“Hukum Archimedes dan Gaya Apung”

Archimedes adalah seorang ilmuwan terbesar pada zamannya. Ia lahir di kota Syracuse, Sisilia pada tahun 287 SM dan meninggal pada tahun 212 SM. Archimedes dikenal sebagai ahli fisika, marematika, optika dan astronomi. Ia dijuluki sebagai Bapak Eksperimen, karena mendasarkan penemuannya pada percobaan.
Ia menemukan hukum pada sebuah peristiwa yang disebut dengan Hukum Archimedes yang berbunyi “jika benda dimasukkan ke dalam cairan, baik sebagian atau seluruhnya, akan mendapatkan gaya ke atas sebesar berat cairan yang dipindahkan benda itu”. Misalnya air mempunyai volume tertentu, jika sebuah benda dimasukkan ke dalam air tersebut, maka permukaan air akan terdesak atau naik. Dengan kata lain, berat benda seolah-olah menjadi lebih ringan. Hal ini karena adanya gaya ke atas yang sering disebut gaya Archimedes.
Archimedes terkenal juga dengan teorinya tentang hubungan antara permukaan dan volume dari sebuah bola terhadap selinder. Dia juga dikenal dengan teori dan rumus dari prinsip hydrostatic dan peralatan untuk menaikkan air – ‘Archimedes Screw’ atau sekrup Archimedes, yang sampai sekarang masih banyak digunakan di negara-negara berkembang. Walaupun pengungkit atau ungkitan telah ditemukan jauh sebelum Archimedes lahir, Archimedes yang mengembangkan teori untuk menghitung beban yang dibutuhkan untuk pengungkit tersebut. Archimedes juga digolongkan sebagai salah satu ahli matematika kuno dan merupakan yang terbaik dan terbesar di jamannya. 

Terapung, Melayang dan Tenggelam

Apa yang terjadi jika sebutir telur mentah dimasukkan ke dalam gelas yang berisi air tawar? Yup! telur itu akan tenggelam ke dasar gelas. Lalu bagaimana jika telur tersebut dimasukkan ke dalam gelas yang berisi air garam? Apakah dia akan tenggelam juga? Atau sebaliknya? Hemmm.. penasaran kan? Sebelum kita bahas lebih lanjut, silahkan baca literatur dibawah ini!!!

Aha! ternyata saat dimasukkan ke dalam gelas yang berisi air garam, telur mentah tersebut tidak tenggelam tetapi melayang di dalam air garam. Mengapa demikian? Kita bahas yuk!!

Jika kita memasukkan sebuah benda ke dalam sebuah wadah yang berisi penuh air, maka air dalam wadah tersebut akan tumpah. Apabila air yang tumpah dari wadah tersebut diukur beratnya ternyata beratnya sama dengan berat benda yang dimasukkan ke dalam wadah tersebut. Hal ini sesuai dengan hukum Archimedes yang mengatakan:

“Benda yang dimasukkan atau dicelupkan sebagian atau seluruhnya dalam zat cair akan mendapatkan gaya yang  arahnya ke atas dan besarnya sama dengan berat  zat cair yang dipindahkan oleh benda itu”.

Gaya ke atas yang dialami oleh benda tersebut disebut dengan gaya apung . Gaya apung sama dengan berat benda di udara dikurangi dengan berat benda di dalam air.

F_A = w_u - w_a

Ada tiga kemungkinan peristiwa yang terjadi jika sebuah benda dimasukkan ke dalam zat cair.  Seperti ditunjukkan pada gambar berikut!

Benda Terapung	Benda dikatakan terapung jika sebagian benda masih muncul diatas permukaan zat cair. Benda terapung jika : ρB < ρc , Massa jenis benda (ρB ) lebih kecil dari massa jenis zat cair (ρc). FA = wB , Besar gaya apung (FA) sama dengan berat benda.
Benda Melayang	Benda dikatakan melayang jika benda berada dalam zat cair, tetapi tidak berada di dasar zat cair. Benda melayang jika : ρB = ρc, Massa jenis benda (ρB ) sama atau hampir sama dengan massa jenis zat cair (ρc). FA = wB, Besar gaya apung (FA) sama atau hampir sama dengan berat benda.
Benda Tenggelam	Benda dikatakan tenggelam jika berada di dasar zat cair. Benda tenggelam  jika : ρB > ρc, Massa jenis benda (ρB ) lebih besar dari massa jenis zat cair (ρc). FA < wB, Besar gaya apung (FA) lebih kecil dari berat benda.

Nah, untuk peristiwa telur melayang tadi, sekarang tahu kan kenapa ketika telur mentah dimasukkan dalam air tawar tenggelam tetapi ketika dimasukkan ke dalam air garam melayang? Telur tenggelam ketika di air tawar karena massa jenis telur lebih besar daripada massa jenis air tawar dan berat benda lebih besar daripada gaya apung, sedangkan telur melayang di air garam karena massa jenis telur sama atau hampir sama dengan massa jenis air garam, atau gaya apung sama atau hampir sama dengan berat benda.

Penemuan hukum Archimedes mendatangkan banyak manfaat pada manusia, berdasarkan hukum tersebut banyak diciptakan alat-alat yang bekerja di air, seperti kapal laut, kapal selam dan galangan kapal, jembatan ponton, hidrometer dan balon udara.

1.    Hidrometer

Hidrometer, sumber : http://forum.o-fish.com/thread-13491.html

Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar agar dihasilkan gaya Apung.
Hidrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur massa jenis cairan. Nilai massa jenis cairan dapat diketahui dengan membaca skala pada hidrometer yang ditempatkan mengapung pada zat cair. Hidrometer terbuat dari tabung kaca dan desainnya memiliki 3 bagian:
1. Tangkai tabung kaca
2. Bawah tabung kaca
3. Diameter kaca

Hidrometer merupakan alat untuk mengukur berat jenis atau massa jenis zat cair. Jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, Makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam. Hidrometer banyak digunakan untuk mengetahui besar kandungan air pada bir atau susu. Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya tabung kaca terapung tegak dalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zat cair yang dipindahkan hidrometer lebih besar. Dengan demikian, dihasilkan gaya ke atas yang lebih besar dan hidrometer dapat mengapung di dalam zat cair. Tangkai tabung kaca hidrometer didesain supaya perubahan kecil dalam berat benda yang dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam massa jenis zat cair) menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangki yang tercelup di dalam zat cair.  Artinya perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai jenis zat cair menjadi lebih jelas.

2.    Kapal Selam

Kapal Selam, sumber : http://www.adventurebali.net/odyssey-bali.php

Kapal Selam, dapat menyelam dan muncul ke permukaan dengan mengubah kerapatan nisbinya. Kapal ini membawa wadah besar yang disebut tangki balas. Ketika udara dikeluarkan dari tangki – tangki ini dan diganti dengan air, kerapatan kapal selam meningkat sehingga kapal dapat menyelam. Ketika kapal selam ingin muncul ke permukaan, udara dipompakan kembali ke dalam tangki – tangki dan air dipaksa keluar. Hal ini membuat kerapatan kapal selam menjadi berkurang sehingga kapal bisa naik ke atas permukaan laut.

3.        Kapal laut

Kapal laut, sumber : http://www.kaskus.us/showthread.php?t=10119339

Kapal laut sangat berat tetapi dapat terapung di permukaan laut
- Konsep Gaya Apung
- Konsep Massa Jenis
Badan kapal yang terbuat dari besi berongga, ini menyebabkan volum air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya apung sebanding dengan volum air yang dipindahkan, sehingga gaya apung menjadi sangat besar . Gaya apung ini mampu mengatasi berat total sehingga kapal laut mengaoung di permukaan laut. Jadi massa jenis rata – rata besi berongga dan udara yang menempati rongga masih lebih kecil daripada massa jenis air laut. Oleh karena itu kapal itu mengapung. Sebuah kapal selam memiliki tangki pemberat yang terletak di antara lambung sebelah dalam sebelah luar. Tangki ini dapat diisi udara atau air. Mengatur isi tangki pemberat berarti mengatur berat total kapal. Sesuai dengan konsep gaya apung, berat total kapal selam akan menentukan apakah kapal selam mengapung atau menyelam. Kapal laut tidak akan tenggelam apabila berat kapal bertambah maka gaya ke atas juga harus bertambah besar.

4.        Jembatan Ponton

Jembatan Ponton, sumber : http://www.elaw.org/node/5384

Jembatan ponton adalah kumpulan drum-drum kosong yang berjajar sehingga menyerupai jembatan. Jembatan pontoon merupakan jembatan yang dibuat berdasarkan prinsip benda terapung. Drum-drum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya.

5.     Balon Udara

Cara Balon Udara Terbang
Balon udara terbang dengan memanfaatkan perbedaan berat udara dengan jalan memanaskannya. Untuk terbang udara di dalam envelope di panaskan dengan burner dengan temperatur sekitar 100^oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas ini masa per unit volumenya lebih sedikit membuatnya lebih ringan sehingga balon udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih kuat. Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun. Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Karena balon udara hanya bisa naik dan turun (bergerak secara vertikal) tentu kita berpikir bagaimana cara balon udara berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain (bergerak secara horizontal). Jawabanya hanya satu, pilot memanfaatkan hembusan angin untuk bergerak secara horizontal. Volum bertambah maka bertambah volum udara yang dipindahkan. Gaya apung bertambah besar:
a.  Saat ingin menaikan balon udara :
     Saat gaya apung sudah lebih berat daripada berat total balon (berat balon dan

muatan). Sehingga balon mulai bergerak naik.
b.  Saat ingin menurunkan balon udara:

Saat gaya apung lebih kecil daripada berat balon, dan berat balon bergerak

turun.