Hukum Archimedes

Tujuan pembelajaran :

1. Peserta didik dapat menerapkan konsep hukum Archimedes
2. Peserta didik dapat melakukan percobaan hukum Archimedes

Perhatikan beberapa benda-benda di sekitarnya yang dimasukkan dalam air. Ada yang mengapung, melayang, dan tenggelam. 

Kapan sebuah benda akan mengapung melayang atau tenggelam? Bila benda tadi tetap di tempatnya atau tidak bergerak ke atas atau ke bawah bagaimana gaya yang bekerja pada benda tersebut?

Percobaan sederhana:

Ambillah sepotong gabus. Letakkan di atas air. Apa yang terjadi? Gabus akan mengapung bukan? Tekanlah gabus agar seluruh gabus berada di dasar air. Lalu

lepaskan. Apa yang terjadi? Gabus akan bergerak ke atas sampai kemudian mengapung, bukan? Gaya  yang diberikan oleh fluida pada benda yang berada di dalamnya dinamakan gaya apung. Hal yang memengaruhi gaya apung adalah kerapatan benda dan volume benda.

Konsep Hukum Archimedes

Pada saat kita berjalan atau berlari di dalam air, kita tentunya akan merasakan bahwa langkah kita lebih berat dibandingkan jika kita melangkah di tempat biasa. Gejala ini disebabkan adanya tekanan dari zat cair. Pengamatan ini memunculkan sebuah hukum yang dikenal Hukum Archimedes, yaitu :

“Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda tersebut akan mendapat gaya yang disebut gaya apung (gaya ke atas) 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. Jadi, telah jelas bahwa berat benda seakan berkurang bila benda dimasukkan ke dalam air. Hal itu karena adanya gaya ke atas yang ditimbulkan oleh air dan diterima benda. Dengan demikian maka resultan gaya antara gaya berat dengan gaya ke atas merupakan berat benda dalam air. Selanjutnya berat disebut dengan berat semu yaitu berat benda tidak sebenarnya karena benda berada dalam zat cair. Benda dalam air diberi simbol W_S.

Hubungan antara berat benda di udara (W), gaya ke atas (F_a) dan berat semu (W_s) adalah :

                                                                                  W_s = W-F_a

dengan:

W_s = berat benda dalam zat cair (Kg⋅m/s²)
W = berat benda sebenarnya (Kg⋅m/s²)
F_a = gaya apung (N)

dan besarnya gaya apung (F_a) dirumuskan sebagai berikut :

F_a = ρ_cair V_b g

dengan:

ρ_cair = massa jenis zat cair (kg/m³)
V_b = volume benda yang tercelup (m³)
g = percepatan gravitasi (m/s²)

Contoh Soal Penerapan Hukum Archimedes

sebuah benda beratnya 70 N dimasukkan ke dalam air (ρ air  = 1000 kg/m3). Apabila berat benda di dalam air menjadi setengahnya dan percepatan gravitasi sebesar g = 10 m/s2, hitunglah:

a. gaya ke atas terhadap benda

b. volume benda

c. massa jenis benda

Penyelesaian:

Kondisi Benda Dalam Hukum Archimedes

Bila benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka ada 3 kemungkinan yang terjadi yaitu tenggelam, melayang, dan terapung.

1. Benda Tenggelam

Benda disebut tenggelam dalam zat cair apabila posisi benda selalu terletak pada dasar tempat zat cair berada.

Pada benda tenggelam terdapat tiga gaya yaitu :

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

Dalam keadaan seimbang maka W = N + F_a  sehingga :

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

ρ_b > ρ_zc

ρ_b = massa jenis benda
ρ_ZC = massa jenis zat cair

2. Benda Melayang

Benda melayang dalam zat cair apabila posisi benda di bawah permukaan zat cair dan di atas dasar tempat zat cair berada.

ada benda melayang terdapat dua gaya yaitu: F_a dan W. Dalam keadaan seimbang maka :

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

ρ_b = ρ_zc

3. 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. Dalam keadaan seimbang maka :

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

karena V_b > V₂ maka : ρ_b < ρ_ZC

untuk membantu kalian lebih memahami tentang konsep dan percobaan hukum Archimedes, perhatikan tayangan video berikut ini

Penerapan Hukum Archimedes

1.  Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis cairan. Nilai massa jenis dapat kita lihat pada skala yang terdapat pada hidrometer. Hidrometer akan mengapung bila kita masukkan pada suatu cairan. Banyaknya bagian yang mengapung tergantung pada massa jenis cairan.

2. Kapal Laut

Kapal laut terbuat dari besi dan baja namun tidak tenggelam di laut. Kapal dibuat berbentuk sedemikan sehingga memiliki volume yang besar. Bagian dalam kapal memiliki rongga sehingga tidak menyumbang massa tetapi memperbesar volume. Jadi, kerapatan kapal lebih kecil daripada kerapatan air laut.

3. Kapal Selam

Kapal selam dapat mengapung tetapi juga dapat tenggelam. Kapal selam

memiliki tangki-tangki pemberat diantara lambung sebelah dalam dan

lambung sebelah luar. Kapal selam dapat mengubah kerapatannya dengan cara

mengisi atau membuang air dalam tangki pemberat.  Saat kapal terapung

tangki dikosongkan. Agar kapal dapat tenggelam maka kapal diperberat

dengan cara memasukkan air laut ke dalam tangki pemberat. Air laut akan

mendesak udara yang berada di dalam tangki. Awak kapal harus mengatur

seberapa besar pengisian tangki pemberat sesuai dengan kedalaman

yang diinginkan. Kapal selam mempunyai tangki untuk mengisi atau membuang air untuk merubah kerapatan kapal. Agar kapal dapat melayang dalam air maka berat kapal harus sama dengan gaya apung pada kapal.

Apabila kapal diinginkan  terapung kembali maka air laut yang berada ditangki pemberat dikeluarkan sehingga kapal menjadi lebih ringan dan dapat naik ke atas. Air dikeluarkan dengan cara memompakan udara dalam tangki sehingga air terdesak keluar.

4. Jembatan Ponton

Jembatan ponton adalah kumpulan drum-drum kosong yang berjajar sehingga menyerupai jembatan. Jembatan ponton merupakan jembatan yang dibuat berdasarkan prinsip benda terapung. Drum-drum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya. Jembatan ponton digunakan untuk keperluan darurat. Apabila air pasang, jembatan naik. Jika air surut, maka jembatan turun. Jadi, tinggi rendahnya jembatan ponton mengikuti pasang surutnya air.

5. Galangan Kapal

Untuk memperbaiki kerusakan kapal bagian bawah, digunakan galangan kapal. Jika kapal akan diperbaiki, galangan kapal ditenggelamkan dan kapal dimasukkan. Setelah itu galangan diapungkan. Galangan ditenggelamkan dan diapungkan dengan cara memasukkan dan mengeluarkan air laut pada ruang cadangan.

6. Balon Udara

Balon gas ini dapat melayang karena di dalam balon tersebut berisi gas hydrogen atau helium. Massa jenis hydrogen atau helium ini lebih ringan dibanding dengan udara. Balon udara ini dapat melayang karena berisi gas yang memiliki massa jenis labih kecil dari massa jenis udara. 

Gas dalam balon gas ini adalah udara panas. Jadi, saat seseorang ingin balon gasnya naik, maka ia harus menambahkan udara panas ke dalam balon. Apabila balon udara sudah mencapai ketinggian yang diinginkan, maka ia dapat mengurangi udara panasnya hingga berat balon sama besarnya dengan gaya ke atas. Jika balon gasnya akan diturunkan, maka udara panas harus dikurangi agar berat benda menjaid lebih besar dari gaya ke atas. Dengan demikian, sifat dari balon gas tersebut sama dengan zat cair.