Prinsip Archimedes : Terapung, Melayang dan Tenggelam

Zsmart.id. Pada artikel yang lalu terkait tentang fluida statis, kita sudah mengetahui dua buah konsep utama yang harus dikuasai yakni tentang konsep massa jenis dan tekanan hidrostatis. Dalam konsep lain, kita akan mengkaji terkait bagaimana fenomena yang terjadi apabila kita menaruh atau memasukkan benda ke dalam fluida dalam hal ini zat cair yang diam. Sebelum masuk ke dalam inti pembahasan, terdapat sebuah kisah terkait tentang konsep Archimedes ini. 

Pada zaman dahulu, ada raja yang ingin membuat mahkota yang baru dengan berbahan dasar emas murni. Singkat cerita, sang raja lalu menyuruh pandai besi yang berada di kerajaan tersebut untuk membuat mahkota raja. Tentu saja, mahkota tersebut haruslah tampak mewah dan terbuat dari emas murni. Setelah sekian lama waktu berjalan, maka sang pandai besi telah berhasil membuat mahkota yang dipesan oleh sang raja. Sang raja pun terlihat senang dengan mahkota barunya, namun sang raja tiba-tiba merasa penasaran apakah sang pandai besi betul-betul membuat mahkota tersebut sesuai dengan yang diinginkan yakni terbuat dari emas murni. Alhasil dipanggillah ahli pada masa itu yakni Archimedes. Archimedes setelah mendengar permintaan sang raja, dia mulai berpikir untuk memecahkan masalah sang raja dengan menggunakan konsep massa jenis benda. Konsep ini memberikan informasi yakni apabila massa jenis mahkota sama dengan massa jenis emas maka mahkota tersebut terbuat dari emas murni, namun apabila berbeda maka mahkota raja bukanlah emas murni melainkan digabung dengan logam yang lain semisal perunggu. 

Namun, masalah muncul di sini. Archimedes dengan mudah menentukan massa jenis benda apabila bentuknya beraturan tetapi bentuk mahkota tidaklah homogen sehingga perlu pendekatan lain untuk mencari massa jenis mahkota tersebut. Selang waktu yang lama, Archimedes belum juga berhasil menemukan cara hingga saat iya ingin merenung di dalam bak mandinya, ia tidak sengaja mengamati bahwa ada air yang tumpah ketika ia masuk ke dalam bak mandi. Ia kemudian terdiam dan berteriak keluar sambil berkata eureka !! eureka !! yang berarti ia menemukan jawaban dari permsalahan sang raja. Dengan menggunakan konsep tersebut, ternyata diketahui bahwa mahkota sang raja bukanlah emas murni melainkan gabungan antara emas dan logam lain. Mengetahui hal ini, maka panda besi pun mendapat hukuman dari sang raja. 

Beradasarkan kisah tersebut maka apa yang sebenarnya terjadi ? Archimedes mengamati bahwa ada sejumlah volum air yang tertumpah dari bak mandinya. Hal ini memberikan inforamsi bahwa banyaknya volum air yang tumpah merupakan volum dari tubuh Archimedes itu sendiri sehingga :

"...sebuah benda baik setengah ataupun seluruhnya apabila masuk ke dalam zat cair maka akan menghasilkan volume air yang tumpah sesuai dengan volum benda tersebut..."

pernyataan ini mengantarkan konsep yang baru yakni gaya angkat. Yah, gaya angkat merupakan gaya yang diberikan oleh fluida terhadap benda. Contoh nyata dari ini adalah kita akan merasa lebih mudah mengangkat batu di dalam air dibandingkan di udaha. Hal ini karena gaya angkat air terhadap benda lebih besar dibandingkan udara. Sehingga,besar gaya angkat tak lain merupakan :

dengan menggunakan persamaan massa jenis, persamaan di atas menjadi :

di mana V merupakan volum benda yang tercelup dan g adalah percepatan gravitasi bumi. Persamaan inilah yang dikennal sebagai persamaan gaya angkat fluida Archimedes. Untuk lebih memahami terkait hal ini, mari kita amati beberapa kasus berikut. 

Apabila kita menjatuhkan sebuah benda bermassa m ke dalam wadah berisi air maka terdapat tiga kemungkinan yang terjadi yakni benda akan tenggelam, melayang atau mengapung. Apa yang menyebabkan ini terjadi ? 

Kasus benda terapung

Pada kasus benda yang terapung terlihat bahwa benda bergerak ke atas dikarenakan gaya ke atas yang diberikan oleh fluida lebih besar dibandingkan gaya berat benda tersebut sehingga 

Kasus benda melayang

Pada kasus benda yang melayang terlihat bahwa  gaya ke atas yang diberikan oleh fluida sama besar dibandingkan gaya berat benda tersebut sehingga 

Kasus benda tenggelam

Pada kasus benda yang tenggelam terlihat bahwa  gaya ke atas yang diberikan oleh fluida lebih kecil dibandingkan gaya berat benda tersebut sehingga 

Contoh soal

1) Sebuah benda berbentuk kubus memiliki sisi 6cm apabila ditimbang di udara memiliki berat 75N namun apabila ditimbang di dalam suatu cairan tertentu, memiliki berat sebesar 55N. Tentukanlah gaya ke atas zat cair !

Berdasarkan ilustrasi yang diberikan di soal maka bagian a) dapat diperoleh dengan menggunakan konsep gaya angkat ke atas oleh fluida. Di sini, gaya angkat berperan sebagai pembantu dalam mengangkat benda di dalam zat cair sehingga gaya angkat ke atas adalah selisih antara berat benda di udara dan di dalam zat cair 

2) Tentukan massa jenis zat cair untuk kasus nomor 1) di atas !

karena benda tercelup seluruhnya di dalam zat cair maka volum cairan tak lain merupakan volum benda tersebut maka 

dengan menggunakan persamaan gaya angkat ke atas diperoleh :

Share :