Prinsip Archimedes Tentang Gaya Apung

Tekanan hidrostatis merupakan tekana yang diakibatkan oleh zat cair karena kedalamannya. Jika kita memasukan benda ke dalam air, maka benda tersebut akan mendapat tekanan oleh zat cair tersebut. Lalu bagaimana benda tersebut bisa tenggelam, melayang dan terapung di dalam air? Nah, permasalahan tersebut akan dijawab oleh prinsip archimedes. Apa itu prinsip Archimedes?  dan bagaimana prinsip Archimedes?

Pernahkah kamu bersantai dengan mengapungkan punggungmu di dalam kolam renang. Kamu merasa seperti tidak memiliki berat pada saat air tersebut menopangmu. Jika kamu perlahan-lahan naik keluar dari kolam, kamu merasa tubuhmu seperti bertambah berat. Semakin tinggi kamu naik, kamu harus semakin banyak mengerahkan otot-ototmu untuk menopang tubuhmu.

Sumber gambar: ancol.com

Gejala ini disebabkan adanya tekanan dari zat cair. Ilmuwan pertama yang mengamati gejala ini adalah matematikawan berkebangsaan Yunani bernama Archimedes (187-212 SM). Pengamatan ini memunculkan sebuah hukum yang dikenal Prinsip Archimedes, yaitu: “Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda tersebut akan mendapat gaya yang disebut gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkannya”.

Akibat adanya gaya apung, berat benda dalam zat cair akan berkurang. Benda yang diangkat dalam zat cair akan terasa lebih ringan dibandingkan diangkat di darat. Berat ini disebabkan berat semu dan dirumuskan sebagai berikut:

W_semu = W_benda – F_a

dengan:

W_semu = berat benda dalam zat cair (Kg⋅m/s²)

W_benda = berat benda sebenarnya (Kg⋅m/s²)

F_a = gaya apung (N)

Pada saat kamu berada di dalam kolam renang tersebut, kamu mengalami gaya apung. Gaya apung adalah kemampuan suatu fluida, zat cair atau gas, untuk mengerahkan suatu gaya ke atas pada suatu benda yang dibenamkan ke dalam fluida tersebut. Besar gaya apung tersebut menentukan apakah sebuah benda akan terapung atau tenggelam di dalam suatu fluida. Jika gaya apung lebih kecil daripada berat benda tersebut, benda itu akan tenggelam. Jika gaya apung tersebut sama dengan berat benda, benda tersebut terapung. Kadang-kadang gaya apung pada sebuah benda lebih besar daripada berat benda tersebut. Besarnya gaya apung dirumuskan sebagai berikut:

F_a = ρ_cair V_b g

dengan:

ρ_cair = massa jenis zat cair (kg/m³)

V_b = volume benda yang tercelup (m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

Pernahkah kamu memerhatikan kapal laut? Kapal laut massanya berton-ton, tetapi kapal dapat mengapung di air laut. Jika kamu memasukkan uang logam ke dalam bak mandi berisi air, uang logam tersebut akan tenggelam. Massa kapal laut jauh lebih besar daripada massa uang logam. Akan tetapi, mengapa kapal laut dapat mengapung di permukaan air laut, sedangkan uang logam tenggelam?

Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kamu harus memahami konsep gaya apung di dalam zat cair. Ketika kaleng kosong dimasukkan ke dalam wadah berisi air, kaleng tersebut akan mengapung di air tersebut. Meskipun massa jenis kaleng bekas minuman ini lebih besar daripada air, kaleng tersebut mengapung di air. Hal ini dikarenakan pada kaleng tersebut bekerja gaya apung yang menahan kaleng tetap mengapung. Besar gaya apung ini sebanding dengan volume zat cair yang dipindahkan. Pada percobaan ini volume air yang dipindahkan adalah volume air yang tertampung pada gelas ukur.

Sekarang, bagaimana jika kaleng berisi air dimasukkan ke dalam air dalam wadah? Kaleng akan tenggelam karena gaya apung tidak cukup kuat untuk menahan kaleng tetap terapung. Jika air yang tertampung dalam gelas ukur dari pencelupan kaleng berisi air dimasukkan ke dalam kaleng yang telah dikosongkan, air dari gelas ukur tersebut akan mengisi penuh kaleng tersebut. Berapakah besarnya gaya apung pada kaleng tenggelam ini? Besarnya gaya apung pada kaleng ini sama dengan berat air yang dipindahkan. Hukum Archimedes menyatakan bahwa suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut

Contoh soal tentang gaya apung

Sebuah bola pejal ditimbang di udara, beratnya 50 N. Ketika bola tersebut ditimbang di dalam air, beratnya menjadi 45 N. Berapa gaya ke atas yang diterima benda tersebut dan volume benda pejal tersebut?

Jawab:

Berat bola di udara = 50 N

Berat bola di dalam air = 45 N

Berarti, air memberikan gaya apung sebesar:

F = w_{di udara} – w_air = 50 N – 45 N = 5 N

Jadi, besar gaya apung yang dialami benda itu adalah 5 N.

F = v · ρ_c · g

5 = v · 10³ · 10

v = 5 · 10^–4 m³

Jadi, volume benda pejal tersebut adalah 5 · 10^–4 m³ atau 500 cm³

Contoh soal tentang gaya apung

Di dasar sebuah danau terdapat batu yang beratnya 700 N (diukur di udara). Jika batu tersebut dapat diangkat oleh seorang pria dengan gaya 500 N, hitunglah berat batu tersebut di dalam air!

Jawab:

w_{di udara} = 700 N

F_a = 500 N

w_{di air} = w_{di udara} – F_a

w_{di air} = 700 N – 500 N = 200 N