Gaya Apung: Kenapa Benda Mengambang?
Seimbang Belum Tentu Sama
Pernahkah kamu bertanya-tanya, kalau besi itu massa jenisnya jauh lebih besar dari air, kenapa kapal laut raksasa yang terbuat dari baja murni bisa mengapung dengan indahnya?
Banyak yang berpikir benda mengapung itu otomatis berarti massa jenisnya sama dengan air. Padahal, rahasianya bukan pada massa jenis bahan pembuatnya, melainkan pada kesetimbangan gaya.
Ketika sebuah benda ditaruh di air, gravitasi menariknya ke bawah (Gaya Berat atau $W$). Namun, air juga membalas dengan mendorong ke atas (Gaya Apung atau $F_A$).
Benda akan berhenti tenggelam dan mulai mengapung tepat saat dorongan air ke atas persis sama besar dengan tarikan gravitasi ke bawah ($F_A = W$).
Syarat mutlak benda bisa mengapung adalah kesetimbangan gaya total, bukan kesamaan massa jenis rata-rata.
Mengapa kapal laut yang terbuat dari logam berat bisa mengapung tenang di lautan?
- A. Massa jenis kapal sama dengan massa jenis air.
- B. Gaya berat kapal lebih kecil dari gaya apung maksimal air.
- C. Gaya apung yang diterima lambung kapal sama besar dengan gaya berat total kapal.
- D. Kapal laut tidak memiliki gaya berat karena ada rongga udara.
Jawaban: C. Gaya apung yang diterima lambung kapal sama besar dengan gaya berat total kapal.
Syarat mengapung adalah kesetimbangan gaya (Fa = W). Kapal mengatur lambungnya agar bisa memindahkan cukup air sehingga menghasilkan gaya apung yang setara dengan berat total kapal.
Benda mengapung karena Gaya Apung menyeimbangkan Gaya Berat total benda, terlepas dari apa bahan dasar pembuat benda tersebut.
Misteri Benda 'Melayang'
Kadang kita terjebak pemikiran: "Kalau benda posisinya di bawah air (tenggelam semua badannya), pasti dia lebih berat atau massa jenisnya lebih besar dari air."
Padahal, posisi sebuah benda di dalam air bisa menceritakan persis berapa rasio massa jenisnya dibandingkan dengan air.
Bayangkan sebuah kapal selam atau ikan yang sedang berdiam diri alias melayang di tengah-tengah air laut. Ia tidak naik ke permukaan, tapi juga tidak jatuh berdebum ke dasar laut.
Dalam kondisi seluruh tubuhnya tercelup ini, gaya apung yang diterimanya sedang berada di nilai maksimal (karena seluruh volumenya memindahkan air). Kalau di titik maksimal ini gaya apungnya persis menyamai gaya beratnya ($F_A = W$), maka itu artinya massa jenis benda tersebut TEPAT SAMA dengan massa jenis air (sekitar $1 \text{ g/cm}^3$ untuk air tawar).
Benda melayang = seluruh volumenya nyelup = massa jenis benda $100$ sama dengan fluida sekitarnya.
Tentukan apakah pernyataan berikut mengenai kondisi benda di dalam fluida ini Benar atau Salah!
- Benda yang tidak terlihat di permukaan air pasti memiliki massa jenis yang lebih besar daripada air. — Salah
- Kapal selam yang diam (melayang) pada kedalaman 100 meter memiliki massa jenis yang sama dengan air laut di sekitarnya. — Benar
Posisi seluruh tubuh tercelup tidak berarti massa jenisnya lebih besar. Jika ia diam tanpa menyentuh dasar (melayang), maka massa jenis benda dan fluida adalah sama persis.
Benda melayang berarti seluruh volume tercelup tanpa tenggelam ke dasar, mengindikasikan massa jenisnya sama dengan fluida. Benda tenggelam ke dasar berarti massa jenisnya lebih besar dari fluida.
Puncak Gunung Es
Kamu pasti tahu pepatah "Hanya ujung gunung es (iceberg) yang terlihat"? Fenomena ini bukan sekadar kiasan puitis, melainkan demonstrasi luar biasa tentang perbandingan massa jenis alam.
Gambar: Andreas Weith, CC BY-SA 4.0 — Wikimedia Commons
Saat kamu melihat es batu mengapung di teh manismu atau gunung es raksasa di Antartika, cobalah perhatikan: mayoritas badannya (sekitar 90%) sebenarnya sembunyi di bawah permukaan air. Hanya bagian pucuknya yang kecil (10%) yang muncul ke udara.
Banyak yang mengira bahwa massa jenis es bisa dilihat dari bagian yang "mengapung" di atas. Ini adalah intuisi yang terbalik!
Bagian yang terceluplah yang bekerja memindahkan air untuk menghasilkan Gaya Apung. Artinya, es membutuhkan $90$ dari total volume tubuhnya buat ngebangkitin gaya apung yang cukup untuk menahan $100$ berat totalnya.
Jika kamu menemukan pelampung gabus di laut di mana 20% bagian gabus tersebut menyembul ke atas permukaan air (sisanya tidak terlihat), berapakah perkiraan massa jenis gabus tersebut?
- A. 20% dari massa jenis air
- B. 40% dari massa jenis air
- C. 60% dari massa jenis air
- D. 80% dari massa jenis air
Jawaban: D. 80% dari massa jenis air
Volume yang tercelup adalah yang memindahkan fluida untuk menghasilkan gaya apung. Jika 20% muncul, maka 80% tercelup. Jadi massa jenisnya 80% dari massa jenis air.
Rasio massa jenis benda terhadap fluida sebanding dengan rasio volume benda yang TERCELUP (bukan yang muncul di atas permukaan).