O. [ρ_air = 1.00 × 10³ kg m⁻³]
P = hρg → h = P ÷ ρg = 3.6 × 10⁵ ÷ (1.00 × 10³ × 9.81) = 36.7 m.
Tekanan maksimum = 36.7 m H₂O.

Kesan tekanan atmosfera dan tekanan air (2.2.4)

	Altitud tinggi	Kedalaman lampau di bawah permukaan laut
Perubahan tekanan	Udara semakin nipis, maka tekanan atmosfera semakin rendah dan kandungan oksigen berkurang. Di puncak Gunung Kinabalu tekanan kira-kira 60 peratus daripada tekanan di aras laut.	Tekanan air bertambah kira-kira 1 atmosfera bagi setiap 10 m kedalaman. Tekanan yang dialami ialah tekanan air dan tekanan atmosfera.
Kesan ke atas manusia	Kadar pernafasan meningkat, penyerapan oksigen dalam paru-paru berkurang, hilang selera makan, dehidrasi, fikiran tidak jelas	Tisu badan menyerap lebih banyak gas nitrogen; nitrogen melarut dalam darah; fikiran tidak jelas; gelembung nitrogen terbentuk jika tekanan dikurangkan terlalu cepat
Langkah yang diambil	Pendaki: persediaan fizikal, alat pengukur altitud dan tekanan, mendaki perlahan, minum air. Kapal terbang: kabin ditekan hampir sama dengan tekanan di aras laut dan udara dikitar semula.	Penyelam: latihan fizikal, sut penyelam, naik ke permukaan dengan perlahan. Kapal selam: badan daripada keluli atau titanium yang tebal, tekanan kabin dikawal hampir sama dengan di aras laut, tangki oksigen atau elektrolisis air.

Penyelam yang naik ke permukaan terlalu cepat: tekanan menurun mendadak, nitrogen yang larut dalam darah membentuk gelembung dalam tisu atau salur darah. Naik perlahan-lahan.

Tukarkan tekanan 100 kPa kepada unit mm Hg. [ρ_Hg = 1.36 × 10⁴ kg m⁻³]

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

h = P ÷ ρg = 100 000 ÷ (1.36 × 10⁴ × 9.81) = 0.7495 m ≈ 750 mm. Tekanan = 750 mm Hg.

2.3Tekanan gas

Manometer ialah alat yang terdiri daripada tiub-U berisi cecair untuk mengukur tekanan gas. Cecair yang digunakan ialah air (tekanan rendah) atau merkuri (tekanan lebih tinggi).

Sebelum disambungkan kepada bekalan gas, paras cecair dalam kedua-dua lengan tiub-U adalah sama kerana kedua-duanya mengalami tekanan atmosfera. Selepas satu lengan disambungkan kepada gas, perbezaan paras cecair ialah h (2.3.1).

Manometer air sebelum dan selepas disambungkan kepada bekalan gas, dengan titik A dan B pada aras yang sama — Manometer air (a) sebelum dan (b) selepas disambungkan kepada bekalan gas.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 56 (Rajah 2.17).

Titik A dan titik B berada pada aras yang sama, maka tekanan di A = tekanan di B:

P_gas = h + P_atm (jika paras cecair di lengan gas lebih rendah daripada paras di lengan terbuka)
P_gas = P_atm − h (jika paras cecair di lengan gas lebih tinggi), dengan h dan P_atm dalam unit yang sama, misalnya cm Hg atau m H₂O.

Ketinggian h mewakili perbezaan antara tekanan gas dengan tekanan atmosfera. Dalam manometer merkuri, merkuri lebih tumpat daripada air, maka dengan tekanan yang sama turusnya jauh lebih pendek dan manometer merkuri boleh mengukur tekanan gas yang lebih tinggi. Namun merkuri sangat toksik, maka manometer digital yang menggunakan transduser tekanan lebih biasa digunakan sekarang.

Menyelesaikan masalah tekanan gas (2.3.2)

Contoh 1: manometer merkuri

Sebuah manometer merkuri disambungkan kepada kelalang gas. Perbezaan paras merkuri ialah 40 cm dan paras di lengan gas lebih rendah. P_atm = 76 cm Hg, ρ_Hg = 13 600 kg m⁻³.

Manometer merkuri disambungkan kepada kelalang gas, perbezaan paras 40 cm — Manometer merkuri

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 58 (Rajah 2.19).

(a) P = h + P_atm = 40 + 76 = 116 cm Hg.
(b) h = 116 cm = 1.16 m. P = hρg = 1.16 × 13 600 × 9.81 = 1.55 × 10⁵ Pa.
(c) Jawapan tidak berubah jika diameter tiub lebih besar kerana tekanan cecair tidak bergantung pada luas permukaan.

Contoh 2: tekanan udara dalam paip

Manometer merkuri mengukur tekanan udara dalam paip aliran udara. Perbezaan paras ialah 25 cm Hg dan P_atm = 75 cm Hg.
Tekanan udara dalam paip = 25 + 75 = 100 cm Hg.
Dalam Pa: P = (100 × 10⁻²) × 13 600 × 9.81 = 1.33 × 10⁵ Pa.

Tukar semua tinggi kepada meter (1 cm = 0.01 m) sebelum menggunakan P = hρg, dan jangan lupa tambah atau tolak tekanan atmosfera.

Sebuah manometer merkuri disambungkan kepada gas yang bertekanan 150 kPa. Tekanan atmosfera ialah 100 kPa. Berapakah perbezaan ketinggian antara dua paras merkuri? [ρ_Hg = 13 600 kg m⁻³]

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Beza tekanan = 150 − 100 = 50 kPa = 50 000 Pa. h = P ÷ ρg = 50 000 ÷ (13 600 × 9.81) = 0.375 m ≈ 37.5 cm.

2.4Prinsip Pascal

Prinsip Pascal menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas bendalir tertutup akan dipindahkan secara seragam ke semua arah dalam bendalir itu (2.4.1).

Apabila omboh Pascal ditekan, air memancut keluar dari setiap lubang dengan kuat yang sama. Mesin pengekstrak santan kelapa menggunakan prinsip ini untuk memberi daya besar yang menekan kelapa parut.

Sistem hidraulik sebagai sistem pengganda daya (2.4.2)

Sistem hidraulik menggunakan cecair untuk memindahkan tekanan. Daya input F₁ pada omboh input (luas A₁) menghasilkan tekanan P₁ = F₁ ÷ A₁. Tekanan ini dipindahkan secara seragam melalui cecair hidraulik ke omboh output (luas A₂), maka P₂ = F₂ ÷ A₂ = P₁.

Sistem hidraulik dengan omboh input luas A1 dan omboh output luas A2 — Sistem hidraulik. Tekanan yang sama bertindak pada kedua-dua omboh.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 62 (Rajah 2.23).

F₂ ÷ A₂ = F₁ ÷ A₁, iaitu F₂ = (A₂ ÷ A₁) × F₁
Faktor penggandaan = A₂ ÷ A₁

Jika A₂ lebih besar daripada A₁, daya output F₂ lebih besar daripada daya input F₁. Sistem hidraulik menggandakan daya, tetapi tekanan pada kedua-dua omboh adalah sama. Bendalir hidraulik mesti tidak boleh dimampatkan supaya tekanan dipindahkan sepenuhnya.

Aplikasi prinsip Pascal (2.4.3)

Brek hidraulik kereta: kaki menekan pedal brek; silinder induk menolak bendalir brek melalui paip ke silinder hamba di roda; omboh silinder hamba menekan pelapik brek ke atas cakera atau gelendung brek untuk menghentikan roda.
Jek hidraulik: pemegang jek menggerakkan omboh kecil naik dan turun, injap A dan B membuka dan menutup bergilir-gilir, dan bendalir dalam takungan ditolak ke omboh besar yang mengangkat kereta. Injap pelepas dibuka untuk menurunkan kereta.

Menyelesaikan masalah prinsip Pascal (2.4.4)

Contoh 1: faktor penggandaan dan daya output

Sistem hidraulik: daya input 12 N, A1 = 10 cm persegi, A2 = 50 cm persegi — Sistem hidraulik dengan A₁ = 10 cm² dan A₂ = 50 cm²

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 64 (Rajah 2.26).

(a) Faktor penggandaan = A₂ ÷ A₁ = 50 ÷ 10 = 5.
(b) F₂ = (A₂ ÷ A₁) × F₁ = 5 × 12 = 60 N.

Contoh 2: luas silinder output brek basikal

Daya input 60 N bertindak pada silinder input yang luas keratan rentasnya 0.80 cm². Berapakah luas silinder output untuk menghasilkan daya membrek 840 N?
F₂ ÷ A₂ = F₁ ÷ A₁ → 840 ÷ A₂ = 60 ÷ 0.80
A₂ = 840 × 0.80 ÷ 60 = 11.2 cm².

Menggunakan diameter terus sebagai luas. Luas ∝ (diameter)², maka diameter omboh dua kali ganda memberi luas empat kali ganda. Kedua-dua luas mesti dalam unit yang sama.

Daya 15 N dikenakan pada omboh input berluas 2.0 cm². Berapakah daya pada omboh output berluas 80 cm², dan berapakah tekanan yang dipindahkan dalam Pa?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

F₂ = (80 ÷ 2.0) × 15 = 600 N. Tekanan = F₁ ÷ A₁ = 15 ÷ (2.0 × 10⁻⁴) = 7.5 × 10⁴ Pa.

2.5Prinsip Archimedes

Daya apungan (2.5.1)

Daya apungan ialah daya yang bertindak ke atas apabila terdapat perbezaan tekanan antara permukaan atas dengan permukaan bawah suatu objek yang terendam dalam suatu cecair.

Silinder yang terendam sepenuhnya, dengan luas permukaan A dan ketinggian h = (h₂ − h₁):

Silinder terendam dalam cecair: daya F1 ke bawah pada permukaan atas dan F2 ke atas pada permukaan bawah — Silinder yang terendam sepenuhnya dalam suatu cecair

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 67 (Rajah 2.28).

Kuantiti	Rumus
Tekanan pada permukaan atas	P₁ = h₁ρg, maka F₁ = h₁ρgA
Tekanan pada permukaan bawah	P₂ = h₂ρg, maka F₂ = h₂ρgA
Daya paduan (ke atas)	F = F₂ − F₁ = ρgA(h₂ − h₁) = ρAhg = ρVg

Prinsip Archimedes: objek yang terendam sebahagian atau sepenuhnya dalam suatu bendalir mengalami daya apungan yang sama dengan berat bendalir yang disesarkan.
Daya apungan, F_B = ρVg (ρ = ketumpatan bendalir, V = isi padu bendalir yang disesarkan)

Dalam Eksperimen 2.3, daya apungan ditentukan daripada kehilangan berat ketara: F_B = W_U − W_A (berat di udara tolak berat dalam air), dan nilainya sama dengan berat air yang disesarkan.

Keapungan dan keseimbangan daya (2.5.2)

Objek dalam bendalir mengalami berat, W (ke bawah) dan daya apungan, F_B (ke atas). Keadaan keapungan ditentukan oleh magnitud relatif kedua-dua daya itu.

Keadaan	Daya paduan	Gerakan objek
W = F_B	Sifar; keseimbangan daya	Terapung pegun
W > F_B	Ke bawah; tiada keseimbangan daya	Bergerak ke bawah dengan pecutan, a (tenggelam)
W < F_B	Ke atas; tiada keseimbangan daya	Bergerak ke atas dengan pecutan, a (naik)

Tiga bikar: W sama dengan F_B, W lebih besar daripada F_B, W kurang daripada F_B — Keadaan keapungan suatu objek di dalam bendalir

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 70 (Rajah 2.31).

Bagi objek yang terapung pegun, daya apungan = berat objek = berat bendalir yang disesarkan. Maka isi padu bendalir yang disesarkan = isi padu bahagian objek yang terendam.

Aplikasi prinsip Archimedes (2.5.3)

Hidrometer dalam cecair berketumpatan rendah dan cecair berketumpatan tinggi dengan bacaan pada skala — Mengukur ketumpatan cecair menggunakan hidrometer

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 71 (Rajah 2.33).

Hidrometer mengukur ketumpatan cecair. Hidrometer terapung pegun, maka berat cecair yang disesarkan = berat hidrometer. Dalam cecair kurang tumpat, bahagian yang tenggelam lebih panjang untuk menyesarkan isi padu cecair yang lebih besar; dalam cecair berketumpatan tinggi, hidrometer tenggelam kurang. Hidrometer susu digunakan di kilang pembuatan susu untuk menguji kecairan susu (1.000 hingga 1.240 g cm⁻³).
Kapal laut dan garis Plimsoll: kapal terapung kerana berat kapal = daya apungan. Garis Plimsoll menunjukkan kedalaman muatan maksimum yang selamat bagi air yang berbeza ketumpatannya.
Kapal selam menggunakan tangki balast. Untuk tenggelam, tangki diisi dengan air supaya berat kapal selam melebihi daya apungan; untuk timbul, air ditolak keluar oleh udara termampat supaya berat berkurang. Prinsip ini ditunjukkan oleh penyelam Cartesian (Aktiviti 2.11): tekanan pada botol memasukkan air ke dalam tabung uji, berat tabung uji bertambah melebihi daya apungan, lalu tabung itu tenggelam.
Belon udara panas: belon naik apabila udara dipanaskan oleh pembakar dan berat belon < daya apungan. Belon turun apabila pembakar dipadamkan dan injap payung terjun dibuka, kerana berat belon > daya apungan.

Menyelesaikan masalah (2.5.4)

Objek dalam bendalir: F_B = ρVg.
Objek terapung pegun: daya apungan = berat objek = berat bendalir yang disesarkan.

Contoh 1: muatan maksimum sebuah bot

Isi padu bot di bawah garis L ialah 2.8 m³ dan jisim bot ialah 600 kg. Berapakah berat muatan maksimum yang boleh dibawa? [ρ_air = 1 000 kg m⁻³]
Berat bot, W = mg = 600 × 9.81 = 5 886 N.
Daya apungan = ρVg = 1 000 × 2.8 × 9.81 = 27 468 N.
W + B = 27 468 → muatan maksimum, B = 27 468 − 5 886 = 21 582 N.

Contoh 2: rakit terapung di laut

Jisim rakit 54 kg, ketumpatan air laut 1 080 kg m⁻³. Berat rakit = mg = 54 × 9.81 = 529.74 N. Rakit terapung pegun, maka berat rakit = berat air laut yang disesarkan.
529.74 = 1 080 × V × 9.81 → V = 529.74 ÷ (1 080 × 9.81) = 0.05 m³.

Isi padu V dalam ρVg ialah isi padu cecair yang disesarkan, bukan isi padu seluruh objek apabila objek hanya terendam sebahagian.

Sebuah bongkah kayu berjisim 0.48 kg dan berisi padu 5.0 × 10⁻⁴ m³ dipegang di bawah air, lalu dilepaskan. Tentukan gerakannya. [ρ_air = 1 000 kg m⁻³]

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

F_B = 1 000 × 5.0 × 10⁻⁴ × 9.81 = 4.91 N. W = 0.48 × 9.81 = 4.71 N. F_B > W, maka daya paduan ke atas dan bongkah bergerak ke atas dengan pecutan (terapung di permukaan).

2.6Prinsip Bernoulli

Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju pengaliran suatu bendalir bertambah, tekanan dalam bendalir akan berkurang, atau sebaliknya (2.6.1).

Apabila udara ditiup laju di atas sehelai kertas, kertas naik: kawasan halaju udara tinggi mempunyai tekanan rendah, manakala udara yang pegun di bawahnya bertekanan tinggi. Perbezaan tekanan menghasilkan daya yang bertindak dari kawasan tekanan tinggi ke kawasan tekanan rendah. Dua belon yang digantung berdekatan bergerak merapat apabila udara ditiup di antara kedua-duanya.

Tiub venturi

Dalam tiub venturi, halaju air bergantung pada luas keratan rentas: semakin kecil luas, semakin tinggi halaju. Daripada X ke Y halaju air bertambah dan tekanan berkurang; daripada Y ke Z halaju air berkurang dan tekanan bertambah. Ketinggian turus air dalam tiub A, B dan C menunjukkan tekanan air di X, Y dan Z. Tekanan paling rendah di Y (bahagian paling sempit), maka turus air dalam tiub B paling rendah.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 80 (Rajah 2.47).

Penghasilan daya angkat (2.6.2)

Kapal terbang dalam penerbangan dikenai empat daya: daya angkat (ke atas), berat (ke bawah), tujahan daripada enjin jet (ke hadapan) dan seretan (rintangan udara, melawan gerakan). Daya angkat dihasilkan oleh sayap berbentuk aerofoil.

Aerofoil: pengaliran udara laju di atas menghasilkan tekanan rendah, pengaliran udara perlahan di bawah menghasilkan tekanan tinggi, daya angkat ke atas — Penghasilan daya angkat oleh aerofoil

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 82 (Rajah 2.50).

Bentuk aerofoil menyebabkan udara mengalir dengan halaju yang lebih tinggi di bahagian atas dan lebih rendah di bahagian bawah.
Menurut prinsip Bernoulli, halaju tinggi di atas menghasilkan tekanan rendah; halaju rendah di bawah menghasilkan tekanan tinggi.
Perbezaan tekanan menghasilkan daya paduan ke atas, iaitu daya angkat. Dalam Aktiviti 2.14, bola pingpong dalam corong terbalik dan aerofoil dalam terowong angin juga menunjukkan kesan ini.
Sudut serang ialah sudut antara aerofoil dengan arah gerakan udara. Pada sudut serang tertentu, aerofoil menolak udara ke bawah; mengikut Hukum Gerakan Newton Ketiga, satu daya tindak balas ke atas bertindak pada sayap dan menyumbang kepada daya angkat.

Aplikasi prinsip Bernoulli (2.6.3)

Aplikasi	Penerangan
Penunu Bunsen	Gas mengalir laju melalui muncung yang sempit, tekanan di situ rendah, maka udara atmosfera (tekanan lebih tinggi) ditolak masuk melalui lubang udara untuk bercampur dengan gas.
Kereta lumba	Splitter dan spoiler berbentuk aerofoil songsang menghasilkan daya ke bawah supaya kereta stabil pada kelajuan tinggi.
Sepakan bola yang melengkung	Bola berputar; halaju udara di satu sisi lebih tinggi, tekanan di situ lebih rendah, maka bola melengkung ke arah sisi itu.
Kapal terbang	Daya angkat oleh sayap aerofoil dan sudut serang.

Halaju tinggi bermakna tekanan rendah, bukan tekanan tinggi. Kertas naik kerana tekanan di bawah lebih besar daripada tekanan di atas, bukan kerana tiupan menolaknya ke atas.

Terangkan mengapa sehelai kertas yang dipegang di bawah bibir naik apabila murid meniup di atasnya.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Udara di atas kertas bergerak laju, maka tekanan di atas kertas rendah. Udara di bawah kertas hampir pegun dengan tekanan atmosfera yang lebih tinggi. Perbezaan tekanan menghasilkan daya paduan ke atas dan kertas naik (prinsip Bernoulli).