Hukum Archimedes dan Aplikasinya dalam Kehidupan Sehari-hari atau Teknologi

Topik: Hukum Archimedes dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi

Hukum Archimedes

Jika kita celupkan es batu ke dalam sebuah bejana berisi air, permukaan air akan naik. Ini karena es batu menggantikan volume air. Jika es batu kita celupkan pada bejana yang penuh berisi air, sebagian air akan tumpah dari bejana. Volume air tumpah sama dengan volume es batu yang menggantikan air.

Jadi, suatu benda yang dicelupkan seluruhnya dalam zat cair selalu menggantikan volume zat cair yang sama dengan volume benda itu sendiri.

Dengan pemahaman di atas, disertai dengan kaitan antara gaya apung yang dirasakannya dengan volume zat cair yang dipindahkan benda, Archimedes menemukan hukumnya, yaitu hukum Archimedes yang berbunyi:

Gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagaian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

A. Penurunan Matematis Hukum Archimedes

Apakah penyebab munculnya gaya apung yang dikerjakan oleh suatu fluida kepada benda yang tercelup dalam fluida?

Ternyata gaya apung ini muncul karena selisih antara gaya hidrostatis yang dikerjakan fluida terhadap permukaan bawah dengan permukaan atas benda. Kita akan menurunkan rumus gaya apung F_a secara teoritis berdasarakan pemahaman tekanan hidrostatis yang telah anda pelajari sebelumnya. Seperti telah anda ketahui bahwa gaya apung terjadi akibat konsekuensi dari tekanan hidrostatis yang makin meningkat dengan kedalaman. Dengan kata lain, gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan hidrostatisnya. Ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan pada bagian atasnya.

Perhatikan sebuah silinder dengan tinggi h dan luas A, yang tercelup seluruhnya di dalam zat cair dengan massa jenis r_f (gambar di atas). Fluida melakukan tekanan hidrostatis p₁ = ρ x g x h₁ pada bagian atas silinder. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F₁ = p_1.A = ρ_f.g.h₁A berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, fluida melakukan tekanan hidrostatis F₂ = p_2.A = ρ_f.g.h₂A dengan arah ke atas. Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung F_a jadi: 

Perhatikan ρ_fV_bf = M_f adalah massa fluida yang dipindahkan oleh benda; ρ_fV_bf g = M_f g adalah berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Jadi, gaya apung F_a yang dikerjakan fluida pada benda (silinder) sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda (silinder). Pernyataan ini berlaku untuk sembarang bentuk benda, dan telah dinyatakan sebelumnya sebagai hukum Archimedes. Jadi, gaya apung dapat dirumuskan sebagai berikut.

Dengan 

ρ_f = massa jenis fluida

V_{bf =} adalah volume benda yang tercelup dalam fluida. 

Perhatian:

1. Hukum Archimedes berlaku untuk semua fluida (zat cair dan gas)

2. V_bf adalah volume benda yang tercelup dalam fluida. Jika benda tercelup seluruhnya, V_bf = volume benda. Tetapi jika volume benda hanya tercelup sebagian, V_bf = volume benda yang tercelup dalam fluida saja. Tentu saja untuk kasus ini, V_bf < volume benda.

B.  Mengapung, tenggelam, dan melayang

Masih ingatkah anda dengan peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang ketika suatu benda dicelupkan dalam zat cair? Untuk mengingatnya kembali, perhatikan ilustrasi pada gambar berikut!

Ilustrasi pada gambar di atas menunjukkan bahwa apakah suatu benda mengapung, tenggelam atau melayang hanya ditentukan oleh massa jenis rata-rata benda dan massa jenis zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair, benda akan mengapung di permukaan zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, benda akan tenggelam di dasar wadah zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis zat cair, benda akan melayang dalam zat cair di antara permukaan dan dasar wadah zat cair. Jadi,

Peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang juga dapat dijelaskan berdasarkan konsep gaya apung dan berat benda. Pada suatu benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam zat cair, bekerja gaya apung (F_a). Dengan demikian, pada benda yang tercelup dalam zat cair bekerja dua buah gaya: gaya berat w dan gaya apung F_a, gambar berikut.

Pada benda yang mengapung dan melayang terjadi keseimbangan antara berat benda w dan gaya apung F_a, sehingga berlaku:

SF = 0

+F_a – w = 0 atau w = F_a                 

Pada benda yang tenggelam, berat w lebih besar daripada gaya apung F_a. Jadi:

Syarat mengapung atau melayang           w = F_a

Syarat tenggelam                                    w > F_a

Perhatian:

Syarat mengapung sama dengan syarat melayang, yaitu berat benda sama dengan gaya apung (w = F_a). Perbedaan keduanya terletak pada volume benda yang tercelup zat cair (V_bf). Pada peristiwa mengapung, hanya sebagian benda yang tercelup dalam zat cair, sehingga V_bf < V_b. Pada peristiwa melayang, seluruh benda tercelup dalam zat cair, sehingga V_bf < V_b .

C. Aplikasi hukum archimedes dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi

Salah satu contoh aplikasi hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi adalah kapal selam. Prinsip kerja kapal selam menerapkan hukum Archimedes, dimana suatu benda bisa melayang di dalam air jika besar gaya apung benda tersebut sama dengan berat benda. Bagian utama pada kapal selam adalah tangki besar atau disebut tank pemberat. Jika digunakan untuk menyelam maka tangki diisi air untuk membuat kapal menjadi lebih berat. Jika digunakan untuk mengapung di permukaan laut, air di dalam tangki tadi diganti dengan udara sehingga kapal menjadi ringan sehingga membuatnya mengapung dipermukaan tanpa harus takut tenggelam. Kerapatan kapal selam dapat diatur dengan cara mengisi air atau membuangnya pada tangki pemberat yang ada.    

Demikianlah penjelasan tentang hukum Archimmedes dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi. Semoga memberikan wawasan dan memberikan semangat untuk senantiasa belajar fisika.