Gaya Apung dan Hukum Archimedes

Pernahkah kamu berjalan di dalam kolam renang yang dangkal? Apakah kakimu terasa lebih ringan atau justru lebih berat?

Jika kamu berjalan di air yang cukup dalam, misalkan permukaan air sampai di dagumu, dengan sedikit menghentakkan kaki, tubuhmu akan mengambang ke atas. Hal ini terjadi karena air memberikan gaya angkat pada tubuhmu. Gaya angkat itu apa sih?

Gaya Apung

Untuk memahami apa itu tentang gaya angkat, cobalah lakukan percobaan sederhana berikut. Ikatkan batu kecil pada ujung seutas benang yang kuat. Letakkan batu kecil di lantai dan pegang ujung lain benang secara vertikal. Tariklah tali, sehingga batu menggantung di udara (Gambar a). Rasakan gaya otot lenganmu ketika menahan batu di udara. Sekarang celupkan seluruh batu ke dalam gelas berisi air. Tariklah tali, sehingga batu melayang dalam air. Rasakan gaya otot lenganmu ketika menahan batu yang melayang di dalam air (Gambar b).

Gambar 1. a. Batu yang diikat tali. b. Batu yang diikat tali dicelupkan ke dalam air

Dari percobaan sederhana ini kamu dapat merasakan berat batu di dalam air lebih ringan daripada berat batu di udara. Mengapa peristiwa ini terjadi? Sesungguhnya berat batu ketika tercelup di dalam air tidaklah berkurang, tetapi air memberikan gaya apung pada batu. Gaya apung inilah yang membuat berat batu dalam air terasa ringan. Gaya apung merupakan gaya ke atas oleh zat cair pada benda yang berada di dalam zat cair tersebut. Pengurangan berat benda di dalam air sama dengan besar gaya apung ke atas atau dirumuskan :

Fa = wu - wa

Dengan,

Fa = gaya ke atas atau gaya apung (N)

Wu = berat benda di udara (N)

Wa = berat benda di air (N)

Gaya apung pertama kali dikemukakan oleh Archimedes. Oleh karena itu gaya apung sering disebut gaya archimedes dan pernyataan tersebut lebih dikenal sebagai hukum Archimedes.

Hukum Archimedes berbunyi “Jika dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair, benda tersebut akan mengalami gaya ke atas. Gaya ke atas itu besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.”

Perhatikan! Yang dimaksud dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda hanyalah bagian dari berat benda yang tercelup dalam zat cair. (Gambar 2.)

Gambar 2. Berat zat cair yang dipindahkan benda hanyalah berat benda yang tercelup dalam air

Fa = ρ_f x g x Vb_f

Secara matematis, hukum Archimedes dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Dengan :

Fa = gaya ke atas atau gaya apung (N)

ρ_f = massa jenis zat cair (kg/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

Vb_f = volume benda yang tercelup (m³)

Konsep Terapung, Melayang dan Tenggelam

Adanya gaya apung dalam zat cair terhadap suatu benda membuat benda tersebut dapat mengalami tiga kemungkinan posisi suatu benda ketika dimasukkan ke dalam air yaitu tenggelam, melayang dan terapung. Pada benda yang berada di dalam air bekerja dua gaya segaris yang berlawanan arah yaitu gaya berat (w) yang arahnya ke bawah dan gaya apung (Fa) yang arahnya ke atas.

a. Benda Tenggelam

Benda disebut tenggelam dalam zat cair apabila posisi benda selalu terletak pada dasar tempat zat cair berada. Khusus untuk benda yang tenggelam terdapat tiga gaya yaitu :

W = gaya berat benda
F_a = gaya archimedes
N = gaya normal bidang

Gambar 3. Tiga gaya yang bekerja pada benda yang tenggelam

Dalam keadaan seimbang maka W = N + F_a sehingga :

ΣF = 0

Fa + N – w = 0

w = Fa + N

Sehingga, nilai w > Fa

W >         F_a
m . g >         ρ_ZC . V_b . g
ρ_b .V_b .g >         ρ_ZC . V_b . g

ρ_b > ρ_zc

dengan :

ρ_b = massa jenis benda
ρ_ZC= massa jenis zat cair

Jadi, benda tenggelam di dalam zat cair apabila massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair.

b. Benda Melayang

Benda melayang dalam zat cair apabila posisi benda di bawah permukaan zat cair dan di atas dasar tempat zat cair berada. Pada benda melayang terdapat dua gaya yaitu F_a dan W.

Gambar 4. Dua gaya yakni gaya apung dan berat benda pada posisi melayang di air

Dalam keadaan seimbang maka:

W = F_a
ρ_b . V_b . g = ρ_ZC . V_b . g

ρ_b = ρ_zc

Jadi, benda melayang di dalam zat cair apabila massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair.

c. Benda Terapung

Benda terapung dalam zat cair apabila posisi benda sebagian muncul dipermukaan zat cair dan sebagian terbenam dalam zat cair.Pada benda terapung terdapat dua gaya yaitu : Fa dan W.

Gambar 5. Gaya apung dan berat benda pada saat benda terapung di permukaan air.

Dalam keadaan seimbang maka :

W =         F_a
ρ_b . V₁ . g            =         ρ_ZC . V₂ . g
ρ_b . V₁            =         ρ_ZC . V₂

karena V₁ > V₂ maka ρ_b < ρ_ZC

Jadi, benda terapung di dalam zat cair apabila massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair.

Penerapan Hukum Archimedes

Gaya apung atau gaya Archimedes banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari, antara lain dalam pembuatan kapal laut, galangan kapal, kapal selam, hidrometer dan jembatan ponton.

1) Kapal laut

Gambar 6. Kapal laut

Umumnya kapal terbuat dari kayu atau besi yang memiliki massa jenis lebih besar dibanding air. Namun, mengapa kapal dapat terapung di atas permukaan air? Kapal laut dapat terapung di atas permukaan air karena bentuk kapal dibuat berongga sehingga volume air yang dipindahkan kapal tersebut dapat lebih besar, hal ini mengakibatkan gaya ke atas dari air juga menjadi lebih besar dan mampu menahan kapal agar tidak tenggelam. Ketika kapal laut terbalik, ruang kosong akan terisi air sehingga kapal bisa tenggelam.

2) Galangan kapal

Gambar 7. Galangan Kapal

Galangan kapal digunakan untuk mengangkat kapal laut yang akan diperbaiki bagian bawahnya yang berada di permukaan air, sehingga dapat terangkat ke permukaan air. Prinsip kerja galangan kapal serupa dengan kapal, tetapi dapat ditenggelamkan dan dimunculkan. Galangan kapal dapat diisi penuh dengan air laut atau dikosongkan. Kapal yang akan diperbaiki dimasukkan ke dalam galangan. Kemudian, air di dalam galangan disedot keluar. Bersamaan dengan berkurangnya air, galangan akan terangkat. Akhirnya, air di sekeliling kapal habis dan kapal bisa diperbaiki. Setelah kapal diperbaiki, galangan kembali diisi dengan air hingga penuh. Galangan kembali tenggelam dan disekeliling kapal dipenuhi oleh air. Kapal pun siap kembali ke laut.

3) Kapal selam

Gambar 8. Cara Kerja 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. Ketika kapal selam ingin terapung maka bagian badan kapal harus berisi udara. Ketika akan melayang, udara di dalam badan kapal dikeluarkan dan diisi dengan air sehingga mencapai keadaan melayang. Jika ingin tenggelam maka air dalam badan kapal harus lebih diperbanyak.

4) Hidrometer

Gambar 9. Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. alat ini berbentuk tabung yang berisi pemberat dan ruang udara sehingga akan terapung tegak dan stabil seketika. Cara menggunakan alat ini adalah dengan mencelupkannya pada zat cair yang akan diukur massa jenisnya. Kemudian, dilihat skala permukaan zat cair dan nilai itulah yang merupakan nilai massa jenis dari zat cair tersebut.

5) Jembatan Ponton

Gambar 10. Jembatan Ponton

Jembatan ponton adalah jembatan yang terbuat dari tabung-tabung, drum-drum kosong atau bahan lain yang terapung di atas permukaan air. Dalam keadaan darurat, orang membuat jembatan dengan memasang beberapa drum kosong yang tertutup rapat secara berjajar dan meletakkan papan di atasnya untuk orang berjalan. Drum kosong akan mengapung dalam air sebab drum kosong memiliki rongga yang berisi udara di dalamnya (udara jauh lebih ringan daripada air).

Sumber :

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika. Jakarta : Erlangga.

Giancoli, Douglas C. 2007. Fisika : Prnsip dan Aplikasi. Jakarta : Erlangga.

Marthen, Kanginan. 2007. IPA Fisika 2 untuk SMP KELAS VIII. Jakarta : Erlangga.

Muhammad, Akrom. 2009. Fisika Praktis. Cara Mudah Memahami Fisika. Yogyakarta : Tunas Publishing.

Serway, Raymond A. 2009. Fisika. Jakarta : Salemba Teknik

Young, Hugh. 2002. Fisika Universitas. Jakarta : Erlangga.