Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

2,640 views

Published on

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

Published in: Education
  • Login to see the comments

  • Be the first to like this

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

  1. 1. TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI Makalah Seminar Fisika Disusun Oleh: Niken Rizky Amalia Nuraini (K2313051) Disebarluaskan oleh: www.pakgurufisika.com FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017
  2. 2. ii TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI Oleh : Niken Rizky Amalia Nuraini K2313051 Makalah Seminar Fisika Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Persyaratan Guna Menempuh Ujian Mata Kuliah Seminar Fisika di Program Studi Pendidikan Fisika FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017
  3. 3. iii ABSTRAK Niken Rizky Amalia Nuraini. TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI Makalah Seminar Fisika, Surakarta : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta. Desember 2017. Tujuan penulisan Makalah Seminar Fisika ini adalah (1) menjelaskan tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon (2) menjelaskan perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon. Makalah ini disusun berdasarkan kajian literatur seperti buku, jurnal, internet, dan literatur lainnya yang membahas tentang tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon dan paradoks Teori Tegangan Kohesi. Berdasarkan hasil pembahasan, dapat diperoleh kesimpulan : (1) Prinsip fisika yang digunakan pohon untuk dapat mengangkut air ke puncak tertinggi adalah tekanan negatif pada fluida, kapilaritas pada ujung saluran xilem, dan transpirasi. Jika meninjau pohon redwood yang tingginya berkisar 100 meter, dibutuhkan beda tekanan 1 MPa atau 10 atm. Hal ini diatasi pohon dengan menciptakan tekanan negatif. Tekanan negatif menandakan air dalam keadaan tegang (seperti tali yang sedang mengangkat beban ditarik dari atas), dan gaya gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan kapilaritas pada pori-pori dinding sel yang menahan air dari atas. Adanya transpirasi membuat tekanan uap di dalam daun selalu berkurang, sehingga proses ini akan menarik air dari sel sebelah dalam daun dan seterusnya. Hal ini adalah mekanisme pasif yang tidak membutuhkan energi dari pohon sebab transpirasi terjadi sebab energi cahaya matahari, (2) Pada awal diusulkan Teori Tegangan Kohesi, teori tersebut menimbulkan perdebatan. Para fisikawan pesimis bahwa air bisa dalam keadaan metastabil dalam rentang waktu lama, bahkan sampai berpuluh-puluh tahun seperti pada pohon. Air yang mengalami penurunan tekanan sedemikian ekstrim seharusnya mendidih (fase uap), yang disebut dengan kavitasi. Gelembung- gelembung uap yang berukuran besar akan memutus aliran air, atau dengan kata lain saluran tersumbat oleh udara. Gejala ini disebut embolisme. Hasil pelbagai penelitian menunjukkan bahwa kavitasi memang dapat terjadi. Gelembung- gelembung uap air yang kecil dapat dengan mudah pecah dan udara di dalam gelembung diserap kembali oleh air. Namun gelembung-gelembung uap yang besar akan menyebabkan embolisme, dan hal tersebut wajar dijumpai ketika tanaman kekurangan air atau pada saat musim semi setelah air di dalam xilem mencair. Alhasil, adanya kavitasi dan embolisme semakin memperkuat kebenaran Teori Tegangan Kohesi. Kata kunci: teori tegangan kohesi, pengangkutan air, paradoks, transpirasi
  4. 4. iv DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i HALAMAN PENGAJUAN................................................................................ ii HALAMAN PERSETUJUAN............................................................................ iii HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. iv HALAMAN ABSTRAK .................................................................................... v HALAMAN MOTTO......................................................................................... vi HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... vii KATA PENGANTAR....................................................................................... viii DAFTAR ISI ...................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x DAFTAR TABEL ............................................................................................. xii BAB I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah................................................................. 1 B. Identifikasi Masalah ....................................................................... 2 C. Pembatasan Masalah ...................................................................... 2 D. Perumusan Masalah........................................................................ 2 E. Tujuan Penulisan............................................................................ 3 F. Manfaat Penulisan.......................................................................... 3 BAB II. PEMBAHASAN A. Jaringan Pengangkut Air pada Pohon ............................................ 4 B. Transpirasi...................................................................................... 7 C. Fluida ............................................................................................. 9 D. Perubahan Fasa Zat ........................................................................ 16 E. Air.................................................................................................. 20 F. Tegangan........................................................................................ 29 G. Teori Tegangan Kohesi .................................................................. 37 BAB III. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan .................................................................................... 56 B. Saran .............................................................................................. 57 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 58
  5. 5. v DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1. (a) Trakea atau Pembuluh, (b) Trakeid ...................................................... 6 2.2. Meniskus di Ujung Xilem.......................................................................... 8 2.3. Kurva Fungsi Distribusi Maxwell-Boltzmann ........................................... 9 2.4. (a) Gas Menekan Ban ke Segala Arah (b) Air Menekan Seluruh Tubuh Perenang.................................................................................................... 11 2.5. Total Tekanan Sama pada Ketinggian yang Sama..................................... 12 2.6. Barometer Toricelli ................................................................................... 13 2.7. Diagram Bebas Gaya pada Sedotan........................................................... 14 2.8. Sistem Pompa Air Gedung Pencakar Langit.............................................. 15 2.9. Diagram Fasa untuk Air. ........................................................................... 19 2.10. Titik Didih dan Titik Lebur Beberapa Molekul ......................................... 21 2.11. Struktur Skematik Molekul Air ................................................................. 22 2.12. (a) Satu Molekul Air Berikatan dengan Empat Molekul Air (b) Struktur Kristal Es................................................................................................... 23 2.13. Struktur Molekul Air pada (a) Padat, (b) Cair, dan (c) Gas........................ 24 2.14. Ilustrasi Sudut Kontak Air dan Merkuri terhadap Kaca ............................ 27 2.15. Komponen Gaya pada Kapilaritas ............................................................. 28 2.16. (a) Batang yang Tegang, (b) Tegangan pada Irisan Tegak Lurus , (c) dan (d) Tegangan di Irisan Miring ......................................................................... 30 2.17. Gaya Geser Diberikan pada Buku.............................................................. 31 2.18. Grafik Tegangan Terhadap Regangan ....................................................... 32 2.19. Elemen Tensor Tegangan Bidang xy......................................................... 33 2.20. Penyederhanaan Ilustrasi Tegangan Bidang .............................................. 34 2.21. Elemen di dalam Fluida Statik................................................................... 35 2.22. Demonstrasi: (a) Evaporasi, (b) Transpirasi, dan (c) Tekanan Akar .......... 38 2.23. Kohesi dan Adhesi di Dalam Xilem .......................................................... 39 2.24. Kurva Hasil Dendograf.............................................................................. 40 2.25. Kecepatan Aliran Air di Pohon.................................................................. 41 2.26. Ilustrasi Kumpulan Saluran Xilem............................................................. 43 2.27. Ilustrasi Tekanan pada Pori-Pori Dinding Sel Mesofil............................... 44
  6. 6. vi 2.28. Permukaan Luar Pori-Pori Mesofil Daun .................................................. 45 2.29. Tekanan pada Bejana Berhubungan........................................................... 49
  7. 7. vii DAFTAR TABEL Tabel Halaman 2.1. Jenis Sel Jaringan Pengangkut Xilem ........................................................ 5 2.2. Properti Fisika dari Air.............................................................................. 17 2.3. Laju Air, Diameter Xilem, dan Gradien Tekanan yang Telah Dihitung..... 43
  8. 8. 1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Fluida adalah zat alir yang dapat mengalir (zalir), yang dapat berupa gas ataupun zat cair. “Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus- menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut” (Streeter & Wylie, 1999: 3). Menurut Serway dan Jewett (2009: 638), “Fluida adalah kumpulan molekul yang tersusun secara acak dan melekat bersama-sama akibat suatu gaya kohesi lemah akibat gaya-gaya yang dikerjakan oleh dinding-dinding wadah.” Dengan kata lain, fluida mudah berubah bentuk, tergantung dari tempat fluida itu berada. Air termasuk dalam fluida. Disarikan dari Campbell (2002: 40) bahwa air adalah medium biologis di Bumi. Kehidupan di Bumi diawali di air dan selama 3 miliar tahun berkembang di sana sebelum berkembang ke daratan. Sedangkan diterjemahkan dari Nobel (2009: 45), “Air adalah penyusun pokok dari sel tumbuhan, baik di vakuola maupun dinding sel.” Diterjemahkan pula dari Kramer (1969: 3), “hampir setiap proses pada tanaman dipengaruhi oleh suplai air, baik secara langsung maupun tidak.” Namun air harus melawan gravitasi untuk dapat sampai ke puncak pohon. Hal tersebut bukanlah mekanisme yang mudah, mengingat air hanya dapat diisap setinggi 10,3 meter oleh pompa vakum sebaik apapun. Tekanan atmosfer tidak dapat menahan satu kolom air yang melebihi tinggi tersebut. Di sisi lain, agar pohon dapat mentransportasikan air ke puncak setinggi 100 meter (seperti dijumpai pada pohon-pohon konifer), pohon harus menciptakan beda tekanan setidaknya 1 MPa atau 10 atm. Padahal, sel-sel penyusun jaringan pengangkut air xilem tersusun atas sel-sel mati. Selama bertahun-tahun teori tentang pengangkutan air silih berganti diusulkan. Teori tekanan akar yang mengusulkan bahwa akar mempunyai tekanan untuk mendorong air ke atas tidak berlaku di semua tanaman, terutama pohon tinggi. Osmosis pun demikian, tidak semua tanaman hidup di lingkungan yang memungkinkan terjadi osmosis air dari lingkungan ke dalam akar. Tanaman bakau
  9. 9. 2 dan sejenisnya yang hidup di air payau mengalami osmosis dengan arah berkebalikan, dari akar ke lingkungan. Kapilaritas pun bukan menjadi solusi. Diameter tabung xilem yang berkisar antara 20 sampai dengan 200 mikrometer hanya dapat menaikkan air kurang dari 1 meter. Tentu ada mekanisme lain yang digunakan pohon selain dugaan-dugaan tersebut. Teori Tegangan Kohesi hadir menawarkan usulan mengenai mekanisme pengangkutan air ke puncak pohon, bahkan pohon tertinggi sekalipun. Namun hadirnya teori ini disertai dengan kritik dan bantahan. Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka pada Seminar Fisika ini akan dilakukan pembahasan materi mengenai tinjauan fisis pengangkutan air pada pohon yang selanjutnya diberi judul “TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI”. B. Identifikasi Masalah Dari uraian latar belakang masalah di atas maka dapat diidentifikasi masalah sebagai berikut: 1. Pohon-pohon tinggi terus tumbuh ke atas melawan gravitasi. 2. Ada prinsip Fisika yang menjadi kunci pengangkutan air dalam pohon. 3. Kebenaran Teori Tegangan Kohesi mengenai mekanisme pengangkutan air dalam pohon diperdebatkan. C. Pembatasan Masalah Dari identifikasi masalah di atas, maka dalam Makalah Seminar Fisika ini dibatasi pada: 1. Tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon. 2. Perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon D. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang masalah, identifikasi masalah, dan pembatasan masalah, maka dapat dibuat perumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon?
  10. 10. 3 2. Bagaimana perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon? E. Tujuan Penulisan Makalah Berdasarkan perumusan masalah di atas, tujuan dari penulisan Makalah Seminar Fisika ini adalah sebagai berikut: 1. Menjelaskan tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon. 2. Menjelaskan perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon. F. Manfaat Penulisan Makalah Manfaat yang diharapkan dari Makalah Seminar Fisika ini adalah sebagai berikut: 1. Menambah pengetahuan bagi penulis maupun pembaca mengenai tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon dan perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon. 2. Sebagai masukan bagi seminar-seminar maupun penelitian-penelitian dalam bidang pengangkutan air dalam pohon.
  11. 11. 4 BAB II PEMBAHASAN A. Jaringan Pengangkut Air pada Pohon Dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia, pohon adalah tanaman berbatang keras dan besar. Pohon adalah bahasa sehari-hari masyarakat Indonesia dengan hanya sebatas mengamati ciri luar memiliki batang keras dan besar. Dalam Biologi, tanaman (Kindom Plantae) terdiri atas berbagai jenis, mulai dari tidak berpembuluh seperti alga hingga berpembuluh seperti pohon kayu merah. Tumbuhan berpembuluh atau disebut tumbuhan vaskuler merupakan hasil evolusi sedemikian rupa, sehingga air dan hasil fotosintesis diangkut melalui saluran tertentu. Pengangkutan air pada pohon dilakukan oleh jaringan pengangkut xilem. 1. Jaringan Xilem Secara Umum Dari pendapat Toto & Yulisma (2017: 63) dapat disimpulkan bahwa air dan mineral dari dalam tanah diserap oleh akar kemudian diangkut melalui xilem, dan xilem yang ada di akar bersambungan dengan xilem yang ada di batang dan di daun. Menurut Hidayat (1995: 76), “Pada batang, berkas xilem umumnya bergabung dengan berkas floem dalam suatu ikatan berkas pembuluh. Kombinasi xilem dan floem membentuk sistem jaringan pembuluh yang sinambung di seluruh tubuh tumbuhan, termasuk semua cabang batang dan akar.” Berdasarkan pendapat Zimmerman dalam Debenedetti (1996: 22), “Pada sebagian besar pohon, siklus hidup xilem bergerak ke dalam dengan dibentuknya sebuah cincin pertumbuhan baru setiap tahunnya.” Mulyani (2006: 158) menyatakan, “Xilem adalah jaringan rumit yang terdiri atas berbagai tipe sel. Sel yang terpenting adalah unsur trakeal, yang terdiri atas sel tidak hidup yang fungsi utamanya untuk pengangkutan air, dan pada tahap tertentu berfungsi untuk penguat.” Fahn (1995: 175) mengungkapkan, “Pada xilem juga terdapat serat yang berfungsi sebagai penguat tubuh tumbuhan. Kadang-kadang didapati pula sklereid. Sel-sel parenkim juga didapati pada xilem yang berfungsi sebagai tempat makanan dan fungsi-fungsi lain.” Tabel 2.1 menunjukkan sel utama dalam xilem serta fungsi terpentingnya.
  12. 12. 5 Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa air dan mineral dari dalam tanah diserap oleh akar kemudian diangkut melalui xilem ke bagian batang dan daun tumbuhan. Xilem adalah jaringan rumit yang terdiri atas berbagai tipe sel. Tabel 2.1. Jenis Sel Jaringan Pengangkut Xilem (Hidayat, 1995: 78) Jenis Sel Fungsi Utama Sistem Aksial Unsur Trakeal Pengangkut Air Trakeid Komponen Trakea (sel yang membentuk trakea atau pembuluh kayu) Serat Penyokong, kadang-kadang penyimpan cadangan makananSerat Trakeid Serat Libriform Sel Parenkim Sistem Radial Penyimpan cadangan makanan dan translokasi zat ergastikSel Parenkim Pada beberapa Coniferae ada trakeid jari-jari empulur Berikut akan dibahas lebih lanjut mengenai unsur trakeal yang berperan sebagai tabung penyalur air dari akar ke daun. Adapun serat dan sistem radial tidak dibahas lebih lanjut karena tidak berperan langsung dalam pengangkutan air. 2. Unsur Trakeal Hidayat (1995: 78) menyatakan, “Unsur trakeal merupakan sel xilem yang paling tinggi spesialisasinya, dan bertugas dalam pengangkutan air beserta zat terlarut. Selnya memanjang dan merupakan sel mati. Dinding unsur trakeal berlignin dan terdapat penebalan sekunder dengan macam-macam noktah.” Menurut Fahn, “Noktah adalah bagian-bagian tipis pada dinding sel yang dapat menyalurkan air dengan mudah” (1995: 5). Dari pendapat Fahn (1995: 176) dapat disimpulkan bahwa unsur trakeal dibedakan dua tipe dasar unsur-unsur trakeal, yaitu trakeid dan anggota
  13. 13. 6 pembuluh (disebut juga trakea), seperti ditunjukkan Gambar 2.1. Hidayati (1995: 79) menyatakan, “Perbedaan utama antara kedua macam sel itu adalah trakeid merupakan sel yang ujungnya runcing tanpa lubang (perforasi), sedangkan trakea memiliki lubang atau berperforasi, biasanya pada kedua dinding ujungnya.” Gambar 2.1. (a) Trakea atau Pembuluh, (b) Trakeid (Inayati, 2011: 1) Dari pendapat Hidayat (1995: 79-80) dapat disimpulkan bahwa pada trakeid, pengangkutan air terjadi melalui noktah di antara ujung trakeid yang saling menimpa karena bagian noktah yang bukan selulosa telah hilang akibat reaksi enzim, maka air dapat menembus dengan mudah. Pada trakea, air bebas bergerak melalui lubang. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa air mengalir melalui tabung sel-sel trakeid dan tabung sel-sel trakea, yang merupakan sel mati. Pada trakeid, antarsel saling tindih, dan air mengalir melalui dinding yang dapat ditembus air disebut noktah. Sedangkan pada trakea, ujung-ujung dinding sel yang saling bertemu memiliki perforasi atau lubang. Air bebas bergerak melalui lubang tersebut. Oleh karena saluran xilem dari akar ke (a) (b)
  14. 14. 7 bagian atas pohon tersusun dari jaringan mati, maka air dinaikkan melalui proses fisika murni (bukan biofisik). B. Transpirasi Salisbury & Ross (1995: 72) mengungkapkan, “Seorang ahli ilmu tanah dari Utah State University, John Hanks, meneliti tanaman jagung pada tahun 1974. Hanks mendapati bahwa pada tanaman jagung, hanya kira-kira 1% air yang menjadi bagian dari biomassa.” Loveless (1991: 163) mengungkapkan, “Sebatang tanaman jagung, misalnya, menyerap sekitar 200 liter air selama pertumbuhannya dari tahap semai sampai tahap dewasa, tetapi hanya dua liter yang terdapat dalam sebatang tumbuhan dewasa.” Dari pendapat Debenedetti (35: 1996) dapat disimpulkan bahwa bahwa lebih dari 90% air yang naik di xilem menguap dari dinding sel daun menuju udara sekitar. Soerodikoesoemo (1993: 249) menyatakan, “Meskipun air merupakan penyusun utama tubuh tumbuhan, namun sebagian besar air yang diserap akan dilepaskan kembali ke atmosfer dan hanya sebagian kecil yang digunakan untuk metabolisme dan mengatur turgor sel.” “Sudah umum diketahui bahwa tumbuhan mengisap air, meskipun biasanya tidak disadari bahwa sebagian besar air yang diserap itu menguap ke udara. Alasannya jelas, karena air yang diserap berupa cairan yang dapat dilihat sedangkan air yang hilang dalam bentuk yang tidak tampak yaitu uap air” (Loveless, 1991: 159-190). Dari penjelasan-penjelasan tersebut dapat disimpulkan, bahwa air yang diserap dari tanah, hanya sebagian kecil yang digunakan untuk tumbuh dan selebihnya dikembalikan ke atmosfer. Lakitan (2012: 53) mengungkapkan, “Transpirasi dapat diartikan sebagai proses kehilangan air dalam bentuk uap melalui stomata. Kemungkinan kehilangan air dari jaringan tanaman lain dapat saja terjadi, tetapi porsi kehilangan tersebut sangat kecil dibandingkan dengan yang hilang melalui stomata.” Penguapan yang biasa disebut evaporasi memiliki istilah berbeda jika media perantaranya adalah makhluk hidup. Seperti yang dikutip dari Salisbury & Ross, “Penguapan air dari tumbuhan (dan hewan, menurut banyak pustaka) disebut trasnpirasi” (1995: 71). “Transpirasi adalah penguapan air dari tanaman.
  15. 15. 8 Transpirasi terjadi terutama di daun saat stomata membuka untuk perjalanan CO2 dan O2 selama fotosintesis” (Biology Pages, 2011: 1). Pada suatu ekosistem yang terdapat banyak tumbuhan, banyak dari siklus air yang kembali ke atmosfer melalui transpirasi daripada evaporasi. Dari pendapat Loveless (1991: 163) dapat disimpulkan bahwa, Kehilangan air dari suatu luasan vegetasi tidak hanya mencakup air yang hilang oleh transpirasi tetapi juga yang hilang karena evaporasi permukaan tanah, keduanya disebut evapotranspirasi. Melalui percobaan diketahui bahwa evaporasi tanah menyumbangkan lebih sedikit kepada evapotranspirasi total daripada transpirasi tanaman. Selain itu, dari pendapat Irwan (2010: 80) dapat disarikan bahwa air hujan jatuh ke bumi dengan berbagai cara, dan kemudian kembali ke atmosfer oleh penguapan dan transpirasi tumbuhan. Air yang ada di atmosfer selalu diperbaharui tiap 10,5 hari melalui penguapan dan jasa baik tumbuhan. “Pelepasan uap air ke atmosfer dari dedaunan pohon merupakan salah satu faktor kunci dalam menentukan iklim lokal” (Brown, 2013: 323). Dalam cairan, molekul bergerak pada kecepatan yang berbeda. Sebagian besar tidak memiliki kecepatan yang cukup untuk melepaskan diri dari kekuatan tarik dengan molekul lainnya. Namun Hoang (2013: 9) menjelaskan, “Setelah urutan tabrakan acak, beberapa molekul cair akan mencapai kecepatan yang cukup besar untuk melepaskan diri dari kekuatan tarik. Saat suatu molekul memutus hubungan dengan molekul lain, molekul tersebut berubah menjadi fase gas.” Hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Meniskus di Ujung Xilem (Hoang, 2013: 9) Hanya molekul yang cepat yang dapat lolos
  16. 16. 9 Molekul pada zat cair mempunyai distribusi laju yang mendekati distribusi Maxwell (Giancoli, 2001: 471). Dari pendapat Young & Freedman (2000: 515) dapat disarikan bahwa misal sebuah molekul harus memiliki laju setidaknya sebesar vA pada Gambar 2.3 untuk lolos dari permukaan cairan menuju uap. Jumlah dari molekul tersebut dilambangkan dengan daerah di bawah ekor kurva. Ketika cairan menguap, molekul dengan kecepatan tinggi yang dapat lepas dari permukaan. Gambar 2.3. Kurva Fungsi Distribusi Maxwell-Boltzmann (Young & Freedman, 2000: 513) Dari pendapat Soerodikoesoemo (1993: 250) dapat disimpulkan bahwa keluarnya uap air merupakan proses difusi gas, karena tekanan uap di sebelah dalam celah lebih tinggi daripada tekanan uap di luar daun. Sebab difusi tersebut, tekanan uap di dalam daun selalu berkurang dan terjadi penguapan air di dinding sel parenkim mesofil daun yang berbatasan dengan ruang udara. Selanjutnya proses ini akan menarik air dari sel sebelah dalam dan seterusnya. Hoang (2013: 9) menyatakan, “Dengan kata lain, transpirasi adalah mekanisme yang meregangkan air di atas pohon, dan memungkinkan air untuk memanjat pohon.” Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa transpirasi adalah proses penguapan air melalui makhluk hidup. Hal tersebut sebab suatu molekul air memiliki kecepatan yang cukup besar untuk melepaskan diri. Transpirasi umum terjadi di stomata. Proses keluarnya air dalam transpirasi terjadi secara difusi. C. Fluida 1. Pengertian Fluida “Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus- menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut” (Streeter & Wylie, 1999: 3). “Fluida bergerak dan berubah bentuk secara terus-menerus selama tegangan geser bekerja” (White, 1986: 2).
  17. 17. 10 Dengan bahasa awam, fluida memiliki sifat selalu menyesuaikan bentuk wadah. Serway & Jewett (2009: 638) mengategorikan benda cair dan gas tergolong dalam fluida. Sedangkan Halliday, Resnick, & Walker (2010: 387) menerangkan, “Fluida merupakan kebalikan dari zat padat, adalah zat yang dapat mengalir. Fluida bersifat demikian karena tidak dapat menahan tegangan geser (shearing stress).” Menurut Serway & Jewett (2009: 638), “Fluida adalah kumpulan molekul yang tersusun secara acak dan melekat bersama-sama akibat suatu gaya kohesi lemah akibat gaya-gaya yang dikerjakan oleh dinding-dinding wadah.” Dari pendapat yang disampaikan oleh para ahli di atas, dapat disimpulkan bahwa fluida merupakan zat yang dapat mengalir. Fluida tidak dapat menahan tegangan geser sehingga mudah berubah bentuk, tergantung dari tempat fluida itu berada. 2. Tekanan pada Fluida Dari penjelasan Giancoli (2001: 326), diketahui bahwa tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A. Gaya yang bekerja pada suatu luasan juga merupakan AhgmgF  , di mana Ah adalah volume kolom,  adalah massa jenis zat (dianggap konstan), dan g adalah percepatan gravitasi. Tekanan, P, dengan demikian adalah: Tekanan = Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2 . Satuan ini memiliki nama resmi pascal (Pa), untuk menghormati Blaise Pascal. Sehingga 1 Pa = 1 N/m2 . Halliday, et al.(2010: 389) menyatakan bahwa Pascal berkaitan dengan beberapa satuan tekanan umum lainnya (non-SI) sebagai berikut: 1 atm = 1,01 x 105 Pa = 760 torr = 14,7 lb/in2 (2.1)
  18. 18. 11 Menurut Giancoli (2001: 327) persamaan (2.1) dapat digunakan untuk menentukan perbedaan tekanan P pada ketinggian yang berbeda, di mana  adalah massa jenis rata-rata: Konsep tekanan terutama berguna untuk membahas fluida. Fluida tidak dapat menahan tegangan geser ataupun tegangan tarik. “Gaya yang dipengaruhi fluida statis pada benda selalu tegak lurus dengan permukaan benda” (Serway & Jewett, 2009: 638). Giancoli mengungkapkan, “Dari fakta eksperimental, diketahui bahwa fluida memberi tekanan ke segala arah” (2001: 326). Hal ini dirasakan oleh penyelam dan perenang yang merasakan tekanan di seluruh bagian badan ketika di dalam air ataupun tekanan udara pada dinding dalam ban seperti yang ditunjukkan Gambar 2.4. Gambar 2.4 (a) menunjukkan bahwa udara di dalam ban memberi gaya tekan tegak lurus terhadap seluruh permukaan. Sedangkan Gambar 2.4 (b) menunjukkan tekanan menekan secara tegak lurus pada seluruh sisi dari tubuh perenang. Panah merepresentasikan arah dan besar dari gaya yang menekan pada pelbagai titik di permukaan dalam ban dan tubuh perenang. Perhatikan bahwa gaya di bawah perenang lebih besar. Hal ini disebabkan posisi bawah yang lebih dalam, memberikan gaya ke atas atau gaya Buoyant. Gambar 2.4. (a) Gas Menekan Ban ke Segala Arah (b) Air Menekan Seluruh Tubuh Perenang (Giancoli, 2001: 326) (2.2) Katup Gaya Buoyant
  19. 19. 12 Dari perasamaan (2.1), diketahui bahwa tekanan vertikal suatu fluida adalah berat kumulatif dari lapisan fluida di atasnya. Agar permukaan air dapat menjadi horizontal, dibutuhkan tekanan vertikal yang sama pada setiap titik permukaan. Gambar 2.5 mengilustrasikan tekanan pada dua titik permukaan horizontal air saat sedotan menyedot. Gambar 2.5. Total Tekanan Sama pada Ketinggian yang Sama (Hoang, 2013: 1) Giancoli menjelaskan, “Tekanan atmosfer bumi, sebagaimana pada setiap fluida, berubah terhadap kedalaman” (2001: 328). Atmosfer (atm), seperti namanya, adalah perkiraan tekanan rata-rata atmosfer pada permukaan laut. 3. Prinsip Kerja Barometer dan Sedotan Dari pendapat Giancoli (2001: 331) disimpulkan, “Barometer raksa dibuat dari sebuah tabung yang diisi penuh dengan raksa dan dibalik ke dalam semangkuk air raksa. Raksa pada tabung akan turun, menyisakan ruang hampa.” Hal itu disebabkan tekanan atmosfer hanya dapat menahan satu kolom raksa dengan tinggi 76cm seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6. Hal ini dapat dibuktikan dengan persamaan (2.1) dengan  = 13,6 x 103 kg/m3 untuk air raksa dan h = 76,0 cm: P = (13,6 x 103 kg/m3 ) (9,80 m/s2 ) (0,760m) = 1,013 x 105 N/m2 = 1,00 atm Tekanan dari udara yang menyedot cairan (Jika seseorang menyedot sedotan, maka panah ini menggambarkan tekanan di mulut dan paru-paru) Tekanan kolom cairan yang disedot (Tekanan ini hanya tergantung pada ketinggian kolom) Tekanan atmosfer Pada kesetimbangan,
  20. 20. 13 Gambar 2.6. Barometer Toricelli (Kumalasari, 2013: 1) Serway & Jewett (2009: 646) menyatakan, “Ketika tekanan atmosfer berubah, maka tinggi kolom raksanya juga akan berubah.” Dari pendapat Halliday, et al. (2010: 392) dapat disimpulkan bahwa tinggi kolom air raksa bergantung pada nilai g pada lokasi barometer dan pada densitas merkuri, yang bervariasi pada suhu.” Hal itu dapat dengan mudah disadari, mengingat besarnya tekanan pada persamaan (2.1) dipengaruhi oleh ketinggian, percepatan gravitasi, dan massa jenis. Giancoli (2001: 332) kemudian memberi simpulan, Perhitungan lain yang hampir sama dengan di atas akan menunjukkan bahwa tekanan atmosfer dapat menahan satu kolom air yang tingginya maksimal 10,3 m. Beberapa abad yang lalu, merupakan suatu hal yang membingungkan bahwa tidak peduli seberapa bagusnya sebuah pompa vakum, tetap tidak dapat menarik air lebih dari 10 m. Dipecahkan kemudian oleh Torricelli, bahwa yang menjadi masalah adalah sebenarnya pompa tidak menyedot air ke atas tabung, melainkan memperkecil tekanan di bagian atas tabung. Tekanan udara atmosfer mendorong air ke atas tabung, sama seperti kenyataan bahwa tekanan udara yang mendorong (atau mempertahankan) ketinggian air raksa 76 cm pada barometer. Dengan persamaan (2.1), tekanan atmosfer P = 1,013 x 105 N/m2 , dan massa jenis  = 1 x 103 kg/m3 untuk air, maka dapat dihitung ketinggian maksimum tekanan atmosfer dapat menahan kolom air:
  21. 21. 14 ( )( ) Ketinggian maksimum air dapat ditahan tekanan atmosfer juga dapat dihitung dengan mengacu ilustrasi sedotan pada Gambar 2.7. Perbedaan antara tekanan udara di mulut (P) dan tekanan atmosfer (Pa) akan menimbulkan gaya yang membuat air terisap ke atas. Air yang memiliki massa menimbulkan gaya berat yang berlainan arah. Jika kedua gaya disamakan, maka akan didapat ketinggian maksimum air ditahan tekanan atmosfer. Gambar 2.7. Diagram Bebas Gaya pada Sedotan (Martaon, 2016: 1) ( ) ( ) ( ) ( ) Ftekan atmosfer Ftekan udara di dalam sedotan F= (Pa-P)A = Ahρg
  22. 22. 15 ( ) Ketika seluruh udara telah terisap sehingga menimbulkan tekanan vakum (P = 0), maka: ( ) ( )( ) Gedung pencakar langit memanfaatkan prinsip tersebut agar dapat memompa air ke lantai atas. “Gedung pencakar langit menggunakan sistem kolom air yang terputus-putus,” (Hoang, 2013: 2) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6. Dengan pengaturan ini, air pertama bisa tersedot melalui kolom pertama, lalu dituang di bagian kedua, lalu diisap lagi, dan seterusnya ke lantai atas. Gambar 2.8. Sistem Pompa Air Gedung Pencakar Langit (Hoang, 2013: 2) Sedangkan untuk menaikkan air pada pohon Harry Cole (pohon kayu merah pantai di California yang ketinggiannya tercatat setinggi 113,1 meter pada Juli 1988) dengan persamaan (2.2), air = 1000 kg m-3 , gravitasi 9,80 m s-2 , maka setidaknya akan dibutuhkan selisih tekanan: ( )( )( )
  23. 23. 16 Dari penjelasan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa atmosfer dapat mendorong ketinggian kolom air raksa tidak lebih dari 76 cm dan 10,3 m pada kolom air pada tekanan atmosfer 1 atm. Dari sini jelas bahwa air tidak didorong ke puncak pohon tinggi (dengan ketinggian lebih dari 10,3 m) oleh tekanan atmosfer. Terdapat mekanisme lain agar air dapat mencapai puncak pohon yang tinggi. D. Perubahan Fasa Zat 1. Tekanan Uap Proses penguapan seperti pada air di gelas yang berkurang ketinggiannya atau bensin yang menguap ketika seseorang sedang mengisi di SPBU dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Dari pendapat Giancoli (2001: 475) dapat disarikan bahwa molekul pada zat cair bergerak dengan berbagai laju yang kira-kira mengikuti distribusi Maxwell, namun hanya molekul yang mempunyai energi kinetik di atas nilai tertentu yang dapat berubah ke fasa gas. “Penguapan terjadi karena beberapa molekul cairan di permukaan mempunyai cukup momentum untuk mengatasi gaya kohesi antarmolekul dan melepaskan diri ke atmosfer” (Munson, Young, & Okiishi, 2004: 29). Dari pendapat Tipler (1998: 587) dapat disimpulkan bahwa agar molekul dapat lepas dari permukaan cairan, energi dibutuhkan untuk mematahkan ikatan molekuler yang menyebabkan tegangan permukaan. Oleh karena itu, penguapan adalah proses pendinginan bagi cairan yang ditinggal. “Tekanan konstan ketika cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya sendiri pada temperatur tertentu dinamakan tekanan uap” (Tipler, 1998: 398). “Tekanan uap adalah tekanan dari fasa uap dari bahan saat berada pada kesetimbangan fasa padat atau cair bahan tersebut” (Young & Freedman, 2000: 526). Dari pendapat Giancoli (2001: 475) dapat disarikan bahwa, Jika terdapat suatu bejana tertutup yang diisi dengan suatu zat cair dan udara telah dikeluarkan, maka molekul yang paling cepat akan menguap pada ruang di atasnya. Hal tersebut terus terjadi sampai dicapai suatu titik di mana jumlah molekul yang kembali ke cairan (sebab kondensasi) sama dengan jumlah yang meninggalkan cairan pada selang waktu yang sama. Terjadi kesetimbangan dan tekanan uap pada kondisi demikian disebut tekanan uap jenuh (biasa disebut tekanan uap saja).
  24. 24. 17 Tipler (1998: 586) menyatakan, “Mula-mula, laju penguapan akan lebih besar daripada laju pengembunan, dan kerapatan molekul uap akan naik. Tetapi dengan bertambahnya jumlah molekul uap, laju kondensasi bertambah sampai nilainya sama dengan laju penguapan dan terjadi kesetimbangan.” Munson, et al. (2004: 29) menyatakan, “Ketika kondisi kesetimbangan tercapai sehingga jumlah molekul yang meninggalkan permukaan sama dengan jumlah yang masuk, uap tersebut dikatakan telah jenuh dan tekanan yang diberikan uap pada permukaan zat cair disebut sebagai tekanan uap.” Tabel 2.2. Properti Fisika dari Air (Munson, et al., 2004: 527) Temperatur ( ) Densitas, (kg/m3 ) Tegangan Permukaan, (N/m) Tekanan Uap, Pv (N/m2 ) Kecepatan Suara, c (m/s) 0 999,9 7,56 E – 2 6,105 E + 2 1403 5 1000,0 7,49 E – 2 8,722 E + 2 1427 10 999,7 7,42 E – 2 1,228 E + 3 1447 20 998,2 7,28 E – 2 2,338 E + 3 1481 30 995,7 7,12 E – 2 4,243 E + 3 1507 40 992,2 6,96 E – 2 7,376 E + 3 1526 50 988,1 6,79 E – 2 1,233 E + 4 1541 60 983,2 6,62 E – 2 1,992 E + 4 1552 70 977,8 6,44 E – 2 3,116 E + 4 1555 80 971,8 6,26 E – 2 4,734 E + 4 1555 90 965,3 6,08 E – 2 7,010 E + 4 1550 100 958,4 5,89 E – 2 1,013 E + 5 1543 Giancoli (2001: 475) menyatakan, “Tekanan uap bergantung pada temperatur. Pada temperatur lebih tinggi, lebih banyak molekul yang mempunyai energi yang cukup untuk melepaskan diri dari permukaan cairan dan memasuki fasa uap. Berarti kesetimbangan akan dicapai pada tekanan yang lebih tinggi.” Tabel 2.2 memberikan tekanan uap air yang bersentuhan dengan udara dan beberapa properti Fisika dari air dalam SI. Dari pendapat Munson, et al., (2004: 30) disimpulkan bahwa pendidihan merupakan pembentukan gelembung uap di dalam massa fluida, dimulai ketika tekanan mutlak di dalam fluida mencapai tekanan uapnya. Gelembung-gelembung uap yang terbentuk akan pecah jika memasuki daerah
  25. 25. 18 bertekanan lebih tinggi. “Bila kesetimbangan terjadi dan cairan sedikit dipanaskan (atau tekanan dikurangi), maka cairan mendidih” (Tipler, 1998: 585). Giancoli (2001: 476) menyatakan, “Zat cair mendidih ketika tekanan uap jenuhnya sama dengan tekanan luar.” Dari pendapat Tipler (1998: 587) dapat disarikan bahwa pada pendidihan, gelembung uap harus mempunyai cukup tekanan untuk mendorong cairan melawan tekanan di bagian atas cairan (biasanya tekanan atmosfer) ditambah tekanan yang disebabkan cairan di atas gelembung. Dari pendapat Munson, et al. (2004: 146) dapat disimpulkan bahwa, Pada fluida yang sedang mengalir, jika kecepatan sangat besar, perbedaan tekanan juga sangat besar. Pada aliran gas, hal ini dapat menimbulkan efek-efek kemampumampatan. Sedangkan pada aliran zat cair, hal ini dapat menyebabkan kavitasi (suatu situasi yang terjadi apabila tekanan zat cair berkurang sampai tekanan uapnya dan zat cair tersebut akan mendidih). Dari pendapat Tipler (1998: 587) dapat disarikan bahwa pendidihan juga dapat terjadi tanpa penambahan panas, yaitu dengan mengeluarkan udara di atasnya sehingga menurunkan tekanan yang diberikan. Energi yang dibutuhkan untuk penguapan kemudian diambil dari cairan yang tertinggal. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa tekanan uap adalah tekanan dari uap ketika cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya sendiri pada temperatur tertentu. Suhu yang semakin tinggi akan membuat tekanan uap semakin besar. Cairan mendidih ketika tekanan dalam cairan telah mencapai tekanan uap yang sama dengan tekanan luar, yang bisa dicapai dengan menaikkan temperatur atau mengurangi tekanan. Gelembung uap akan pecah jika mencapai daerah dengan tekanan yang lebih tinggi. 2. Diagram Fasa “Perubahan dari satu fasa ke fasa lain umumnya berlangsung pada kondisi kesetimbangan fasa antara dua fasa, dan untuk tekanan tertentu hanya terjadi pada suhu tertentu” (Young & Freedman, 2000: 515). “Jika suhu diturunkan atau tekanan dinaikkan, tiap zat akan berubah dari fase gas menjadi fase cair atau fase padat” (Sears & Zemansky, 1994: 412). Dengan kata lain,
  26. 26. 19 jika suhu dinaikkan atau tekanan diturunkan, maka zat dengan fasa cair dapat berubah menjadi fase gas atau fase padat. Kondisi ini dapat digambarkan pada sebuah grafik dengan sumbu P dan T, yang disebut dengan diagram fase seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. “Bagian diagram antara titik O dan C menunjukkan tekanan uap terhadap temperatur” (Tipler, 1998: 586). Gambar 2.9. Diagram Fasa untuk Air (Tipler, 1998: 586) Dari pendapat Young & Freedman (2000: 515) dapat disarikan bahwa hanya sebuah fasa tunggal dapat terbentuk pada setiap titik, kecuali untuk titik- titik di garis tebal. Dua fasa dapat terbentuk dalam kesetimbangan fasa. “Perpotongan ketiga kurva (Gambar 2.9) disebut titik tripel, dan hanya pada titik ini ketiga fase bisa ada bersama dalam kesetimbangan” (Giancoli, 2001: 473). Dari pendapat Tipler (1998: 586) dapat disimpulkan bahwa, Pada temperatur dan tekanan di bawah titik tripel, cairan tidak bisa terwujud. Kurva OA pada Gambar 2.9 adalah kedudukan tekanan dan temperatur dengan padatan dan uap bersama-sama dalam kesetimbangan. Perubahan langsung dari padatan menjadi uap dinamakan sublimasi. Kurva OB adalah kurva pelelehan yang memisahkan fasa cairan dan padatan. Untuk bahan seperti air yang temperatur pelelehannya turun bila tekanan naik, kurva OB miring ke arah kiri seperti pada Gambar 2.9. Sedangkan kebanyakan bahan lain, temperatur leleh naik bila tekanan naik, dan kurva OB bahan seperti ini akan miring ke arah kanan. Titik akhir pada puncak kurva penguapan disebut titik kritis, dan nilai P dan T yang berkaitan disebut dengan tekanan dan suhu kritis, Pc dan Tc. Dari pendapat Young & Freedman (2000: 516) dapat disimpulkan bahwa sebuah
  27. 27. 20 gas pada tekanan di atas Tc tidak terpisah menjadi dua fasa jika didinginkan. Sebaliknya, sifat gas berubah secara bertahap dari sifat gas (densitas rendah, kompresibilitas besar) menjadi sifat cairan (kerapatan besar, kompresibilitas kecil) tanpa perubahan fasa. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa diagram fasa adalah grafik dengan sumbu P dan T yang menggambarkan perubahan dari satu fasa ke fasa lain. Perubahan fasa umumnya berlangsung pada kondisi kesetimbangan fasa antara dua fasa, dan untuk tekanan tertentu hanya terjadi pada suhu tertentu. Pada diagram fasa, kesetimbangan fasa diwakilkan dengan garis pembatas antara dua fasa. Perpotongan ketiga kurva disebut titik tripel, dan hanya pada titik ini ketiga fase bisa ada bersama dalam kesetimbangan. Dari diagram fasa diketahui bahwa jika suhu dinaikkan atau tekanan diturunkan, maka zat dengan fasa cair dapat berubah menjadi fase gas atau fase padat. E. Air Dari pendapat Campbell (2002: 40) dapat disimpulkan bahwa air adalah medium biologis di Bumi. Kehidupan di Bumi diawali di air dan selama 3 miliar tahun berkembang di air sebelum berkembang ke daratan. Air adalah satu-satunya substansi yang ditemukan di alam dalam tiga wujud fisik materi: padat, cair, dan gas. Irwan (2010: 80) mengungkapkan, “Sebagian besar air di bumi terikat secara kimia dengan mineral yang berasal dari litosfer primer dan depositif sedimenter.” Air berperan penting dalam kehidupan, termasuk bagi pohon. Dari pendapat Nobel (2009: 45) dapat disarikan bahwa air adalah penyusun pokok dari sel tumbuhan, baik di vakuola maupun dinding sel. Dari pendapat Kramer (1969: 3) dapat disimpulkan bahwa hampir setiap proses pada tanaman dipengaruhi oleh suplai air, baik secara langsung maupun tidak. Air adalah senyawa yang terdiri dari dua unsur hidrogen dan sebuah unsur oksigen, dengan rumus kimia H2O. Dari pendapat Nobel (2009: 47), dapat disarikan bahwa dari Gambar 2.10 dapat dilihat, meskipun jumlah atom hidrogen menurun (CH4 > NH3 > H2O > HF > Ne), namun titik lebur dan titik didik
  28. 28. 21 tertinggi dimiliki oleh air. Hal ini berarti penambahan panas tidak sebegitu mudahnya untuk dapat memisahkan ikatan kuat antara molekul air. Gambar 2.10. Titik Didih dan Titik Lebur Beberapa Molekul (Nobel, 2009: 47) Berdasarkan pendapat Kramer (1969: 7) dan Budiastuti (2010: 28-29), dapat disimpulkan bahwa ciri khas yang dimiliki oleh air adalah: 1. Air memiliki kalor uap dan kalor lebur tertinggi dari semua zat kecuali amonia cair yang 13 % lebih tinggi daripada air 2. Air hampir transparan, sehingga cahaya dapat menembus 3. Air memiliki tegangan permukaan dan viskositas yang tinggi dibandingkan dengan umumnya fluida, namun tetap mudah mengalir, dipompa, dan sebagainya 4. Air memiliki densitas tertinggi pada suhu 4, bukan pada titik bekunya 5. Air memuai saat membeku, sehingga es memiliki volume sekitar 10% lebih besar daripada air 6. Penghantar listrik dan pelarut yang baik 7. Secara kimiawi memiliki rumus H2O yang berarti letak kedua atom H menyisi pada atom O (di-pol), sehingga aktif dalam reaksi-reaksi kimiawi 8. Mampu menyimpan panas dengan baik (menjaga suhu)
  29. 29. 22 Berikut akan dijelaskan lebih lanjut mengenai beberapa sifat fisis air yang secara nyata berhubungan dengan proses pengangkutan air dalam pohon. 1. Ikatan Hidrogen Salisbury & Ross (1995: 27) menyatakan, “Sebagian besar sifat unik air berasal dari kenyataan menarik bahwa potongan garis yang menghubungkan pusat atom hidrogen dengan pusat atom oksigen tidaklah membentuk garis lurus.” Dari pendapat Nobel (2009: 47) dapat disarikan bahwa jarak antara atom oksigen dan masing-masing atom hidrogen adalah 0,099 nm, dan sudut ikatan HOH adalah 105, seperti ditunjukkan Gambar 2.11. Disimpulkan kembali dari Salisbury & Ross (1995: 27) bahwa kedua elektron yang membentuk ikatan kovalen antara atom hidrogen dan atom oksigen biasanya lebih dekat ke inti oksigen, meninggalkan kedua inti hidrogen (proton) di satu sisi permukaan atom oksigen. Hal ini menimbulkan muatan agak positif pada satu sisi molekul tersebut dan muatan negatif di sisi yang lain. Nobel (2009: 47) menyatakan, “Kedua hidrogen bermuatan positif secara elektrostatis tertarik pada oksigen dua molekul tetangga yang bermuatan negatif. Hal ini menimbulkan ikatan hidrogen antara molekul air.” Gambar 2.11. Struktur Skematik Molekul Air (Nobel, 2009: 48) Chang (2004: 372) menyatakan, “Ikatan hidrogen adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N–H, O– H, atau F–H, dengan atom elektronegatif O, N, atau F.” Dari pendapat Petrucci (1987: 24) dapat disarikan bahwa ikatan hidrogen adalah gaya intermolekul
  30. 30. 23 yang memiliki energi sebesar 15 sampai 40 kJ/mol. Gambar 2.12 menunjukkan ilustrasi ikatan hidrogen. Lebih lanjut, Keenan, Kleinfelter, & Wood (1984: 295) mengungkapkan bahwa, Ikatan hidrogen adalah tarikan antarmolekul yang luar biasa kuatnya, dapat terjadi jika satu molekul mempunyai sebuah atom hidrogen yang terikat pada sebuah atom berelektronegativitas tinggi yang mempunyai sepasang elektron menyendiri. Inti hidrogen, yakni proton, ditarik oleh pasangan elektron yang berdekatan. Gambar 2.12. (a) Satu Molekul Air Berikatan dengan Empat Molekul Air (b) Struktur Kristal Es (Petrucci, 1987: 24) Petrucci (1987: 24) menyatakan, “Salah satu zat yang membentuk ikatan hidrogen adalah air. Gambar 2.12 menggambarkan ilustrasi satu molekul air dipegang oleh empat molekul di dekatnya melalui ikatan hidrogen, membentuk susunan tetrahedral pada fase padat (es).” Dari pendapat Chang (2004: 376-377) dapat disimpulkan bahwa yang membuat ikatan hidrogen air berbeda dengan NH3 dan HF adalah setiap atom oksigen dapat membentuk dua ikatan hidrogen. Molekul-molekul NH3 dan HF dapat membentuk cincin atau rantai, namun tidak struktur tiga dimensi seperti air. Struktur 3 dimensi es yang sangat teratur (seperti ditunjukkan Gambar 2.12.b) mencegah molekul-molekul untuk terlalu dekat satu sama lain. Ini adalah perilaku yang luar biasa bagi suatu zat. Petrucci (1987: 25) mengungkapkan, “Jika air dipanaskan sampai sedikit di atas titik lelehnya, kerapatannya terus meningkat.” Dari pendapat Chang (2004: 377) dapat disimpulkan bahwa hal ini terjadi sebab pada titik leleh, sejumlah molekul air
  31. 31. 24 memiliki cukup energi kinetik untuk membebaskan diri dari ikatan hidrogen, namun molekul-molekul ini justru terperangkap dalam rongga-rongga struktur tiga dimensi, yang terpecah-pecah menjadi kumpulan-kumpulan yang lebih kecil. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 2.13. Gambar 2.13. Struktur Molekul Air pada: (a) Padat, (b) Cair, dan (c) Gas (UCSB ScienceLine, 2013: 1) Dari penjelasan UCSB ScienceLine (2013: 1) dapat disimpulkan bahwa saat air memasuki fase cair, tiap molekul air hanya dapat membentuk ikatan hidrogen dengan 3 molekul air lain sehingga tersusun lebih acak. Alhasil, dengan 3 ikatan hidrogen per molekul, molekul air dapat lebih rekat dan massa jenis air meningkat. Petrucci (1987: 25) menyatakan, “Jika air dipanaskan sampai sedikit di atas titik lelehnya, kerapatannya terus meningkat. Air mencapai kerapatan maksimum pada 3,98C. Di atas titik ini, air berperilaku seperti biasa.” Chang (2004: 378) menyatakan, “Air akan memuai akibat pemanasan, yang menghasilkan penurunan kerapatan. Dari 0C hingga 4C, penjebakan yang lebih dominan, sehingga air lebih rapat. Tetapi di atas 4C, pemuaian termal mendominasi dan kerapatan air turun dengan naiknya suhu.” Dari pendapat penjelasan Campbell (2002: 44) bahwa ikatan hidrogen mempertahankan molekul cukup jauh untuk membuat es berkurang kepadatannya 10 % (molekulnya berkurang 10 dalam volume yang sama) dibandingkan air dalam wujud cair pada suhu 4C.
  32. 32. 25 Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa ikatan hidrogen adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar dengan atom elektronegatif O, N, atau F. Ikatan hidrogen ditemukan pada molekul air, yang membuat air berperilaku unik dibanding cairan lainnya. 2. Tegangan Permukaan “Sejumlah observasi umum menunjukkan bahwa permukaan zat cair berperilaku seperti membran yang teregang karena tegangan” (Giancoli, 2001: 350). Young & Freedman (2000: 431) menyebutkan, “Penjepit kertas dapat diam di atas permukaan air meskipun memiliki densitas beberapa kali densitas air.” Sears & Zemansky (1994: 312) pun mengatakan, “Keluarnya cairan perlahan-lahan dari penetes obat (bukan seperti arus yang tidak putus-putus). Efek ini disebut dengan sebagai tegangan permukaan.” Dari pendapat Tipler (1998: 398) dapat disarikan bahwa di bagian dalam cairan, sebuah molekul dikelilingi molekul-molekul lainnya, tetapi di permukaannya, tidak ada molekul sejenis di atas molekul-molekul permukaan. “Hal ini menimbulkan molekul-molekul di permukaan mengalami gaya netto yang mengarah ke dalam” (Munson, et al., 2004: 30). Dari pendapat Young & Freedman (2000: 431-432) dapat disimpulkan bahwa hal tersebut menjadikan cairan cenderung memperkecil luas permukaannya. Tetes air hujan yang jatuh bebas berbentuk bola (tidak berbentuk tetesan air mata) karena bentuk bola memiliki luas permukaan yang lebih kecil dibandingkan dengan bentuk lain. Dari pendapat Giancoli (2001: 350) dapat disimpulkan bahwa tegangan permukaan ( ) didefinisikan sebagai gaya F per satuan panjang L yang bekerja melintasi semua garis pada permukaan, dengan kecenderungan menarik permukaan agar tertutup: Karena selaput mempunyai dua permukaan, total panjang permukaan di mana gaya permukaan bekerja adalah ialah 2L: (2.3)
  33. 33. 26 Tegangan permukaan adalah gaya per satuan panjang. Satuannya dalam SI adalah newton per meter (N/m). “Tegangan permukaan air adalah sekitar 0,072 pada suhu 20C. Temperatur mempunyai efek yang besar pada tegangan permukaan “ (Giancoli, 2001: 350). Young & Freedman (2000: 433) menyatakan, “Suhu berhubungan dengan energi gerak molekul dalam bahan. Saat suhu bertambah dan molekul cairan bergerak lebih cepat, pengaruh interaksi antarmolekul akan berkurang pada gerakannya dan tegangan permukaan akan berkurang.” Berdasarkan pendapat Giancoli (2001: 351) dapat disimpulkan bahwa agar permukaan cairan naik, diperlukan usaha. Usaha ini menaikkan energi potensial molekul dan kadang kala disebut sebagai energi permukaan. Lebih luas permukaan, lebih besar energi permukaan: dengan adalah perubahan jarak dan (= L ) adalah kenaikan total. Karena itu, dapat ditulis: sehingga, dapat dispesifikasi dalam N/m atau J/m2 . Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa tegangan permukaan adalah fenomena yang dijumpai pada permukaan zat cair yang berperilaku seperti membran yang teregang karena tegangan. Adanya tegangan permukaan disebabkan di bagian dalam cairan, sebuah molekul dikelilingi molekul-molekul lainnya, tetapi di permukaannya, tidak ada molekul sejenis di atas molekul-molekul permukaan. Akhirnya permukaan cairan tertarik ke arah dalam. 3. Kapilaritas Dari pendapat Giancoli (2001: 353) dapat disarikan bahwa pada tabung dengan diameter yang sangat kecil, zat cair tampak naik atau tampak turun relatif terhadap tingkat zat cair yang mengelilinginya. Tegangan
  34. 34. 27 permukaanlah yang memainkan peranan penting pada fenomena kapilaritas. Young & Freedman (2000: 434) menyatakan, “Ketika bidang batas cairan-gas bertemu dengan permukaan padat (misal dinding bejana), permukaan gas- cairan umumnya membentuk lengkungan ke atas atau ke bawah di dekat permukaan padat. Sudut  yang dibentuk lengkungan itu disebut sudut kontak,” yang ditunjukkan pada Gambar 2.14. Gambar 2.14. Ilustrasi Sudut Kontak Air dan Merkuri terhadap Kaca (Education of Science, 2017: 1) Dari pendapat Tipler (1998: 399) dapat disimpulkan, “Gaya tarik menarik antara sebuah molekul dengan molekul-molekul lain dalam cairan dinamakan gaya kohesi. Gaya antara sebuah molekul cairan dengan bahan lain, seperti dinding bejana, dinamakan gaya adhesi.” Dari pendapat Young & Freedman (2000: 434) bahwa ketika kohesi molekul-molekul cairan kalah kuat dibandingkan dengan permukaan padat, cairan akan membahasahi atau melekat pada permukaan padat. Bidang batas cairan-gas akan membentuk kurva yang melengkung ke atas dan memiliki sudut  kurang dari 90. Jika terjadi hal sebaliknya, maka sudut  akan lebih dari 90. Tipler (1998: 399) menyatakan, Bila permukaan cairan konkaf ke atas, tegangan permukaan pada dinding pipa mempunyai komponen ke atas seperti ditunjukkan pada Gambar 2.15. Cairan akan naik dalam pipa sampai gaya ke atas neto padanya yang disebabkan tegangan permukaan diimbangi berat cairan. Kenaikan ini dinamakan gerakan kapiler. Dari pendapat Young & Freedman (2000: 434) dapat disarikan bahwa kurva permukaan cairan disebut meniskus. Kurva cairan yang tidak membasahi dinding seperti raksa akan membentuk meniskus ke bawah dan permukaan ditekan ke bawah oleh gaya tegangan permukaan.
  35. 35. 28 Gambar 2.15. Komponen Gaya pada Kapilaritas (Chemistry Stack Exchange, 2015: 1) Pada Gambar 2.15, cairan telah naik sampai ketinggian h dalam suatu pipa kapiler tipis berjari-jari r. Pipa terbuka dengan tekanan atmosfer di ujung atasnya. Gaya yang menahan cairan di atas adalah komponen vertikal tegangan permukaan (F cos ). Karena panjang permukaan kontak adalah 2 r, gaya vertikal ini adalah . Jika permukaan yang sedikit melengkung diabaikan, maka volume cairan adalah . Dengan mengambil gaya ke atas neto sama dengan berat, didapatkan: ( ) atau Dengan persamaan (2.4), dapat dihitung kapilaritas pada xilem. Menurut pendapat Nobel (2009: 53), dapat disimpulkan bahwa dengan pendekatan massa jenis air pada suhu 20C adalah 998 kg m-3 , percepatan gravitasi 9,80 m s-2 , tegangan permukaan air pada suhu 20C adalah 0,0728 N m-1 , dan jari-jari xilem 20 m, maka: (2.4)
  36. 36. 29 ( )( )( ) ( )( )( ) Kapilaritas dengan ketinggian di atas dapat menaikkan air ke puncak tanaman yang kecil. Namun untuk mencapai puncak pohon dengan tinggi 30 m dengan kapilaritas, dibutuhkan xilem dengan pembuluh dengan jari-jari 0,5 m. Dari pendapat dari Nobel (2009: 53) dapat disasrikan bahwa pembuluh xilem diketahui tidak sekecil itu, sehingga kapilaritas tidak dapat diperhitungkan sebagai cara pengangkutan air di pohon tinggi. Ujung xilem pun tidak terbuka langsung dengan udara, sehingga hal ini tidak analogi. Dari penjelasan di atas, disimpulkan bahwa kapilaritas tidak mampu mendorong air lebih dari 1 meter karena tabung xilem berukuran terlalu besar, yaitu sekitar 20 sampai 200 mikrometer. Xilem pun tidak berbatasan langsung dengan udara, melainkan dengan sel-sel mesofil daun. F. Tegangan “Jika sebuah benda padat berada dalam keadaan setimbang tetapi dipengaruhi gaya-gaya yang berusaha menarik, menggeser, atau menekannya, maka bentuk benda itu akan berubah” (Tipler, 1998: 386). Perubahan bentuk pada benda disebut deformasi. Perilaku elastisitas salah satunya terjadi saat penarikan suatu batang. Gambar 2.16 menunjukkan sebuah batang yang pada masing-masing ujungnya mengalami gaya tarik F yang sama besarnya dan arahnya berlawanan. Menurut Sears & Zemansky (1994: 251) mengungkapkan, “Benda tesebut dalam keadaan tertegang”. Karena masing-masing potongan batang dalam kesetimbangan, maka potongan di sebelah kanan irisan 4mengerjakan tarikan terhadap potongan di sebelah kiri dengan gaya F, dan sebaliknya. Asalkan irisan tersebut tidak terlalu dekat dengan ujung batang, maka menurut Tipler (1998: 386), “Gaya-gaya tersebut akan terdistribusi secara uniform pada luas penampang batang.” Hal tersebut digambarkan dengan beberapa anak panah pendek dalam Gambar 2.16 (b). Tegangan di tempat irisan tersebut didefinisikan sebagai perbandingan besar gaya F terhadap luas bidang penampang bidang A. Tegangan =
  37. 37. 30 Gambar 2.16. (a) Batang yang Tegang, (b) Tegangan pada Irisan Tegak Lurus , (c) dan (d) Tegangan di Irisan Miring (Sears & Zemansky, 1994: 251) Sears & Zemansky (1994: 252) mengungkapkan, “Tegangan semacam ini disebut tegangan akibat tarikan, karena kedua potongan batang itu saling melakukan tarikan satu sama lain. Tegangan itu merupakan pula tegangan normal, sebab gaya terdistribusi tegak lurus pada luas.” Satuan SI untuk tegangan adalah pascal (disingkat Pa). Satu pascal sama dengan satu newton per meter kuadrat (N/m2 ). Dari pendapat Young & Freedman (2000: 335-336) dapat disimpulkan bahwa satuan tegangan sama dengan satuan tekanan. Dalam sistem satuan Inggris, satuan untuk tegangan adalah pound per square foot tetapi lebih sering digunakan pound per square inch (lb/in2 atau psi). Faktor konversinya yaitu: 1 psi = 6895 Pa dan 1 Pa = 1,450 x 10-4 psi Selanjutnya ditinjau sebuah irisan yang arahnya dibuat sekehendak, seperti dalam Gambar 2.16 (c). Gaya resultan yang dikerjakan terhadap potongan yang satu oleh potongan yang satu lagi dan sebaliknya sama besarnya dan berlawanan arah dengan gaya F di ujung irisan. Tetapi gaya tersebut sekarang terdistribusi pada bidang A’ yang lebih luas dan arahnya tidak tegak lurus pada bidang. Bila resultan seluruh gaya yang tedistribusi itu dinyatakan dengan satu vektor yang besarnya F, seperti dalam Gambar 2.16 (d), vektor ini dapat diuraikan menjadi komponen Fn yang normal terhadap bidang A’ dan komponen F1 yang tangen terhadapnya. Tegangan normal didefinisikan sebagai perbandingan
  38. 38. 31 komponen Fn terhadap bidang A’. Perbandingan komponen F1 terhadap bidang A’ disebut tegangan tangensial pada irisan. Tegangan normal = , Tegangan tangensial (luncur) = . Dari pendapat Young & Freedman (2000: 336) dapat disimpulkan bahwa perubahan panjang (perpanjangan) dari sebuah benda yang mengalami tegangan tarik disebut regangan tarik. Setiap bagian batang akan memanjang dengan perbandingan yang sama. Regangan tarik didefinisikan sebagai berikut: Regangan tarik = = . Gambar 2.17. Gaya Geser Diberikan pada Buku (Tipler, 1998: 388) Beberapa referensi lain menyebut tegangan tangensial (luncur) sebagai tegangan geser. Dari pendapat Young & Freedman (2000: 340) bahwa tegangan geser didefinisikan sebagai gaya F yang menyinggung permukaan bahan, dibagi dengan luas permukaan A tempat gaya itu beraksi. “Jika sebuah benda awalnya adalah kubus, maka tegangan geser akan menghasilkan bentuk yang penampang silangnya akan berupa sebuah jajar genjang” (Serway & Jewett, 2009: 567). Pada Gambar 2.17 tegangan geser berusaha mengubah bentuk buku dan rasio X/L dinamakan regangan geser: Regangan geser = = dengan adalah sudut geser yang ditunjukkan pada Gambar 2.17. Dari pendapat Tipler (1998: 389) dapat disimpulkan bahwa rasio tegangan geser terhadap regangan geser dinamakan modulus geser S atau disebut modulus torsi.
  39. 39. 32 S = = Gambar 2.18. Grafik Tegangan Terhadap Regangan (Tipler, 1998: 386) Gambar 2.18 menunjukkan grafik regangan versus tegangan untuk batang padat biasa. Grafik tersebut linear sampai titik A. Tipler (1998: 386) mengungkapan, “Hasil bahwa regangan berubah secara linear dengan tegangan dikenal sebagai Hukum Hooke.” Titik B adalah batas elastik bahan. Jika batang ditarik melampaui titik ini, batang tidak akan kembali ke panjangnya semula, tetapi berubah secara tetap. Jika tegangan yang lebih besar diberikan, bahan akhirnya patah, seperti ditunjukkan di titik C. Rasio tegangan terhadap regangan dalam daerah linear grafik adalah konstanta yang dinamakan Modulus Young Y: Y = = . “Modulus Young pada umumnya diguanakan untuk menentukan karakter sebuahh batang atau seutas kabel yang ditekan dalam tegangan ataupun tekanan. Perhatikan karena regangan adalah nilai tidak berdimensi, Y memiliki gaya satuan per luas” (Serway & Jewett, 2009: 567). “Jika sebuah batang dipengaruhi gaya-gaya yang berusaha menekan alih- alih menarik, tegangan dinamakan tegangan tekan. Pada kebanyakan bahan (tidak semua), modulus Young untuk tegangan tekan sama dengan modulus tegangan tarik jika pada persamaan (2.5) diambil sebagai pengurangan panjang batang” (Tipler, 1998: 388). “Regangan tekan dari sebuah batang yang mengalami penekanan didefinisikan dengan cara yang sama seperti mendefinisikan regangan tarik, tetapi memiliki arah yang berlawanan” (Young & Freedman, 2000: 337). 0 (2.5)
  40. 40. 33 “Tegangan, tidak seperti gaya, bukanlah besaran vektor, karena tidak ada arah tertentu. Gaya yang bekerja terhadap potongan benda di sisi tertentu suatu irisan ada yang mempunyai arah tertentu. Tegangan termasuk salah satu besaran fisika yang disebut tensor”(Sears & Zemansky, 1994: 252). “Tegangan bukanlah vektor karena tidak dapat dijumlahkan dengan aturan jajaran genjang. Sebenarnya tegangan merupakan besaran yang lebih rumit daripada vektor dan dalam matematika disebut tensor. Besaran tensor lainnya adalah regangan dan momen inersia” (Setiawan, 2014: 4). Gambar 2.19. Elemen Tensor Tegangan Bidang xy (Setiawan, 2014: 4) Tensor ialah besaran fisik yang keadaannya pada suatu titik dalam ruang, tiga dimensi, dapat dideskripsikan dengan 3n komponennya, dengan n adalah derajat tensor tersebut. Tegangan merupakan tensor derajat dua, sedangkan vektor, vektor apapun, merupakan tensor derajat satu. Besaran skalar merupakan tensor derajat nol. Dengan demikian, untuk persoalan tegangan tiga dimensi pada suatu titik dalam ruang dapat dideskripsikan dengan 32 komponennya. Pada sistem koordinat sumbu silang, tegangan tersebut adalah σx, σy, σz, τxy, τyx, τxz, τzx, τyz, dan τzy seperti ditunjukkanpada Gambar 2.19. “Bila bahan berada dalam keadaan tegangan bidang dalam bidang xy, maka hanya muka x dan y dari elemen yang mengalami tegangan, muka z tidak bertegangan dan sumbu z adalah normal permukaan tersebut” (Setiawan, 2014: 4). Berikut poin-poin singkat mengenai tegangan bidang yang dikutip dari Setiawan (2014: 5-6): 1. Tegangan Normal a. Tegangan normal σ, mempunyai subskrip yang menunjukkan muka di mana tegangan normal tersebut bekerja
  41. 41. 34 b. Tegangan yang bekerja di muka x dari elemen dinotasikan σx c. Tegangan normal yang sama bekerja di muka yang berlawanan 2. Tegangan Geser a. Tegangan geser τ, memiliki dua subskrip, subskrip pertama menunjukkan muka di mana tegangan bekerja, subskrip kedua menunjukkan arah di muka tersebut b. Tegangan τxy bekerja di muka x dalam arah sumbu y c. Tegangan τyx bekerja di muka y dalam arah sumbu x 3. Perjanjian Tanda a. Tegangan normal bernilai positif untuk tegangan tarik, dan bernilai negatif untuk tegangan tekan b. Tegangan geser bernilai positif apabila bekerja di muka positif dalam arah positif, atau bekerja di muka negatif dalam arah negatif. Sedangkan tegangan geser bernilai negatif apabila bekerja dalam muka dan arah yang tidak bertanda sama c. Agar memudahkan penggambaran elemen tegangan bidang, biasanya cukup digambarkan dalam bentuk dua dimensi, seperti pada Gambar 2.20. Gambar 2.20. Penyederhanaan Ilustrasi Tegangan Bidang (Setiawan, 2014: 6) Dari pendapat Welty, et al. (2004: 4) dapat disimpulkan, “Pada fluida statis, tegangan normal di sebuah titik dapat ditentukan dari aplikasi hukum- hukum Newton. Perlu diingat bahwa tidak ada tegangan geser pada fluida yang statik.” Sehingga gaya-gaya permukaan yang ada hanyalah gaya-gaya yang diakibatkan oleh tegangan normal seperti pada Gambar 2.21.
  42. 42. 35 Gambar 2.21. Elemen di Dalam Fluida Statik (Welty, et al., 2004: 4) Pada benda diam, ΣF = 0. Dalam arah x Karena , persamaan (2.6) menjadi Dengan membagi persamaan (2.7) dengan dan kemudian mengambil limit pada saat volume elemen mendekati nol, diperoleh [ ] Dengan mengingat bahwa tegangan normal bersifat positif pada kondisi tarik (tension), maka dengan menghitung persamaan (2.8), didapatkan Dalam arah y, dengan menerapkan ΣF = 0 dihasilkan Karena , didapatkan Dengan membagi persamaan (2.10) dengan dan mengambil limit seperti sebelumnya, diperoleh [ ] yang menjadi (2.6) (2.8) (2.10) (2.9) (2.7)
  43. 43. 36 ( ) atau Karena sudut tidak muncul di persamaan (2.9) atau (2.11), sehingga tegangan normal di sebuah titik di dalam fluida statik tidak tergantung pada arah, dan karena itu merupakan kuantitas skalar. Dari pendapat Welty, et al. (2004: 5) dapat disimpulka bahwa Karena elemennya diam, maka gaya-gaya permukaa yang bekerja hanya gaya-gaya yang disebabkan oleh tegangan normalnya. Seandainya gaya per satuan luas yang bekerja pada elemen diukur, maka akan didapat bahwa gaya itu bekerja ke arah dalam atau menyebabkan elemen terkompresi. Kuantitas yang diukur tersebut adalah tekanan, yang dari sudut pandang pengembangan sebelum ini, merupakan negatif dari tegangan normalnya. Penyederhanaan penting ini, reduksi tegangan, suatu tensor, menjadi tekanan, suatu skalar, juga dapat ditunjukkan pada kasus nol tegangan geser di dalam fluida yang mengalir. Ketika tegangan-tegangan geser hadir, maka komponen-komponen tegangan normal di sebuah titik mungkin saja tidak sama. Namun demikian, tekanannya tetap sama dengan tegangan normal rata-rata. Artinya ( ) dengan perkecualian yang sangat sedikit, salah satunya adalah aliran pada gelombang-gelombang kejut (shock waves). Munson, Young, & Okiishi (2004: 371) menyatakan bahwa untuk fluida- fluida yang di dalamnya tidak terdapat tegangan geser, tegangan normal pada sebuah titik tidak tergantung pada arah –artinya . Dalam hal ini, tekanan p didefinisikan sebagai negatif dari tegangan normal sehingga . Tanda negatif digunakan sehingga sebuah tegangan normal menekan (seperti apa yang diperkirakan dalam sebuah fluida) akan memberi nilai positif untuk p. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda padat yang berada dalam keadaan setimbang tetapi dipengaruhi gaya-gaya yang berusaha menarik, menggeser, atau menekannya, maka benda tersebut mengalami tegangan. Menurut jenis pembebanan yang diberikan, tegangan diklasifikasikan menjadi tegangan tarik, tegangan geser, dan tegangan tekan. Tegangan termasuk (2.11)
  44. 44. 37 salah satu besaran fisika yang disebut tensor. Pada sistem koordinat sumbu silang, tegangan memiliki elemen σx, σy, σz, τxy, τyx, τxz, τzx, τyz, dan τzy. Dari persamaan yang telah diturunkan, diketahui bahwa pada fluida statik, tegangan geser tidak ada dan tegangan normal sama dengan tekanan negatif. Ketika tegangan-tegangan geser hadir, maka komponen-komponen tegangan normal di sebuah titik mungkin saja tidak sama. Namun demikian, tekanannya tetap sama dengan tegangan normal rata-rata. G. Teori Tegangan Kohesi 1. Teori Tegangan Kohesi Mengalirkan air ke puncak pohon Harry Cole membutuhkan selisih tekanan 1,1 MPa atau 10,9 atm seperti yang telah dihitung di awal. “Jelas bahwa air tidak didorong ke puncak pohon tinggi oleh tekanan atmosfer semata (yang kira-kira besarnya hanya 0,1 MPa). Hal tersebut belum termasuk tahanan dalam jalur air pada xilem” (Salisbury & Ross, 1995: 103). Perbedaan 1,1 MPa bukan merupakan tekanan yang kecil. Dari pendapat Hoang (2013: 3) dapat disimpulkan bahwa tekanan sebesar itu sangat berbahaya. Sebagai gantinya, Teori Tegangan Kohesi mengusulkan bahwa pohon meninggalkan tekanan di permukaan tanah pada tekanan atmosfir dan menciptakan tekanan negatif pada tabung xilem. Salisbury & Ross (1995: 49) berpendapat, “Naiknya tekanan menghasilkan tekanan positif, dan tegangan (tarikan; lawan dari tekanan) menghasilkan tekanan negatif.” Dari pendapat Young & Freedman (2000: 434-435) dapat disarikan bahwa tekanan dalam cairan umumnya bersifat menekan, tetapi dalam beberapa keadaan, cairan dapat menahan tegangan tarik. Tekanan negatif dipercaya merupakan mekanisme penting untuk perjalanan air dalam tabung xilem yang kecil pada pohon. Salisbury & Ross (1995: 49) pun menyatakan, “Tekanan biasanya bernilai positif pada sel hidup, tapi sering negatif pada unsur mati xilem atau pada tanah.” Tyree (2002: 49) menyatakan, “Tegangan mudah dipahami pada benda padat, semisal tali. Serat dari tali ditarik dari dua gaya yang berlawanan –gaya gravitasi dan kekuatan melawan dari orang atau mesin yang menarik
  45. 45. 38 tali. Teori Kohesi mengusulkan bahwa air pun dapat seperti itu pada kondisi tertentu.” Berdasarkan pendapat Hoang (2013: 5) dapat disimpulkan bahwa pada xilem, gaya gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan kapilaritas pada pori-pori dinding sel yang menahan air dari atas. Gambar 2.22. Demonstrasi: (a) Evaporasi, (b) Transpirasi (Teori Tegangan Kohesi), dan (c) Tekanan Akar (Greulach & Adams, 1976: 229) Dari pendapat Denny (2012: 44) dapat disarikan bahwa air ditarik dari ujung saluran sebab tegangan yang ditimbulkan oleh transpirasi. Hal ini adalah mekanisme pasif yang tidak membutuhkan energi dari pohon sebab transpirasi terjadi sebab energi cahaya matahari. Dari pendapat Debenedetti (1996: 21) dapat disimpulkan bahwa dua eksperimen oleh Holbrook, et al. (1995) dan Pockman, et al. (1995) telah mendemonstrasikan secara jelas kemampuan saluran xilem berisi air untuk menopang tegangan sampai dengan
  46. 46. 39 -35 bar. Adams, et al. (1970: 223) menyatakan, “Fenomena ini telah didemonstrasikan di awal 1890 oleh botanis Josef Boehm, E. Askenasy, dan H. H. Dixon,” seperti yang diilustrasikan Gambar 2.22. Greulach & Adams (1976: 229), menyatakan bahwa, Pada peralatan Teori Tegangan Kohesi pada Gambar 2.22 (a) dan (b) mendemonstrasikan proses evaporasi dan transpirasi. Air ditarik oleh wadah tanah liat berpori dan cabang pohon. Merkuri ikut serta tertarik sebab gaya adhesi antara merkuri dan air. Tekanan atmosfer hanya dapat mengangkat air setinggi 76 cm, namun pada demonstrasi yang dilakukan, merkuri dapat tertarik setinggi 100 cm atau lebih. Pada Gambar 2.22 (c) mendemonstrasikan proses tekanan akar. Awalnya merkuri berada pada ketinggian sama di antara dua lengan tabung U. Besar tekanan akar dapat dilihat pada perbedaan ketinggian merkuri di kedua lengan. Menurut pendapat Debenedetti (1996: 20) dapat disimpulkan bahwa mekanisme naiknya air pada tumbuhan adalah gradien tegangan (tekanan negatif): kolom air xilem ditarik menuju daun, tegangan air meningkat seiring ketinggian. Dari pendapat Salisbury & Ross (1995: 71) dapat disarikan bahwa kohesi di dalam kolom air yang kecil, seperti xilem, membuat air dapat menahan regangan tanpa putus. Dari pendapat Denny (2012: 44) dapat disimpulkan bahwa seiring dengan air menguap, kohesi membuat molekul air tarik-menarik dengan molekul-molekul di belakangnya: mendorong air kepada dinding xilem yang hidrofilik dengan adanya mekanisme adhesi, seperti ditunjukkan Gambar 2.23. Gambar 2.23. Kohesi dan Adhesi di Dalam Xilem (Holtzclaw) Dari pendapat Adams, Baker, & Allen (1970: 221) dapat disarikan bahwa,
  47. 47. 40 MacDougal berhipotesis, “jika air pada batang pohon berada dalam keadaan tegang saat naik, maka tarikan air ke arah dalam pada xilem akan mengecilkan diameter batang.” MacDougal kemudian melakukan eksperimen dengan alat bernama dendograf. Alat ini mampu mendeteksi perubahan sangat kecil pada diameter batang, seperti ditunjukkan Gambar 2.24. Grafik hasil pengukuran benar menunjukkan bahwa diameter batang mengecil pada siang hari, dan membesar pada malam hari. “Teori Tegangan Kohesi kali pertama diusulkan oleh Dixon dan Joly pada akhir abad ke-19” (Denny: 2012: 45). Teori ini biasa disebut Teori Kohesi. Dari pendapat Loveless (1991: 172) dapat disarikan bahwa, Menurut teori ini, penarikan air dari xilem menyebabkan tegangan atau tekanan negatif berkembang dalam air. Jika transpirasi berlangsung dan air ditarik dari xilem, kolom air dibentangkan menjadi benang yang tegang tetapi tidak terputus karena adanya kohesi antara molekul- molekul air. Setiap kolom air berperangai seperti kawat baja kecil dalam keadaan tegang. Tegangan yang berkembang pada ujung atas kolom air dalam daun-daun yang bertranspirasi dengan demikian diteruskan ke ujung bawah dalam akar. Gambar 2.24. Kurva Hasil Dendograf (Adams, et al. 1970: 222) Dengan pendekatan fluida statis, telah dihitung bahwa setidaknya membutuhkan tekanan negatif 1,1 MPa di ujung pohon setinggi 113 meter untuk dapat menghisap air dari tanah, dan dengan kapilaritas meniskus di pori- pori dinding sel mesofil daun menjadikan air mengalami tegangan melawan
  48. 48. 41 gravitasi. Namun perhitungan tersebut masih menujukkan kondisi yang statis. Selanjutnya, Hoang (2013: 8) menjelaskan, “molekul air dapat mengalir ke atas sebab di pucuk xilem, air menguap karena proses transpirasi.” Dari pendapat Adams, et al. (1970: 221) dapat disarikan bahwa eksperimen yang membuktikan bahwa air ditarik dari atas telah dilakukan oleh botanis asal Jerman, Bruno Huber, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.25. Gambar 2.25. Kecepatan Aliran Air di Pohon (Adams, Baker, & Allen,1970: 222) Huber memasukkan kabel kecil ke dalam batang pohon dan memanaskan air di dalam xilem. Lalu Huber mengukur waktu yang dibutuhkan air yang telah dihangatkan tadi untuk melewati thermocouple (alat untuk mengukur suhu) yang diletakkan beberapa inci di atas. Huber menemukan bahwa pada pagi hari, air pada bagian pohon yang lebih tinggi bergerak lebih awal daripada bagian pohon yang lebih di bawah. Pengamatan ini menjadi pertanda kuat bahwa gaya yang menarik air terjadi dari bagian atas pohon, yang ternyata diketahui kemudian adalah daun (transpirasi). Tabel 2.3 menunjukkan beberapa kecepatan air xilem pada siang hari, bersama dengan diameter yang sesuai dan gradien tekanan yang telah dihitung yang dibutuhkan untuk menggerakkan arus. Lebih lanjut, dari pendapat Hoang (2013: 6) dapat disarikan bahwa, Pada pori-pori dinding sel mesofil daun, air berbatasan langsung dengan udara. Kolom air harus menghadapi tekanan atmosfer. Semakin besar
  49. 49. 42 tabungnya, semakin besar rasio molekul air yang menghadapi tekanan atmosfer. Tabung xilem memang terlalu besar untuk menaikkan air lebih dari 1 meter. Tapi dinding-dinding sel mesofil yang berbatasan langsung dengan udara memiliki banyak sekali pori-pori sangat kecil. Sementara tabung xilem berukuran 20 sampai 200 mikrometer, pori-pori dinding sel berukuran 2 sampai 5 nanometer. Ini hampir skala molekul dan berarti permukaan meniskus yang terdapat pada pori-pori ini hanya terdiri dari beberapa ratus molekul. Interaksi antarmolekul menjadi lebih kuat. Karena ada miliaran pori-pori pada daun suatu pohon, dan hampir ada satu juta daun di pohon, maka suatu pohon memiliki sekitar jutaan miliar permukaan air-udara, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.26. Tabel 2.3. Laju Air, Diameter Xilem, dan Gradien Tekanan yang Telah Dihitung (Debenetti, 1996: 24) Pohon Laju Air (m/jam) Diameter Saluran ( m) Gradien Tekanan (bar/m)a Cincin berporib Oak (Qurecus pedunculata) 43,6 200-300 0,043-0,096 Kacang kastanye (Castanea vesca) 24 300-350 0,017-0,024 Broom (Cytius laburnum) 3,9 60-250 0,006-0,096 Pori menyebarb Kapas (Populus balsamifera) 6,25 80-120 0,039-0,087 Alder (Alnus glutinosa) 2 20-90 0,022-0,444 Kastanye kuda (Aesculus hippocastanum) 0,96 30-60 0,024-0,095 Konifer Larch (Larix decidua) 2,1 s.d. 55 0,062 Cemara (Pice excelsa) 1,2 s.d. 45 0,053 Hemlock (Tsuga canadiensis) 1 s.d. 45 0,044 a = 8η(v)/r2 , dengan adalah gradien tekanan, η adalah viskositas (=0,001 kg sec-1 m-1 sesuai dengan air pada 20C), (v) adalah laju rata-rata pada kapiler, dan r adalah jari-jari kapiler. Gradien ideal dihitung dari persamaan Hagen-Poiseuille. b Pada pohon cincin berpori, diameter tabung xilem yang terbentuk di awal musim pertumbuhan lebih besar daripada tabung yang terbentuk lebih akhir. Pada pohon dengan pori menyebar, tabung xilemnya berdiameter kecil, dan ukuran diameter yang terbentuk di awal musim pertumbuhan mendekati ukuran diameter yang terbentuk setelahnya.
  50. 50. 43 Pada Gambar 2.26 diilustrasikan pori-pori yang terdapat dinding sel mesofil daun pohon Harry Cole. Pori-pori ini merupakan tempat air berbatasan langsung dengan udara dan terjadi transpirasi. Jika dianggap diameter pori- pori dinding sel mesofil yang berbatasan dengan udara sebesar d = 5 nm, tegangan permukaan air pada suhu 20C adalah = 0,072 N/m, tekanan atmosfer pada ketinggian 113 meter yaitu Patm = 99.997,76 Pa (telah diketahui), dan tekanan minimum yang timbul di pucuk pohon Harry Cole adalah sebesar P =-1.107.400 Pa maka gaya dorong F1 dari tekanan atmosfer dapat dihitung: ( )( )( ) Gambar 2.26. Ilustrasi Kumpulan Saluran Xilem (Hoang, 2013: 8) Meskipun air mendapat gaya tekan dari tekanan atmosfer dan di sisi yang lair air mengalami kondisi tegang, air tidak runtuh karena adanya gaya
  51. 51. 44 dari tegangan permukaan pori-pori dinding sel F2 yang dapat dihitung sebagai berikut: ( ) ( ) ( ) ( ) Gambar 2.27. Ilustrasi Tekanan pada Pori-Pori Dinding Sel Mesofil (Muller, 2012: 1) Pada Gambar 2.27, dapat dilihat bahwa tegangan permukaan membuat air molekul-molekul di permukaan mengalami gaya netto yang mengarah ke dalam. Hal tersebut menjadikan cairan cenderung memperkecil luas permukaannya dan lebih sulit untuk dipecahkan. Meskipun di satu sisi berbatasan langsung dengan atmosfer yang menekan dan di sisi yang lain mengalami kondisi yang tegang, air tetap tidak runtuh. Gaya F2 mempertahankan air tidak runtuh ditekan gaya dari tekanan atmosfer F1 dengan beda gaya yang besar (beda sekitar 1/1000). FTekan Atmosfer = F1 2-5 nm FTegangan Permukaan = F2
  52. 52. 45 Gambar 2.28. Permukaan Luar Pori-Pori Mesofil Daun (a) Dinding Sel Jenuh Air, (b) Dinding Sel Akibat Transpirasi (Loveless, 1991: 171) Menurut pendapat Loveless (1991: 172) dapat disarikan bahwa, Selama transpirasi daun, air menguap ke dalam ruang-ruang udara antarsel pada jaringan mesofil dari dinding-dinding sel jenuh air. Penguapan air dari permukaan sel-sel yang sedang bertranspirasi menyebabkan meniskus dalam pori-pori submikroskopik ini tertarik ke atas seperti ditunjukkan pada Gambar 2.28. Ini menimbulkan tekanan negatif pada air, sehingga air berdifusi ke dalam sel-sel ini dari sel-sel di sebelahnya. Dengan demikian terus berlanjut sampai mencapai sel-sel yang berbatasan langsung dengan unsur-unsur xilem dalam ikatan pembuluh urat-urat daun. Sel-sel terakhir ini kemudian menarik air dari jaringan xilem. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa Teori Tegangan Kohesi adalah teori yang menyatakan bahwa air naik ke puncak pohon dengan suatu mekanisme pasif (tidak memerlukan energi dari pohon). Air memanjat pohon secara otomatis sebab perbedaan tekanan. Puncak pohon memiliki tekanan yang lebih negatif daripada dasar pohon. Gravitasi tidak mampu memutuskan tarik menarik antarmolekul air sebab adanya kohesi yang kuat pada air. Kapilaritas pada pori-pori kecil dinding sel menahan air dari atas. Kemudian transpirasi molekul-molekul air di dedaunan (puncak pohon)
  53. 53. 46 menarik air di belakangnya, sehingga terjadi aliran air dari bawah ke atas melawan gravitasi. 2. Paradoks dalam Fisika Zaimar (2002: 52) menyatakan bahwa, Paradoks adalah opini atau argumen yang berlawanan dengan pendapat umum, bisa dianggap aneh atau luar biasa. Dikatakan juga paradoks, suatu proposisi yang salah tetapi sekaligus juga benar. Sering kali dibalik gagasan yang mengherankan, paradoks menyembunyikan kebenaran yang dapat dipertahankan. Fisika memiliki fenomena-fenomena yang dianggap paradoks. Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut: a. Paradoks Kembar Widy (2009: 1) menyatakan, “Pembahasan mengenai paradoks kembar menyangkut dua jam identik, satu diam di bumi sedangkan jam yang lain diletakkan pada sebuah pesawat ruang angkasa yang terbang dengan kecepatan u. Biasanya kedua jam diganti dengan sepasang kembar.” Salah satu dari anak kembar (A) tersebut melakukan perjalanan ke antariksa dengan roket berkecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya, misalkan u = 0,8c) saat keduanya berusia 30 tahun. Saat kembali ke bumi, A mendapati kembaran yang tinggal di bumi (B) berusia 80 tahun, sedangkan A jauh lebih muda. Hal tersebut tampak mustahil, tetapi hal tersebut merupakan implikasi dari Teori Relativitas Khusus yang dicetuskan oleh Albert Einstein. Teori ini menegaskan bahwa tidak ada satu percobaan yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan terhadap ruang mutlak (tidak adanya kerangka referensi universal) dan bahwa laju cahaya adalah sama bagi semua pengamat, sekalipun pengamat dalam keadaan gerak relatif. Menurut A, B yang melakukan perjalanan terhadap A, sehingga seharusnya B yang di bumi yang akan lebih muda. Beiser dalam Kustanto & Oktova (2016: 13) menyatakan, “Di sini paradoks dari kasus "si kembar"dalam teori relativitas khusus.” Sebuah paradoks dalam logika dan secara ilmiah mengacu pada hasil-hasil yang tidak sesuai, yang secara logika tidak mungkin.
  54. 54. 47 Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: A bergerak bersama pesawat dengan v = 0,8 c sehingga A sebagai kerangka yang diam, maka pertambahan umur yang ingin dihitung A adalah T₀ . Menurut B sebagai kerangka yang bergerak terhadap pesawat, A bepergian selama T = 80 tahun – 30 tahun = 50 tahun. Usia A dapat dicari dengan prinsip dilatasi waktu berikut: √ √ ( ) √ 30 tahun Usia A adalah usia ketika pergi ditambah waktu perjalanan bagi A = 30 tahun + 30 tahun = 60 tahun. b. Paradoks Kucing Schrödinger Kucing Schrödinger adalah sebuah eksperimen teoritis yang dicetuskan oleh Edwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961). Schrodinger berusaha untuk menunjukkan keterbatasan mekanika kuantum: partikel kuantum seperti atom bisa berada di dua atau lebih keadaan kuantum yang berbeda pada saat yang sama tapi tentunya, ia berpendapat, objek klasik yang terbuat dari sejumlah besar atom, seperti kucing , tidak bisa berada di dua keadaan yang berbeda. Ditempatkan kucing hidup ke dalam ruang baja, bersama dengan perangkat berisi asam hydrocyanic. Di dalam ruang itu, diberikan asam hidrosianat dalam jumlah yang sangat kecil yang merupakan zat radioaktif. Bahkan jika satu saja atom dari substansi meluruh selama periode
  55. 55. 48 pengujian, mekanisme estafet akan mengerakkan palu, yang pada gilirannya akan memecahkan botol dan membunuh kucing. Pengamat tidak dapat mengetahui apakah atom zat tersebut telah meluruh atau tidak, dan akibatnya, tidak dapat mengetahui apakah botol telah rusak, asam hidrosianat sudah menyebar, dan kucing mati. Karena pengamat tidak bisa tahu, menurut hukum kuantum, kucing itu dalam keadaan mati dan hidup, yang disebut keadaan superposisi. Hanya jika pengamat membongkar kotak dan melihat kondisi kucing sehingga keadaan superposisi hilang, dan pengamat tahu keadaan kucing secara pasti (hidup atau mati). Situasi ini disebut ketidakpastian kuantum atau paradoks pengamat: pengamatan atau pengukuran itu sendiri mempengaruhi hasil, sehingga hasil seperti itu tidak ada, kecuali pengukuran dilakukan. Artinya, tidak ada hasil yang tunggal kecuali hal tersebut diamati. Inilah paradoks kucing Schrödinger. Schrödinger menyampaikan suatu hal yang tak masuk akal bahwa kucing mati sekaligus hidup di waktu yang bersamaan. Para ilmuwan kemudian menyebut kondisi campuran ini sebagai superposisi keadaan (keadaan yang tidak bisa dipastikan karena persentase hidup-mati kucing sama = 50%). Jika kotak tidak pernah dibuka, pengamat tidak akan tahu apakah kucing mati atau hidup. Selama tidak dilakukan pemeriksaan, kemungkinan kucing mati atau hidup sama- sama 50%. Mengikut ide Schrödinger, maka kucing akan berada dalam keadaan superposisi (antara mati dan hidup). Hal ini akan terus berlangsung sampai keadaan menjadi terpastikan misalnya melalui pengamatan sampai pengamat memutuskan untuk membuka kotak. Jika “kucing” diganti dengan “fungsi gelombang”, hal tersebut akan melahirkan banyak tafsir, salah satunya yaitu teori Many-Worlds Interpretation (MWI). Probowening (2012: 1) mengungkapkan, “Menurut MWI, jika saat dibuka kucing masih hidup, sebenarnya probabilitas kucing mati tidak menghilang. tetapi mewujud di dunia paralel. Hanya karena adanya beda fasa, maka dunia tersebut tidak bisa diamati.”
  56. 56. 49 c. Paradoks Hidrostatis Gambar 2.29. Tekanan pada Bejana Berhubungan (Mundilarto & Istiyono, 2008: 77) Sekilas melihat Gambar 2.29, tinggi air pada bejana yang berbeda tetap sama. Dari pendapat Mundilarto & Istiyono (2008: 77) dapat disimpulkan, “Menurut intuisi, tekanan terbesar ada pada bejana terbesar dan air akan dipaksa ke bagian kecil untuk mencapai ketinggian yang paling besar. Namun, tekanan hidrostatis pada setiap bejana dari kedalaman yang sama dari permukaan adalah sama besar.” Hal ini disebut paradoks hidrostatis. Warsito (2010: 4) mengungkapkan, “Gaya hidrostatis pada dasar bejana tidak tergantung pada banyaknya zat cair maupun bentuk bejana, melainkan tergantung pada: massa jenis zat cair, tinggi zat cair di atas bejana, dan luas dasar bejana.” Bejana yang mempunyai luas dasar A yang sama dan berisi zat cair dengan ketinggian h yang sama pula, menurut hukum utama hidrostatis, “Tekanan hidrostatis padadasar masing-masing bejana adalah sama,” yaitu: Giancoli (2001: 326) menyatakan, “Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A”, sehingga: Oleh karena itu, gaya hidrostatis dapat diungkapkan sebagai berikut: ( )
  57. 57. 50 3. Paradoks Teori Tegangan Kohesi Loveless (1991: 175) mengungkapkan, “Ada beberapa sanggahan serius terhadap Teori Tegangan Kohesi, terutama bahwa belum ada seorang pun yang dapat mengukur tegangan dalam xilem tumbuhan utuh. Sampai tegangan dapat dipastikan dengan pengukuran, teori tersebut tetap merupakan teori belaka.” Dari pendapat Tyree (2003: 923) dapat disimpulkan bahwa saat F. Darwin mengomentari Teori Tegangan Kohesi, Darwin mengungkapkan ,“To believe that columns of water should hang in the tracheals like solid bodies, … to some of us equivalent to believing in ropes of sand”. Greulach & Adams (1976: 229) mengungkapkan, “Mungkin bukti yang paling meyakinkan yaitu jaringan xilem yang secara hati-hati diambil, kemudian sel trakea ditusuk sembari diperhatikan di bawah mikroskop, maka air dalam sel trakea akan terpisah dari lubang tusukan.” Pada awalnya, teori Tegangan Kohesi sulit dipercayai kebenarannya karena dengan menurunnya tekanan, maka turun pula titik didih. Fenomena tersebut umum dijumpai pada pendaki gunung yang mendidihkan air di puncak gunung. Air akan mendidih sebelum suhu 100C. Oleh karena itu, seharusnya air di dalam xilem menguap atau mendidih sebab mengalami penurunan tekanan sedimikian ekstrim. Menurut pendapat Debenedetti (1996: 20) dapat disimipulkan bahwa tegangan pada air dalam xilem menunjukkan bahwa air memiliki tekanan yang lebih rendah dari tekanan uapnya pada suhu tertentu, oleh karena itu, pohon mengandalkan cairan metastabil untuk memenuhi kebutuhan air dan mineral. Berdasarkan pendapat dari Tyree & Sperry (1989: 21) dapat disarikan bahwa meskipun ada bukti eksperimental bahwa tekanan negatif harus ada pada xilem, banyak orang berpendapat bahwa peristiwa kavitasi akan terlalu umum terjadi jika air dalam keadaan tertekan dalam waktu lama. Dari pendapat Tyree & Sperry (1989: 20) bahwa air dengan tekanan negatif pada xilem menandakan air harus tetap cair pada tekanan jauh di bawah tekanan uapnya. Pada kondisi metastabil ini, terjadinya penguapan, atau disebut dengan kavitasi, harus dicegah jika diinginkan air tetap kontinu
  58. 58. 51 mengalir. Himawan (2010: 1) mengungkapkan bahwa metastabil adalah kondisi yang menunjukkan bahwa sistem itu memiliki kestabilan yang kritis. Dengan adanya pengaruh dari luar (misalnya gelembung udara) akan mengganggu kestabilan larutan metastabil, sehingga larutan jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah. Rozi (2014: 1) mengungkapkan bahwa kavitasi adalah peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap sebab suatu fluida mengalir dengan tekanan di bawah tekanan uap jenuh. Kavitasi menyebabkan kapasitas pompa berkurang karena gelembung uap mengambil volume ruang pompa. Menurut pendapat Tyree & Sperry (1989: 20) dapat disarikan bahwa kavitasi menjadikan saluran xilem terisi dengan udara. Saluran yang dipenuhi udara ini terembolisasi (tersumbat) dan tidak dapat menyalurkan air. Dari pendapat Prihastanti, et al (2015: 1689) dapat disarikan bahwa kavitasi adalah suatu proses fase uap masuk ke dalam kolom air pada xilem dan menyebabkan embolisme. Embolisme adalah gelembung gas yang terperangkap di xilem. Gelembung-gelembung gas ini awalnya berupa uap air. Dari pendapat Denny (2012: 45) dapat disimpulkan bahwa embolisme biasa terjadi sebagai efek dari kerusakan atau penyakit. Kemasukan udara adalah masalah yang lebih serius daripada uap air sebab uap lebih mudah diserap kembali oleh cairan. Menurut Tyree (2003: 923) dapat disarikan bahwa kecenderungan air metastabil mengalami kavitasi memang argumen utama yang banyak digunakan untuk menolak Teori Tegangan Kohesi. Namun Tyree & Sperry (1989: 21) mengungkapkan, “Paradoxically, however, the demonstration that cavitation events occur can be the most powerful proof of the cohesion theory.” Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa kelemahan sekaligus bukti kuat dari Teori Tegangan Kohesi adalah air yang berada dalam kondisi metastabil rentan terhadap kavitasi dan embolisme. Kavitasi adalah proses terbentuknya uap atau gelembung sebab larutan berada pada tekanan rendah di bawah tekanan uap jenuh larutan tersebut. Sedangkan embolisme adalah tersumbatnya suatu saluran sebab adanya embolus (zat asing) yang
  59. 59. 52 menyumbat. Dalam hal ini, yang menyumbat xilem adalah gas atau gelembung udara. Bagaimanapun juga, pohon (tanaman vaskuler) adalah anggota dari Kingdom Botani yang telah berevolusi sedemikian rupa. Pohon memiliki beberapa mekanisme untuk meredam dampak buruk kavitasi dan embolisme. Brown (2013: 338) mengungkapkan, “Xilem telah terisi air sejak awal diferensiasi sel. Hal ini sering dikesampingkan botanis, namun bagi seorang fisikawan yang ingin memahami bagaimana air sampai ke dedaunan pohon tinggi, fakta tersebut merupakan informasi penting.” Berbeda dengan sedotan, awalnya sedotan terisi oleh udara yang kemudian diisap. Xilem telah terisi oleh air sejak awal, tidak ada celah bagi udara untuk berada di xilem. Hal ini merupakan salah satu mekanisme pohon yang penting untuk menekan fenomena kavitasi. Lebih lanjut, Brown (2013: 338) menyatakan, “Yang menjadi kunci adalah sejak kali pertama tidak boleh dibiarkan adanya udara di dalam xilem. Hal ini mungkin terjadi karena sel xilem terlahir basah, dan ultrafiltrasi pada membran akar akan menghentikan kantong udara memasuki xilem.” Dengan begitu, udara dari luar tidak mungkin masuk dalam keadaan normal. Menurut pendapat Greulach & Adams (1976: 230) dapat disarikan bahwa kemasukan udara dapat terjadi karena putusnya pembuluh xilem sebab luka atau ketika cabang pohon dipotong. Menurut pendapat Adams, et al. (1970: 223-224), The concept that the water is pulled upward through the xylem does not, of course, explain a very important question concerning the ascent of sap in tall trees: how did the water getup to the tops of these trees in the first place? The water cohesion hypothesis simply attempts to explain how the water transport system is maintained within the living plant. It says nothing about the relationship between the growth of a tree and the mechanism of water movement. One recent viewpoint holds that the water in the top of a tall tree first got up there by growing there. In the spring, a new layer of potential xylem cells is produced by the vascular cambium. This new xylem is located just outside the layer formed the previous year. The cells of the cambium and the immature xylem cells (being still alive) absorb water laterally from the tracheids and vessels of the older xylem. Indeed, according to this hypothesis, the new cells absorb so much water that their contents
  60. 60. 53 actually develop a temporary positive pressure. Supporting this contention is the observation that when these cells are punctured with a fine needle, liquid may exude from them. Once the leaves have expanded sufficiently for water to transpire from them, however, the water in the new xylem cells loses its positive pressure and a tension develops in the column of xylem liquid. According to this hypothesis, therefore, the process that initially establishes the water columns in the new xylem each year seems to be the water-absorbing activity of the living immature xylem cells. Once the water columns are formed and placed under tension generated by transpiration from the leaves and metabolic use of water by the leaf cells, this initial role of the living cells in the water transport system ceases. Upward movement of the water columns is then maintained by the purely physical forces of evaporation and water cohesion. Dari penjelasan tersebut, dapat disarikan bahwa Teori Tegangan Kohesi tidak menjelaskan cara air mencapai puncak ketika xilem masih merupakan sel hidup. Salah satu hipotesis menyatakan bahwa air mencapai puncak dengan cara tumbuh seiring pohon. Pada musim semi, sebuah lapisan xilem dihasilkan dari kambium vaskuler. Sel kambium dan sel xilem muda yang masih hidup menyerap air secara lateral dari xilem yang lebih tua. Hal ini menyebabkan sel baru menyerap banyak air sehingga isi sel memiliki tekanan positif sementara. Mendukung hipotesa ini, ketika sel-sel muda ini ditusuk dengan jarum, cairan akan keluar dari sel. Ketika daun telah terisi secukupnya agar air dapat bertranspirasi dari xilem muda ini, akhirnya sel kehilangan tekanan positifnya dan tegangan muncul. Mengacu pada hipotesa ini, dapat disimpulkan bahwa proses pengangkutan air bermula dari aktivitas menyerap air pada xilem muda. Ketika kolom air telah terbentuk dan berada di bawah tegangan yang timbul dari transpirasi, peran awal sel hidup ini dalam sistem transportasi air berhenti. Gerak air ke atas kemudian murni terjadi sebab gaya fisis yang timbul dari transpirasi dan kohesi air. Jika kavitasi tetap terjadi, Tyree (2003: 923) mengungkapkan bahwa kavitasi terbatas hanya ada saluran tunggal xilem. Dari pendapat Adams, et al. (1970: 223) dapat disarikan bahwa kehadiran gelembung udara di satu bagian xilem tidak bercampur dengan xilem yang lain. Sebuah tanaman biasanya
  61. 61. 54 memiliki kapasitas konduktif air jauh lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk bertahan hidup. Sejumlah xilem yang rusak bukan permasalahan besar. Lebih lanjut, dari pendapat Tyree (2003: 923) dapat disarikan bahwa mekanisme tegangan kohesi tetap dapat bekerja meskipun ada jutaan kemungkinan kavitasi di saluran, sebab ada miliaran sampai triliunan saluran di pohon dan karena saluran yang berdekatan diisolasi satu sama lain oleh dinding sel. Selain itu, dari pendapat Denny (2012: 45) The reason why sap can exist in a metastable state is that it is confined to airtight conduits of small diameter. If cavitation occurs—if a bubble of water vapour appears in the liquid under tension—then the bubble radius is small because the conduit radius is small. The surface tension in small bubbles is enough to overcome the negative pressure, so that the bubble collapses and the water vapour is absorbed into the liquid. Above a critical radius, the surface tension is overwhelmed by the negative pressure and the bubble expands. Dari penjelasan tersebut, dapat disarikan bahwa alasan mengapa air bisa dalam keadaan metastabil adalah air berada pada saluran kedap udara berdiameter kecil. Jika kavitasi terjadi, maka jari-jari gelembung yang terbentuk akan kecil sebab jari-jari saluran xilem kecil. Tegangan permukaan dari gelembung yang kecil cukup untuk mengatasi tekanan negatif, sehingga gelembung pecah, uap air diserap, dan embolisme tidak akan terjadi. Namun di atas jari-jari kritis, tegangan permukaan dikeliling oleh tekanan negatif dan gelembung mengembang. Tyree & Sperry (1989: 21) menjelaskan, “Peirce pada tahun 1936 mungkin adalah yang pertama menunjukkan kavitasi di tanaman. Peirce menunjukkan bahwa beberapa xilem telah terembolisasi, dan oleh karena itu kavitasi pasti telah terjadi sebelumnya.” Dari pendapat Adams, et al. (1970: 223) dapat disarikan bahwa ada kemungkinan gelembung udara akan terbentuk dan memutus kolom air dalam xilem, terutama saat angin bertiup kencang dan/atau transpirasi sedang banyak-banyaknya. Penelitian awal abad ke-21 pun mengungkapkan bahwa sekarang telah jelas bahwa kekeringan dapat menyebabkan kavitasi dan
  62. 62. 55 embolisme pada xilem. Ini bukan satu-satunya penyebab, tapi selama musim panas, ini adalah faktor utama (Cruiziat, Cochard, & Ameglio, 2002: 734). Selain itu, berdasarkan pendapat Denny (2012: 45) dapat disarikan bahwa embolisme terjadi setiap musim semi setelah air di xilem mencair, namun hal itu tidak menyebabkan pohon selalu mati karena xilem baru dibuat setiap tahun dan karena pohon mampu menyerap kembali gas asalkan gelembung tidak terlalu besar. Dari penjelasan di atas, disimpulkan bahwa pada awalnya, Teori Tegangan Kohesi yang dirasa masuk akal dan dapat menjelaskan mekanisme naiknya air dalam pohon mendapat kritik dan diragukan kebenarannya. Paradoks ini disebabkan air berada dalam kondisi metastabil dalam waktu yang lama dan sangat rentan terhadap kavitasi. Kavitasi merupakan fenomena yang dijumpai pada pohon, terutama saat angin bertiup kencang, transpirasi sedang banyak-banyaknya, dan saat kekeringan. Kavitasi dapat hilang jika jari-jari gelembung tidak lebih besar dari jari-jari saluran. Namun jika lebih, kavitasi akan berkembang menjadi embolisme. Embolisme umum terjadi saat musim semi, setelah air pada xilem mencair. Selain itu embolisme juga kerap ditemui karena putusnya pembuluh xilem sebab luka atau ketika cabang pohon dipotong. Kemasukan udara adalah masalah yang lebih serius daripada uap air sebab uap lebih mudah diserap kembali oleh cairan. Namun, setelah mengalami evolusi, pohon memiliki mekanisme pertahanannya sendiri untuk dapat menghadapi kavitasi dan embolisme.
  63. 63. 56 BAB III KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Berdasarkan pembahasan dapat disimpulkan bahwa: 1. Prinsip Fisika yang digunakan pohon untuk dapat mengangkut air ke puncak tertinggi adalah tekanan negatif pada fluida, kapilaritas pada ujung saluran xilem, dan transpirasi. Jika meninjau pohon redwood yang tingginya berkisar 100 meter, dibutuhkan beda tekanan 1 MPa atau 10 atm. Hal ini diatasi pohon dengan menciptakan tekanan negatif. Tekanan negatif menandakan air dalam keadaan tegang (seperti tali yang sedang mengangkat beban ditarik dari atas), dan gaya gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan kapilaritas pada pori-pori dinding sel yang menahan air dari atas. Adanya transpirasi membuat tekanan uap di dalam daun selalu berkurang, sehingga proses ini akan menarik air dari sel sebelah dalam daun dan seterusnya. Hal ini adalah mekanisme pasif yang tidak membutuhkan energi dari pohon sebab transpirasi terjadi sebab energi cahaya matahari. 2. Pada awal diusulkan Teori Tegangan Kohesi, teori tersebut menimbulkan perdebatan. Para fisikawan pesimis bahwa air bisa dalam keadaan metastabil dalam rentang waktu lama, bahkan sampai berpuluh-puluh tahun seperti pada pohon. Air yang mengalami penurunan tekanan sedemikian ekstrim seharusnya mendidih (fase uap), yang disebut dengan kavitasi. Gelembung- gelembung uap yang berukuran besar akan memutus aliran air, atau dengan kata lain saluran tersumbat oleh udara. Gejala ini disebut embolisme. Hasil pelbagai penelitian menunjukkan bahwa kavitasi memang dapat terjadi. Gelembung-gelembung uap air yang kecil dapat dengan mudah pecah dan udara di dalam gelembung diserap kembali oleh air. Namun gelembung- gelembung uap yang besar akan menyebabkan embolisme, dan hal tersebut wajar dijumpai ketika tanaman kekurangan air atau pada saat musim semi setelah air di dalam xilem mencair. Alhasil, adanya kavitasi dan embolisme semakin memperkuat kebenaran Teori Tegangan Kohesi.
  64. 64. 57 B. Saran Dari pembahasan Makalah Seminar Fisika ini, penulis menyarankan bagi pembaca agar: 1. Sebaiknya kesadaran untuk mencintai pohon dan air lebih ditingkatkan 2. Sebaiknya mencari literatur lain untuk mempelajari sistem pengangkutan air pada pohon secara mendalam

×