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: 

Wsemu = Wbenda – Fa 

dengan:  

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

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

Fa = 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: 

Fa = ρcair Vb g 

dengan: 

ρcair = massa jenis zat cair (kg/m3) 

Vb = 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 1

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: 

wdi udara = 50 N

wair = 45 N 

Berarti, air memberikan gaya apung sebesar: 

F = wdi udara – wair 

F = 50 N – 45 N 

F = 5 N 

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

F = v · ρc · 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 2 

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: 

wdi udara = 700 N 

Fa = 500 N 

wdi air = wdi udara – Fa  

wdi air = 700 N – 500 N = 200 N

Tekanan Zat Cair

 Pernahkah Anda berpikir kenapa dalam membuat bendungan pada bagian dasarnya dibuat lebih tebal atau dibuat miring? Seperti gambar di bawah ini.

Bendungan dibuat miring atau tebal pada bagian dasarnya karena semakin dalam ketinggian air maka tekanan airnya tersebut semakin besar. Karena gaya gravitasi, tekanan di dalam fluida bertambah sesuai kedalamannya. Semakin besar kedalaman tersebut, semakin besar pula tekanan tersebut.

Mari kita lihat mengapa demikian. Misalkan air di kolam pada gambar di bawah ini telah dibagi menjadi 5 lapisan.

Karena gaya gravitasi menarik ke bawah partikel-partikel pada lapisan 1, maka lapisan tersebut memiliki suatu berat tertentu. Gaya berat dari lapisan 1 menekan ke bawah pada lapisan 2. Lapisan 2 ini memiliki gaya gravitasi pada partikel-partikelnya sendiri ditambah gaya dari berat lapisan 1. Oleh karena itu tekanan pada lapisan 2 lebih besar daripada tekanan dalam lapisan 1. Bagaimana dengan pada lapisan 3?

Lapisan 3 memiliki gaya gravitasi pada partikel-partikelnya sendiri ditambah berat dua lapisan pertama yang mendorong ke bawah lapisan 3 tersebut. Akibatnya, tekanan pada lapisan 3 lebih besar dari lapisan manapun di atasnya. Lapisan paling bawah atau kedalaman paling dalam dari setiap fluida akan memiliki tekanan paling besar karena lapisan itu mendapatkan gaya dorong paling besar dari lapisan di atasnya. Hal ini dapat dibuktikan dengan melubangi kaleng secara vertikal kemudian mengisinya dengan air, seperti gambar di bawah ini. Aliran air dari lubang pada bagian lebih bawah gelas memancar kuat.

Sumber gambar: yustinibim.blogspot.com

Secara matematis tekanan hidrostatis dirumuskan:

Phid = ρgh

Dimana:

ρ = massa jenis fluida

g = pecepatan gravitasi

h = kedalaman fluida

Bagaimanakah tekanan pada titik-titik yang kedalamannya sama di dalam suatu zat cair? 

Titik-titik di dalam suatu zat cair yang kedalamannya sama mempunyai tekanan yang sama. Permukaan suatu zat cair yang ditempatkan pada sebuah bejana akan datar. 

 

Jika pipa U diisi suatu zat cair, tinggi permukaan zat cair pada pipa itu sama. Bahkan jika terdapat bejana berhubungan yang memiliki berbagai bentuk pipa diisi suatu zat cair, tinggi permukaan zat cair tersebut dalam pipa-pipa tersebut sama.

Sumber gambar:  sukasains.com

Kenyataan ini dimanfaatkan untuk menentukan apakah dua titik memiliki ketinggian yang sama, oleh para tukang pembuat bangunan. Apa nama alat yang digunakan itu? 

Pengertian Tekanan

 Sebelum Anda mempelajari lebih jauh tentang apa itu tekanan, sebaiknya Anda menguasai konsep gaya. Syarat untuk memahami konsep tekanan adalah anda harus terlebih dahulu menguasai konsep gaya, karena tekanan erat kaitannya dengan gaya. 

Kamu mungkin pernah mengamati jejak-jejak kaki ayam dan bebek pada tanah basah. Walaupun massa ayam dan bebek itu sama, namun pengaruhnya terhadap tanah tersebut berbeda. Apa yang membuat berbeda?

 

Coba anda perhatikan luas kaki ayam dan bebek. Di mana kaki bebek memiliki luas permukaan yang lebih luas dibandingkan dengan kaki ayam. Untuk gaya berat yang sama, semakin kecil luas permukaan kaki, ternyata jejak kakinya semakin dalam. Hal yang membuat jejak kaki semakin dalam jika luas permukaannya semakin kecil adalah karena tekanannya lebih besar. Untuk berat (gaya) yang sama, semakin kecil luas permukaan maka semakin besar tekanan yang ditimbulkannya. Besaran dalam fisika yang mengkaitkan gaya dengan luas permukaan disebut tekanan. 

Tekanan dapat dihitung dengan membagi gaya yang dikerahkan dengan luas yang dikenai gaya tersebut. Pernyataan tersebut dapa dirumuskan: 

Tekanan = Gaya/Luas atau P=F/A

Bila gaya diukur dalam satuan newton (N) dan luas diukur dalam meter persegi (m2), maka tekanan diukur dalam satuan newton per meter persegi (N/m2). Pascal (Pa) adalah satuan SI untuk tekanan. Satu pascal tekanan adalah suatu gaya sebesar satu Newton per meter persegi. Seringkali tekanan diukur dalam satuan kilopascal (kPa). Satu kPa sama dengan 1000 Pa.

Contoh Soal

Sebuah kotak dengan berat 300 N dan luas alasnya 1,5 m2 diletakkan di atas lantai. Hitunglah tekanan antara kotak dan lantai?

Penyelesaian:
P = F/A
P = 300 N/1,5 m2

P = 200 N/m2
Jadi, tekanan antara kotak dan lantai adalah 200 N/m2

Berikut ini silakan simak video tentang tekanan zat padat 

Latihan Soal kerjakan di buku tugas mu :

1. Sebuah peti kayu berbentuk balok berukuran panjang  m, lebar 1 m, dan tebal 50 cm memiliki berat sebesar 400 N. Jika peti tersebut berada di atas lantai dengan posisi tegak, maka tekanan yang dihasilkannya adalah ….
2. Budi mendorong gerobak dengan kedua tangganya dan membutuhkan gaya sebesar 90 Newton. Apabila luas sebuah telapak tangan adalah 150 cm2, maka tekanan yang diberikan Budi pada gerobak adalah sebesar ….
3. Benda memiliki luas alas 0,2 m² bertekanan 100 N/m². Berapakah gaya yang bekerja pada benda tersebut?