URAIAN MATERI
a.
Prinsip
Archimedes
Gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar
tekanan hidrostatiknya. Hal ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda
lebih besar daripada tekanan ada bagian atasnya. Gaya apung muncul karena
selisih antar gaya hidrostatik pada permukaan benda atas dan bawah. Perhatikan
Gambar. Fluida melakukan tekanan hidrostatik p1=ρf g h1 pada bagian atas
benda.
Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F1=p1A =ρfgh1A
berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, pada permukaan bagian
bawah diperoleh F2=p2A
=ρf g h2A berarah ke atas.
Resultan kedua
gaya ini adalah gaya apung Fa,
yakni :
Fa = F2 – F1
= ρf g A h2 - ρf g
A h1
= ρf g A (h2 - h1)
= ρf g A h karena h2 -
h1 = h, A h = volume benda yang terdelup dalam fluida
= ρf g Vb = Mf g =
Wf
Dimana
Fa = gaya ke atas( gaya apung )
F2
=berat benda diudara
F1 = berat benda dalam fluida
ρf = massa jenis fluida
A h= Vb= volume benda yang
terdelup dalam fluida
g = percepatan gravitasi bumi
Mf = massa fluida yang
dipindahkan oleh benda
Wf = berat fluida yang
dipindahkan oleh benda
Berdasarkan persamaan di atas, kita bisa mengatakan bahwa
gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Ingat bahwa
yang dimaksudkan dengan fluida
yang dipindahkan di sini adalah volume fluida yang sama dengan volum
benda yang tercelup dalam fluida. Pada gambar di atas, kami
menggunakan ilustrasi di mana semua bagian benda tercelup dalam fluida (air).
Apabila benda yang dimasukkan ke dalam fluida, terapung, di
mana bagian benda yang tercelup hanya sebagian maka volume fluida yang dipindahkan = volume bagian benda yang
tercelup dalam fluida tersebut. Tidak peduli apapun benda dan
bagaimana bentuk benda tersebut, semuanya akan mengalami hal yang sama. Ini
adalah buah karya Archimedes (287-212 SM) yang saat ini diwariskan kepada kita
dan lebih dikenal dengan julukan Hukum Archimedes.
Hukum Archimedes menyatakan bahwa : Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di
dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda,
di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang
dipindahkan.
b.
Mengapung, Melayang dan Tenggelam
Dengan menambahkan garam ke dalam air, berarti kita menambahkan sejumlah
massa ke dalam air. Karena garam larut di dalam air dan volume airnya tetap,
massa jenis air sekarang menjadi lebih besar daripada keadaannya semula. Selain
itu, penambahan garam juga berarti mengubah berat air. Tetapi berat telur tidak
berubah. Semakin banyak garam yang dimasukkan ke dalam air, massa jenis air
menjadi semakin besar. Densitasnya semakin besar, begitu pun beratnya.
Akibatnya Air bergaram ini menjadi "semakin berat dan tenggelam". Tak
hanya lebih berat daripada air-segar, namun juga lebih berat daripada telur.
Kondisi inilah yang mengakibatkan sang telur "terdorong" ke atas ...
ke atas ... ke atas ... dan akhirnya mengapung. Tak hanya mengambang.
Jika rapat massa fluida lebih kecil daripada rapat massa
balok maka agar balok berada dalam keadaan seimbang,volume zat cair yang
dipindahkan harus lebih kecil dari pada volume balok.Artinya tidak seluruhnya
berada terendam dalam cairan dengan perkataan lain benda mengapung. Agar benda
melayang maka volume zat cair yang dipindahkan harus sama dengan volume balok
dan rapat massa cairan sama dengan rapat rapat massa benda.
Jika
rapat massa benda lebih besar daripada rapat massa fluida, maka benda akan
mengalami gaya total ke bawah yang tidak sama dengan nol. Artinya benda akan
jatuh tenggelam.
Berdasarkan Hukum Archimedes, sebuah benda yang tercelup ke
dalam zat cair akan mengalami dua gaya, yaitu gaya gravitasi atau gaya berat
(W) dan gaya ke atas (Fa) dari zat cair itu. Dalam hal ini ada tiga peristiwa yang
berkaitan dengan besarnya kedua gaya tersebut yaitu seperti berikut.
1.
Tenggelam

Sebuah benda
yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w) lebih
besar dari gaya ke atas (Fa).
Wb
> Fa
ρb
x Vb x g > ρa x Va x g
ρb
> ρa
Volume
bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ)
2.
Melayang
Sebuah
benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w) sama
dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang
Wb
= Fa
ρb
x Vb x g = ρa x Va x g
ρb
= ρa
3.
Terapung
Sebuah
benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w)
lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).

Wb = Fa
ρb
x Vb x g = ρa x Va x g
ρb
< ρa
c.
Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan
Sehari-hari
Ø Kapal
Laut
Massa jenis besi lebih besar daripada massa jenis air laut, tetapi
mengapa kapal laut yang terbuat dari besi mengapung di atas air? Badan kapal
yang terbuat dari besi dibuat berongga. Ini menyebabkan volum air laut yang di
pindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya apung sebanding dengan
volum air yang dipindahkan, sehingga gaya apung menjadi sangat besar. Gaya
apung ini mampu mengatasi berat total kapal sehingga kapal laut mengapung di
permukaan laut. Jika dijelaskan berdasarkan konsep massa jenis, maka massa
jenis rata-rata besi berongga dan udara yang menempati rongga masih lebih kecil
daripada massa jenis air laut. Itulah sebabnya kapal laut mengapung.
Ø
Titik penting dalam stabilitas kapal
Diagram stabilitas kapal, pusat
gravitasi (G), pusat daya apung (B), dan Metacenter (M) pada posisi kapal tegak
dan miring. Sebagai catatan, G pada posisi tetap sementara B dan M berpindah
kalau kapal miring. Ada tiga titik yang penting dalam stabilitas kapal, yaitu:
~
G adalah
titik pusat gravitasi kapal.
~
B adalah
titik pusat apung kapal.
~
M adalah
metacenter kapal (titik perpotongan garis vertikal B dengan garis pusat kapal).
Ø Bagaimana kapal laut bisa tenggelam?
Jika M di bawah G, kopel menghasilkan torsi
yang searah dengan jarum jam. Torsi ini justru membuat kapal lebih miring lagi,
dan keseimbangan menjadi tidak stabil sehingga dapat membuat kapal tenggelam.
Untuk kestabilan maksimal, haruslah G rendah dan M tinggi.
Ø Kapal Selam
Kapal selam adalah kapal laut yang
dapat berada dalam tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam.
Ketiga keadaan ini dapat dicapai dengan cara mengatur banyaknya air dan udara
dalam badan kapal selam.
Pada badan kapal selam terdapat tangki pemberat
yang dapat diisi udara atau air. Tangki ini terletak di antara lambung sebelah
dalam dan lambung sebelah luar. Ketika kapal selam ingin terapung maka tangki
tersebut harus berisi udara. Ketika akan melayang, udaranya dikeluarkan dan
diisi dengan air sehingga mencapai keadaan melayang. Jika ingin tenggelam maka
airnya harus lebih diperbanyak lagi.
Ø Balon Udara
Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara.
Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa
jenis udara atmosfer sehingga balon udara dapat terbang karena mendapat gaya ke
atas, misalnya diisi udara yang dipanaskan.
Secara sepintas, mungkin kamu tidak
melihat hubungan antara balon udara yang naik tinggi di angkasa dengan kapal
selam yang menyelam di lautan. Sebenarnya, kapal selam maupun balon udara harus
diatur beratnya untuk naik, turun, ataupun melayang pada ketinggian atau
kedalaman tertentu. Beratnya diatur berdasarkan besar gaya apungnya.
Catatan :
·
Pada
cairan bisa terjadi hanya sebagian benda yang tercelup dalam cairan, hingga Vbf
belum tentu sama dengan Vb. Dalam udara, volum benda yang tercelup
selalu sama dengan volum benda (Vbf = Vb).
·
Massa
jenis gas panas lebih kecil daripada massa jenis udara