Gaya apung
Sebuah kapal kargo baja yang masif mengapung sementara sekeping koin baja kecil tenggelam — bahan yang sama, hasil yang sangat berbeda, dan penjelasannya tidak hanya berkaitan dengan berat. Setiap benda yang terendam dalam fluida mendorong sebagian fluida itu ke samping, dan fluida tersebut mendorong balik dengan gaya ke atas yang persis sama dengan berat dari apa yang dipindahkannya — sebuah hubungan yang ditemukan lebih dari dua ribu tahun lalu oleh Archimedes dan masih diajarkan, tanpa perubahan, sebagai salah satu hukum kuantitatif tertua dalam fisika. Apakah dorongan ke atas itu cukup untuk menopang benda tersebut tidak hanya bergantung pada beratnya saja, tetapi juga pada bentuknya: lambung kapal memindahkan volume air yang sangat besar dibandingkan dengan beratnya, sementara koin padat hanya memindahkan sedikit sekali.
Mengapung dan tenggelam
Sebuah benda mengapung ketika gaya apung dapat menyeimbangkan beratnya sebelum benda itu seluruhnya tercelup. Jika massa jenis rata-ratanya lebih besar daripada massa jenis fluida, benda itu tenggelam karena gaya apung maksimumnya terlalu kecil.
Prinsip Archimedes
Ketika sebuah benda berada dalam fluida, benda itu mendorong sebagian fluida menyingkir — ini disebut perpindahan (displacement). Fluida itu balik mendorong dengan gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Jika dorongan ke atas itu bisa menyamai berat benda itu sendiri, benda itu akan mengapung; jika benda terlalu berat dibandingkan fluida yang dipindahkannya, benda itu akan tenggelam.
Rumus
F_b = ρ · V · g
- ρ — massa jenis fluida (kg/m³): massa fluida per satuan volume
- V — volume yang dipindahkan (m³): volume fluida yang didorong menyingkir oleh benda
- g — percepatan gravitasi (m/s²): percepatan gravitasi yang menarik semuanya ke bawah
Contoh yang diselesaikan
Sebuah balok mendorong 0,002 meter kubik air menyingkir. Air memiliki massa jenis 1000 kilogram per meter kubik. Berapa gaya apung yang diberikan air sebagai balasannya?
- ρ = 1000 kg/m³
- V = 0.002 m³
- g = 9.8 m/s²
- F_b = ρ · V · g
- F_b = 1000 kg/m³ · 0.002 m³ · 9.8 m/s²
F_b = 19.6 N
Uji diri Anda
Balok yang sama kini memindahkan 0,004 meter kubik air, bukan 0,002. Berapa gaya apung yang baru?
- 19.6 N
- Jawaban benar: 39.2 N
- 9.8 N
Benar! Menggandakan volume menggandakan gaya apung: 1000 kg/m³ × 0,004 m³ × 9,8 m/s² = 39,2 N.
Sebuah balok dengan berat 15 N diletakkan di air, di mana balok itu bisa memindahkan hingga 20 N air saat terendam penuh. Apa yang terjadi?
- Jawaban benar: Balok mengapung, karena gaya apung bisa menyamai beratnya
- Balok tenggelam, karena gaya apung hanya bergantung pada volume
- Balok mengapung, karena semua benda di air mengapung
Benar — balok 15 N di air yang bisa memberikan gaya apung hingga 20 N saat terendam penuh akan mengapung, berada cukup rendah sehingga air yang dipindahkan beratnya tepat 15 N.
Di mana Anda melihatnya
Kapal baja tetap mengapung meskipun massa jenis baja jauh lebih besar daripada air, karena lambungnya melingkupi cukup banyak udara untuk memindahkan volume air yang sangat besar — dan berat air yang dipindahkan itulah yang persis menopang kapal itu. Gunung es menunjukkan hal yang sama dari arah sebaliknya: massa jenis es hanya sedikit lebih kecil daripada air laut, sehingga sekitar 90 persen dari gunung es itu berada di bawah permukaan.
Kesalahan umum
Kesalahan yang paling umum adalah menilai tenggelam-atau-mengapung hanya dari bendanya saja — berat tidak berarti tenggelam. Sebuah balok 15 N dapat mengapung di air jika ia mampu memindahkan air hingga 20 N, karena mengapung atau tidak ditentukan dengan membandingkan berat benda dengan berat fluida yang dapat didorong menyingkir oleh benda itu. Kesalahan kedua: mendorong benda yang terendam seluruhnya semakin dalam tidak menambah gaya apung — volume yang dipindahkan sudah berhenti berubah, jadi F_b = ρ · V · g pun ikut berhenti berubah.
Bagaimana ini terhubung
Dorongan ke atas itu sebenarnya adalah tekanan hidrostatik yang menyamar: dasar benda yang terendam berada lebih dalam daripada bagian atasnya, dan karena tekanan bertambah seiring kedalaman, fluida mendorong dasar benda lebih keras ke atas daripada menekan bagian atasnya ke bawah — ketidakseimbangan itulah yang menjadi gaya apung. Berikutnya, Prinsip Bernoulli mengambil fluida yang sama begitu ia bergerak, dan menukar tekanan itu dengan kecepatan.