Membongkar Gaya Apung dan Berat Semu
Kenapa Benda Terasa Ringan di Air?
Pernahkah kamu mengangkat temanmu di dalam kolam renang? Terasa jauh lebih ringan dibandingkan saat di darat, kan? Banyak yang mengira air "menekan" benda dari segala arah sampai benda itu seolah mengecil dan jadi ringan. Padahal, benda tidak menyusut sama sekali.
Mari kita lihat apa yang sebenarnya terjadi di bawah permukaan air.
Ketika sebuah benda (misalnya kubus) dicelupkan ke dalam fluida, ia memang mendapat tekanan dari segala arah—ini disebut tekanan hidrostatis. Tapi, perhatikan arah tekanannya:
Tekanan dari sisi kiri dan kanan seimbang dan saling membatalkan.
Tekanan dari atas mendorong benda ke bawah.
Tekanan dari bawah mendorong benda ke atas.
Karena bagian bawah kubus letaknya lebih dalam daripada bagian atasnya, maka dorongan air dari bawah jauh lebih kuat daripada dorongan dari atas. Selisih antara dorongan kuat ke atas dan dorongan lemah ke bawah inilah yang menghasilkan sisa dorongan ke atas.
Resultan dorongan ke atas inilah yang kita sebut sebagai Gaya Apung ($F_a$). Benda tidak mengecil, tapi mendapat "bantuan" angkatan dari air!
Berdasarkan konsep tekanan hidrostatis, apa yang sebenarnya menjadi penyebab utama munculnya Gaya Apung pada benda yang tercelup?
- A. Benda mengalami penyusutan volume saat berada di dalam cairan.
- B. Cairan menghilangkan gaya gravitasi yang bekerja pada benda.
- C. Tekanan cairan di bagian bawah benda lebih besar daripada di bagian atasnya.
- D. Massa jenis benda berkurang ketika menyentuh zat cair.
Jawaban: C. Tekanan cairan di bagian bawah benda lebih besar daripada di bagian atasnya.
Gaya apung (Fa) adalah resultan gaya akibat perbedaan tekanan hidrostatis. Karena bagian bawah benda lebih dalam, tekanan ke atas lebih kuat daripada tekanan ke bawah.
Gaya apung muncul karena tekanan fluida di bagian bawah benda lebih besar daripada di bagian atas benda akibat perbedaan kedalaman.
Rahasia Resep Gaya Apung
Sekarang kita tahu dari mana asalnya Gaya Apung ($F_a$). Tapi, seberapa besar dorongan ke atas itu?
Hukum Archimedes punya jawabannya: Besar Gaya Apung sama dengan berat cairan yang dipindahkan (digeser) oleh benda tersebut.
Banyak yang sering terkecoh dan mengira kalau benda terbuat dari besi yang berat, maka gaya apungnya beda dengan balok kayu. Ini adalah miskonsepsi. Massa jenis benda atau bahan benda sama sekali tidak mempengaruhi seberapa besar air mendorong benda tersebut! Massa jenis benda hanya menentukan apakah benda itu nantinya akan tenggelam atau mengapung.
Gaya Apung murni cuma butuh tiga "bahan baku":
Massa jenis FLUIDA (bukan massa jenis benda). Makin kental cairannya, makin kuat dorongannya.
Volume benda yang tercelup. Makin banyak volume benda yang masuk ke air, makin banyak cairan yang digeser, makin besar dorongannya.
Percepatan gravitasi bumi ($g$).
Coba mainkan simulasi di bawah ini untuk melihat sendiri bahwa mengubah massa jenis benda tidak mengubah panah Gaya Apung ($F_a$).
Ada dua buah kubus berukuran sama persis (volume sama), satu terbuat dari kayu dan satu lagi dari besi murni. Keduanya dicelupkan SELURUHNYA ke dalam kolam air yang sama. Manakah pernyataan yang benar terkait Gaya Apung yang dialami kedua kubus tersebut?
- A. Kubus besi mendapat gaya apung lebih besar karena massanya lebih besar.
- B. Keduanya mendapat gaya apung yang sama besar.
- C. Kubus kayu mendapat gaya apung lebih besar karena bisa mengapung.
- D. Tidak bisa ditentukan tanpa mengetahui kedalaman pasti cairan.
Jawaban: B. Keduanya mendapat gaya apung yang sama besar.
Gaya apung hanya dipengaruhi oleh volume benda yang tercelup dan massa jenis fluida. Karena ukuran (volume) kedua kubus sama dan berada di air yang sama, gaya apungnya pun identik!
Gaya apung bergantung pada volume benda yang tercelup, bukan massanya. Benda dengan volume sama akan mengalami gaya apung yang sama di fluida yang sama.
Mengeksekusi Rumus Archimedes
Dari "resep" di halaman sebelumnya, kita bisa menerjemahkan konsep Archimedes ke dalam rumus matematika yang sering kamu temui:
Jangan buru-buru dihafal! Rumus ini sebenarnya sangat logis kalau kita bedah pelan-pelan:
$\rho \times V$ : Ingat rumus massa ($m = \rho \times V$)? Jadi, mengalikan massa jenis cairan ($\rho$) dengan volume cairan yang digeser ($V$) sama saja dengan mencari Massa cairan yang dipindahkan (dalam satuan kg).
$m \times g$ : Kalau massa cairan ($m$) dikalikan dengan gravitasi ($g$), kita mendapatkan Berat cairan tersebut ($W = m \times g$).
Boom! Ini persis dengan kalimat Hukum Archimedes: Gaya apung = Berat cairan yang dipindahkan.
Mari kita substitusi angka dari soal:
$\rho_{minyak} = 800 \text{ kg/m}^3$
$V_{tercelup} = 0,001 \text{ m}^3$
$g = 10 \text{ m/s}^2$
$F_a = 800 \times 0,001 \times 10 = 8 \text{ Newton}$. Inilah besarnya gaya bantuan dari minyak ke arah atas!
Tentukan apakah pernyataan berikut mengenai rumus gaya apung Benar atau Salah!
- Hasil perkalian ρ_fluida × V_tercelup × g sebenarnya sedang menghitung berat cairan yang posisinya digantikan oleh benda. — Benar
- Nilai ρ yang dimasukkan ke dalam rumus tersebut adalah massa jenis benda yang dicelupkan. — Salah
- Volume benda dalam satuan cm³ harus dikonversi terlebih dahulu menjadi m³ sebelum dimasukkan ke dalam rumus. — Benar
Gaya apung menghitung BERAT zat cair yang didesak (Benar). Massa jenis yang dipakai adalah massa jenis zat cair, BUKAN benda (Salah). Satuan volume harus m³ agar satuannya setara menjadi Newton (Benar).
Rumus Fa = ρ × V × g menghitung berat zat cair yang dipindahkan, dengan ρ adalah massa jenis fluida dan V harus dalam m³.