Pengertian Gaya apung dan Prinsip Archimedes

Diposting pada

Gaya Apung : Pengertian, Prinsip Archimedes dan Rumus Adalah kemampuan suatu benda mengapung dalam cairan ataupun fluida. Hubungan berat benda dengan berat air yang dipindahkan ialah apa yang menentukan jika benda akan dapat mengapung

pengertian-gaya-apung


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Rumus Gaya Fisika


Pengertian Gaya Apung

Gaya apung ialah kemampuan suatu benda mengapung dalam cairan ataupun fluida. Hubungan berat benda dengan berat air yang dipindahkan ialah apa yang menentukan jika benda akan dapat mengapung; meskipun ukuran dan juga bentuk dari benda akan memiliki efek, mereka bukan alasan utama mengapa benda mengapung ataupun tenggelam.


Pada saat menimbang batu di dalam air, berat batu yang terukur pada timbangan pegas menjadi lebih kecil dibandingkan pada saat menimbang batu di udara (tidak di dalam air). Massa batu yang terukur pada timbangan lebih kecil karena ada gaya apung yang menekan batu ke atas. Efek yang sama akan dirasakan ketika kita mengangkat benda apapun dalam air. Batu atau benda apapun akan terasa lebih ringan jika diangkat dalam air. Hal ini bukan berarti bahwa sebagian batu atau benda yang diangkat hilang sehingga berat batu menjadi lebih kecil, tetapi karena adanya gaya apung. Arah gaya apung ke atas, alias searah dengan gaya angkat yang kita berikan pada batu tersebut sehingga batu atau benda apapun yang diangkat di dalam air terasa lebih ringan.


Gaya Apung

Fapung merupakan gaya total yang diberikan fluida pada batu (Fapung = F2-F1). Arah gaya apung (Fapung) ke atas, karena gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah batu (F2) lebih besar daripada gaya yang diberikan fluida pada bagian atas batu (F1). Hal ini dikarenakan tekanan fluida pada bagian bawah lebih besar daripada tekanan fluida pada bagian atas batu.


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian Keputusan – Proses, Tipe, Gaya, Tentatif, Terencana, Para Ahli


Prinsip Archimedes

Archimedes ialah Matematikawan yang hidup pada abad III SM, yang mendapat penghargaan dengan menemukan cara bagaimana kerja gaya apung. Menurut legendanya Archimedes masuk ke kamar mandi pada suatu hari dan juga melihat bahwa semakin Archimedes membenamkan dirinya di dalam air, semakin tinggi tingkat air yang akan naik. Dia menyadari bahwa tubuhnya tersebut menggeser air di bak mandi. yang setelahnya Archimedes memutuskan bahwa benda yang berada didalam airtnya akan kurang dari benda di udara. Melalui ini dan juga realisasi lainnya, Archimedes mendirikan apa yang kemudian dikenal dengan Prinsip Archimedes

Dalam kehidupan sehari-hari, kita akan menemukan bahwa benda yang dimasukan ke dalam fluida seperti air misalnya, memiliki berat yang lebih kecil daripada ketika benda tidak berada di dalam fluida tersebut.

Gaya apung terjadi karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang berbeda. Tekanan fluida bertambah terhadap kedalaman. Semakin dalam fluida (zat cair), semakin besar tekanan fluida tersebut. Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, maka akan terdapat perbedaan tekanan antara fluida pada bagian atas benda dan fluida pada bagian bawah benda.


Fluida yang terletak pada bagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang berada di bagian atas benda.

Prinsip Archimedes

Pada gambar di atas, tampak sebuah benda melayang di dalam air. Fluida yang berada dibagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang terletak pada bagian atas benda. Hal ini disebabkan karena fluida yang berada di bawah benda memiliki kedalaman yang lebih besar daripada fluida yang berada di atas benda (h2 > h1).

Archimedes ialah Matematikawan yang hidup pada abad III SM, yang mendapat penghargaan dengan menemukan cara bagaimana kerja gaya apung. Menurut legendanya Archimedes masuk ke kamar mandi pada suatu hari dan juga melihat bahwa semakin Archimedes membenamkan dirinya di dalam air, semakin tinggi tingkat air yang akan naik. Dia menyadari bahwa tubuhnya tersebut menggeser air di bak mandi. yang setelahnya Archimedes memutuskan bahwa benda yang berada didalam airtnya akan kurang dari benda di udara. Melalui ini dan juga realisasi lainnya, Archimedes mendirikan apa yang kemudian dikenal dengan Prinsip Archimedes:


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian Dan Rumus Gaya Gerak Listrik Beserta Contoh Soalnya Secara Lengkap


Dari Prinsip Archimedes memiliki 2 Gaya Apung ialah sebagai berikut :

Gaya Apung Positif

Sebuah benda yang mengapung didalam cairan akan dapat memiliki gaya apung positif. hal tersebur berarti bahwa jumlah air yang dipindahkan oleh benda berat tersebut lebih besar dari benda itu sendiri. Misalnya, perahu yang beratnya 23 kg, tetapi memindahkan 45 kg air akan mudah mengapung. Perahu yang menggantikan berat air yang lebih besar sebagian karena ukuran dan bentuk; sebagian besar interior perahu adalah udara, yang sangat ringan. Hal ini menjelaskan mengapa kapal laut yang berukuran besar dapat mengapung: asalkan air yang dipindahkan beratnya lebih besar dari kapal-kapal itu sendiri, mereka tidak akan tenggelam.


Gaya Apung Negatif

Gaya apung negatif inilah yang akan menyebabkan benda tenggelam. Hal tersebut mengacu pada sebuah benda yang berat badannya lebih dari berat cairan yang dipindahkan. Contohnya ialah kerikil mungkin memiliki berat hanya 25 gram, namun jika hanya memindahkan 15 gram air, tidak akan bisa mengapung. Jika kapal tersebut setelah dimuat memiliki berat 23 kg dengan ditambah 34 kg dari barang bawaan, itu akan tidak lagi mengapung sebabkan berat totalnya menjadi 56 kg lebih berat dari berat air yang dipindahkan yaitu sebesar 45 kg.

Hal tersebut juga memungkinkan untuk sebuah benda menjadi apung netral atau melayang di air. hal tersebut berarti bahwa berat benda dan juga jumlah cairan yang digantikan yang hampir sama. Sebuah benda apung netral akan dapat melayang-layang dalam cairan, tidak tenggelam maupun mengambang. Sebuah kapal selam dapat juga menyesuaikan berat badan dengan menambahkan ataupun mengeluarkan air dalam tangki khusus yang disebut tangki ballast. Dengan keseimbangan ballast-nya, kapal selam akan dapat melayang-layang di berbagai tingkatan dibawah permukaan air tanpa harus tenggelam.


Ukuran dan Bentuk

Berapa banyak dari permukaan suatu benda dapat menyentuh permukaan air yang memiliki efek pada suatu daya apung. Sebuah kapal yang sangat besar ini akan memiliki banyak area permukaan, yang berarti bahwa berat badan pada kapal yang tersebar dibanyak air, semuanya akan dapat mendorong pada kapal. Apabila kapal yang sama berada di air dengan bentuk busur yang dapat mengarah ke bawah, itu akan dapat mulai tenggelam disebabkan karena semua berat terkonsentrasi di satu area kecil, dan juga air itu menggusur berat kurang dari berat kapal.


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian, Dan Rumus Gaya Lorentz Beserta Contohnya Secara Lengkap


Rumus Fisika Hukum Archimedes

Rumus fisika yang dipakai pada hukum archimedes / Gaya Apung

Ketika sebuah benda berada di dalam air, air yang berada di bagian atas medorong benda ke bawah dan air yang berada di bagian bawah mendorong benda ke atas. Besar gaya apung :

Rumus fisika


Keterangan :

  • (rho) = Massa jenis air (Kg/m3)
  • g = Percepatan gravitasi (9,8 m/s2),
  • V = Volume benda yang tercelup di dalam air (m3),
  • A = Luas permukaan benda (m2),
  • h = h2 – h1 = Perbedaan kedalaman fluida yang berada di atas dan di bawah benda yang tercelup dalam air (m)

Fluida (air) yang berada di kedalaman h2 mempunyai tekanan atau gaya dorong lebih besar dibandingkan fluida (air) yang berada di kedalaman h1. Adanya perbedaan tekanan atau gaya dorong menimbulkan gaya total yang arahnya ke atas. Fluida (air) yang berada di sebelah kiri dan kanan benda mempunyai kedalaman yang sama sehingga resultan gaya sama dengan nol.


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian, Rumus Dan Contoh Gaya Gesek Secara Lengkap


Kesetimbangan Benda Terapung

Kesetimbangan Benda Terapung

Membicarakan kesetimbangan benda terapung maka kita akan merujuk padaprinsip Archimedes, yakni:  “Gaya apung yang bekerja pada benda yang terbenam di dalam zat cair memilikikesesuaian dengan berat zat cair yang berpindah dari benda, dan bereaksi memberikantekanan keatas melewati pusat volumenya”. atau lebih mudah dikenal dengan bunyi: “Gaya apung memiliki besar sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh bendadan mengarah vertikal ke atas.”


Sebuah benda dikatakan stabil apabila benda tersebut kembali ke posisikesetimbangannya semula apabila benda tersebut diusik (meskipun sedikit). Untuk bendaterapung, masalah kestabilan lebih rumit karena jika benda berotasi, lokasi dari pusatapungnya bisa berubah

prinsip kesetimbangan

Pada prinsip kesetimbangan benda terapung kita juga mengenal adanya metacenter M yang merupakan titik pertemuan garis-garis yang bekerja pada gaya apung sebelum dansetelah rotasi benda tersebut atau titik perpotongan antara sumbu vertikal dengan garisvertikal yang melalui centre of buoyancy* pada saat menempati kedudukan barunya (padasaat miring).


Kondisi stabilitas

Kondisi stabilitas benda terendam maupun terapung dapat diketahui berdasarkan tinggi metasentrumnya( M ).

Sehingga benda terapung akan dikatakan:

  1. Stabil, apabila titik M (metacenter) berada diatas titik G (gravitasi) atau beratbenda yang terapung berada di bagian bawah dan pusat gravitasi berada tepatsecara langsung dibawah pusat daya apung B(buoyancy).
  2. Tidak stabil, apabila titik M (metacenter) berada dibawah titik G (gravitasi).

Apabila sebuah benda terapung di tinggi-rendahkan pada garis vertikal, makabenda tersebut akan kembali pada posisi awalnya atau aslinya. Ukuran kesetimbanganuntuk benda terapung adalahGM (metacentric height) yakni jarak antara pusat gravitasidan metacenter. Jadi, semakin luasGM , maka benda yang terapung tersebut akan semakinstabil.


Berikut dapat dinyatakan rumus awal dari gaya apung :

Fa = F2 – F1
= h2 x A x g x – g x h1 x A x
= (h2- h1) g x A x
= h x A x g x
= V x g x
( karena A h = V adalah volume benda yang tercelup dalam fluida)

Perhatikan  x V = Mf  adalah massa fluida yang di  pindahkan oleh benda  Vbf g = Mf x g adalah berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Jadi gaya apung Fa yang dikerjakan fluida pada benda sama dengan berat fluida yang di pindahkan oleh benda . Ini sesuai dengan hukum Archimedes : gaya apung yang terjadi pada suatu  benda yang di celupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang di pindahkan oleh benda tersebut .

Fa   = Mf x g
Fa   = Vbf x x g
Fa   = gaya apung
g     = gravitasi
Vbf = volume benda yang tecelup
= massa jenis fluida


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian, Dan Rumus Gaya Berat Beserta Contoh Soalnya Lengkap


Penerapan Kesetimbangan Benda Terapung

Dari pembahasan sekilas mengenai prinsip kesetimbangan benda terapung, kitadapat melakukan penerapan pada benda. Penerapan kesetimbangan benda terapung palingmudah kita temukan yakni pada perahu atau kapal.Pembuatan lambung perahu atau kapaltentu saja dengan perhitungan yang telitimengenai kesetimbangan sehingga kapaltersebut akan aman untuk digunakan saatberlayar. Gaya apung dan gaya berat kapalharus berada pada garis yang sama sehinggadidapatkan momen nol.

Penerapan Kesetimbangan Benda Terapung

Keterangan:

  • a. M.C : metacenter
  • b. c.g : pusat gravitasi
  • c. W: gaya berat benda
  • d. FB : gaya apung
  • e. C.B: pusat/titik apung
  • f. BM: jarak metacenter dan buoyancy

Pada gambar (A). Kapal dalam keadaan setimbang ,dengan syarat/ketentuan centreof gravity – nya berada diatas centre of buoyancy dan dalam satu garis lurus. Garis lurusyang melalui kedua titik tersebut dinamakan : Sumbu vertikal (vertical axis) dari bendatersebut/kapal.

Pada gambar (B). Jika kapal diputar sedikit maka centre of buoyancy-nya akanberubah letaknya karena fluida yang dipindahkan volume akan berubah/baik bentuk maupun besarnya. Akibatnya, gaya berat dan gaya buoyancy akan membentuk momenkopel untuk mengembalikan kapal pada posisi seimbang.Sebuah kapal dapat berada dalam posisi sudut kemiringan maksimal tanpa terbalik,namun apabila melebihi sudut tersebut ia dapat tenggelam. Selain itu, suatu bendaterapung (kapal) akan kembali pada posisi titik kesetimbangannya setelah menerimagangguan dalam suatu batas tertentu. Jika gelombang gangguan terlalu besar maka bendatersebut tidak akan kembali pada posisi kesetimbangannya. Situasi ini dideskripsikansebagai kesetimbangan dapat terjadi pada batas level gangguan tertentu, namun akanmenjadi tidak stabil apabila melebihinya.


Menurut Archimedes, besar gaya apung pada suatu benda, sangat dipengaruhi olehvolume benda yang tercelup ke dalam air. Semakin besar volume benda yang tercelupsemakin besar gaya apungnya. Suatu kapal besar dapat mengapung karena gaya apungnyasangat besar (ini disebabkan karena ukuran kapal yang besar sehingga volume kapal yangtercelup sangat besar). Disamping itu gaya apung juga dipengaruhi oleh kerapatan(densitas atau massa jenis) dari cairan. Semakin besar massa jenis cairan semakin besargaya apungnya.Kita mengetahui bahwa apabila massa jenis suatu benda lebih kecil dari massa jenis fluida cair, maka benda akan terapung. Sebaliknya jika masa jenis suatu benda lebihbesar dari masa jenis fluida cair maka benda tersebut akan tenggelam.


Jika kita meninjausebuah kapal laut yang sebagian besar terbuat dari logam, Massa jenis besi dan baja =7800 kg/m3 sedangkan masa jenis air = 1000 kg/m3. Tampak bahwa kerapatan besi danbaja lebih besar dari kerapatan air.Namun kapal tidak tenggelam dan dapatterapung. Karena di dalam konstruksi sebuah kapal,khususnya yang tercelup di dalam air dibuatberongga. Dengan demikian jika dibandingkandengan kerapatan air, sebenarnya kerapatan totalkonstruksi kapal jauh lebih kecil. Jadi sebagian besarruang di konstruksi kapal yang tercelup dalam airdiisi oleh udara. Dengan demikian kapal memiliki cadangan gaya apung yang lebih disamping ”ruangan” yang demikian luas beserta rongga berisi udara yang menjadikan ”volume” kapal laut menjadi sedemikian besar dan mengakibatkan massa jenisnya menjadi lebih kecil.


Baca Juga Artikel Yang Mungkin Berhubungan : Pengertian Dan 10 Macam Gaya Renang


Contoh Gaya Apung

  • Kapal / Perahu

Kapal

Pelampung tandon air yang berfungsi menghentikan debit air masuk ketika tandon air/tanki mulai terisi penuh

ANALISA PERHITUNGAN

  • Sepotong campuran emas dan aluminium mempunyai masa 15 kg . Apabila di gantungkan pada neraca pegas lalu di celupkan ke dalam air ,maka neraca menunjuk 7 kg .Berapa perbandingan antara kedua logam campuran tersebut jika massa  jenis emas …..dan massa jenis Al adalah ……?

Diketahui :
massa saat di udara = 15 kg
Massa saat di dalamair = 7 kg

Hukum archimedes :
pengurangan berat air = gaya Archimedes
( 15 – 7 ) kg x g = air x g x V_bf
8 kg = 1000 kg /m3 x V_bf
Volume logam = = 8 x〖10〗^(-3) m^3
M campuran = Memas + Mal
15 kg = emas x Vemas + aluminium x V Al

Kita misalkan Vemas adalah α , maka
15 kg = 19300kg/m3 x α+2700 Kg/m3( 8x 〖10〗^(-3) m3 – α )
Vemas = 3,97 x〖10〗^(-4) m3
V Al = 4 x〖10〗^(-3)m3 – 3,97 x〖10〗^(-4) m3
= 3,60 x〖10〗^(-3)m3