Hukum Archimedes adalah hukum yang berbunyi "suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut".
Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas tentang salah satu hukum dalam zat cair, yaitu Hukum Archimedes.
Materi ini merupakan kelanjutan dari beberapa materi yang telah lalu berkaitan
dengan tekanan pada zat cair, yaitu
Hukum Pascal,
tekanan hidrostatis, dan
bejana berhubungan.
Sesuai dengan namanya, hukum ini ditemukan oleh ilmuwan besar dan terkenal di masa lalu, bahkan sampai sekarang, bernama Archimedes (287 SM - 212 SM).
Jika dilihat dari masa hidup Archimedes, hukum ini telah berusia lebih dari 2.000 tahun lamanya. Coba, bayangkan betapa jeniusnya orang-orang di masa lalu.
Namun, kita yang hidup di masa sekarang jangan mau kalah yah. Kalian harus bisa menguasai hukum ini dengan baik.
Lantas, seperti apa sih hakikat hukum Archimedes itu? Bagaimana bunyi hukumnya? Nah, semuanya akan dibahas tuntas dalam materi ini lengkap dengan rumus dan contoh soalnya.
Baiklah, kita mulai saja pembahasannya...
Daftar Isi
Pengertian Hukum Archimedes
Apa yang dimaksud dengan hukum Archimedes? Jadi, hukum Archimedes adalah hukum
yang menguraikan tentang gaya ke atas yang diberikan oleh fluida, yaitu zat
cair dan gas.
Hukum Archimedes berbunyi:
Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Gaya ke atas yang disebutkan dalam hukum ini sering juga disebut dengan gaya apung.
Dengan hukum ini, kita jadi mengerti tentang fenomena benda ketika diangkat di dalam air terasa lebih ringan dibandingkan pada saat di luar air, penyebabnya adalah adanya gaya ke atas itu.
Fenomena lainnya yang bisa dijelaskan dengan hukum Archimedes adalah
benda-benda ketika dicelupkan ke dalam air, ada yang terapung, melayang, dan
tenggelam.
Pasti di antara kalian ada yang penasaran tentang bagaimana sih cara Archimedes menemukan hukum ini? Tentu saja ada riwayatnya.
Oleh karena itu, sebelum kita lanjut lebih jauh, mungkin ada baiknya kalian simak terlebih dahulu cerita sejarah penemuan hukum Archimedes ini.
Sejarah Penemuan Hukum Archimedes
Banyak riwayat yang menceritakan bahwa konon katanya hukum ini ditemukan
secara tidak sengaja oleh Archimedes.
Masa iya sih hukum sejenius ini bermula dari ketidaksengajaan? Yah, cerita
yang populer beredar memang seperti itu.
Jadi, penemuan hukum ini bermula dari tugas sulit yang diberikan oleh penguasa
Kerajaan Sycarus di Sisilia (sekarang Italia), yakni
Raja Hieron II
kepada Archimedes.
Archimedes ditugaskan untuk mencari tahu kemurnian emas dari mahkota sang raja
yang baru saja dibuat oleh seorang tukang. Apakah murni emas atau telah
dicampur oleh bahan lain?
Sebenarnya, tugas ini cukup mudah sebab hanya memeriksa tingkat kemurnian
emas. Namun, yang membuat tugas ini berubah jadi sulit adalah mahkota tersebut
tidak boleh dibongkar atau harus diperiksa dalam bentuk mahkota utuh.
Titah telah diberikan, bagaimanapun juga perintah dari seorang raja wajib
dilaksanakan. Archimedes tidak punya kuasa untuk menolak.
Bisa kalian bayangkan sendiri, betapa pusingnya Archimedes pada saat itu.
Bagaimana bisa memeriksa dugaan campuran sebuah bahan tanpa harus
membongkarnya?
Saking pusingnya, Archimedes sampai tidak berani menampakkan wajah di hadapan
sang raja untuk waktu yang lumayan lama.
Tubuhnya merasa letih dan lelah memikirkan solusi dan jawaban dari tugas sang
raja. Di tengah kelelahan yang ia rasakan, ia menceburkan diri di dalam bak
mandi umum yang penuh dengan air.
Archimedes ingin mengistirahatkan pikirannya sejenak sambil menikmati sejuknya
air. Namun, siapa sangka di dalam bak mandi itulah ia mendapatkan ilham.
Mata Archimedes tertuju pada fenomena tumpahnya air ketika tubuhnya masuk ke
dalam bak. Ia sampai mengulanginya beberapa kali, keluar masuk bak mandi.
Seketika, pikirannya menjadi tercerahkan. Ia sangat yakin bahwa ada hubungan
antara tumpahnya air ke lantai dengan bobot tubuhnya yang memasuki bak.
Archimedes kegirangan, ia telah menemukan jawaban dari tugas sang raja. Saking
girangnya, ia keluar dari bak mandi dan berlari mengelilingi kota sambil
meneriakkan kata "Eureka! Eureka!", artinya "Sudah kutemukan! Sudah
kutemukan!".
Konon katanya, ia berlari sambil telanjang...😁😁😁
Dengan cara ini, Archimedes berhasil menguak bahan mahkota sang raja yang
ternyata tidak murni emas karena telah dicampur dengan perak.
Menurut cerita, si tukang pembuat mahkota di hukum mati karena telah
membohongi sang raja.
Bunyi Hukum Archimedes
Dari dalam bak mandi, Archimedes menemukan hukumnya. Hukum Archimedes
berbunyi:
Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut
Jadi, inti dari hukum Archimedes adalah gaya ke atas yang diberikan oleh zat cair yang dicelupkan ke dalamnya, sebagaian atau seluruhnya.
Kita tidak memerlukan alat pengukur gaya (dinamometer) untuk mengetahui besar gaya ke atas ini, sebab menurut Archimedes besar gayanya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.
Rumus Hukum Archimedes
Rumus hukum Archimedes disebut juga dengan rumus gaya Archimedes atau rumus
gaya ke atas. Sering juga disebut dengan rumus gaya apung.
Pada bagian ini, kita akan menurunkan rumus hukum Archimedes dari
pernyataan-pernyataannya dalam hukum tersebut.
Archimedes mengatakan bahwa
"gaya ke atas besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan",
pernyataan ini bisa dituliskan dengan persamaan:
FA = w....(1)
Oleh karena, w = m . g, maka persamaan (1) bisa dituliskan lebih lanjut
menjadi:
FA = m . g...(2)
Dalam kaitannya dengan massa jenis, m adalah perkalian antara massa
jenis (ρ) dan volume (V) atau m = ρ . V. Sehingga, persamaan
(2) bisa ditulis menjadi:
FA = ρ . V . g...(3)
Besaran volume (V) pada persamaan (3) di atas adalah volume zat cair yang
dipindahkan. Tetapi, bisa juga diartikan sebagai volume benda yang tercelup
karena keduanya ekuivalen atau sama.
Namun, paling sering diartikan sebagai volume benda tercelup. Untuk tujuan
ini, maka rumus hukum Archimedes pada persamaan (3) dituliskan lebih lanjut
menjadi:
FA = ρ . g . Vbc (Rumus Hukum
Archimedes)
Keterangan:
- FA = gaya Archimedes atau gaya ke atas (N)
- ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
- g = percepatan gravitasi (m/s2)
- Vbc = volume benda yang tercelup (m3)
Jika sistem dalam keadaan setimbang, maka berlaku:
FA = w
ρ . g . Vbc = ρb . g
. Vb
ρ . Vbc = ρb . Vb
Keterangan:
- ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
- Vbc = volume benda tercelup (m3)
- ρb = massa jenis benda (kg/m3)
- Vb = volume benda seluruhnya (m3)
Contoh Penerapan Hukum Archimedes
Dengan hukum Archimedes, kita bisa mengerti mengapa benda ketika dimasukkan
ke dalam air, ada yang terapung, melayang, dan tenggelam.
- Benda akan terapung ketika berat benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (FA) zat cair (w < FA), atau ketika massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis air (ρbenda < ρair).
- Benda akan melayang ketika berat benda (w) sama dengan gaya ke atas (FA) zat cair (w = FA) atau ketika massa jenis benda sama dengan massa jenis air (ρbenda = ρair).
- Benda akan tenggelam ketika berat benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (FA) zat cair (w > FA) atau ketika massa jenis benda lebih besar dari massa jenis air (ρbenda > ρair).
Ingat, rumus berat benda (w) adalah w = m . g, di mana
m adalah massa benda (kg) dan g adalah percepatan gravitasi
(m/s2).
Selain itu, prinsip hukum Archimedes juga diterapkan pada pembuatan berbagai jenis peralatan dan teknologi. Berikut ini beberapa contohnya:
1. Kapal Laut
Kalian pasti sering melihat kapal laut. Tidak sedikit yang bertanya, kok
bisa yah kapal laut sebesar itu bisa terapung? Apalagi, terbuat dari besi.
Padahal, ketika kita memasukkan sepotong besi ke dalam air, pasti akan
langsung tenggelam. Lantas, mengapa kapal laut tidak?
Fenomena ini bisa dijelaskan dengan hukum Archimedes. Agar kapal laut
terapung, maka gaya ke atas air laut harus lebih besar daripada berat kapal
laut atau FA > w.
Bagaimana caranya agar gaya ke atas air laut bisa lebih besar? Sekarang,
coba perhatikan rumus hukum Archimedes di atas, gaya ke atas (FA)
dipengaruhi oleh tiga variabel, yaitu massa jenis zat cair, percepatan
gravitasi, dan volume benda tercelup.
Variabel yang bisa kita utak-atik adalah volume (V), dalam hal ini adalah
volume kapal laut. Volume kapal laut bisa diperbesar dengan membuat dimensi
alas bawah melebar.
Cara kedua adalah mengurangi bobot kapal laut dengan membuat lambung kapal
menjadi berongga.
Rongga pada kapal laut ini nantinya akan terisi udara sehingga membuat massa
jenis total kapal akan lebih kecil dari massa jenis air laut (Ingat, massa
jenis udara lebih kecil dari massa jenis air laut).
2. Kapal Selam
Selain kapal laut, hukum Archimedes juga diterapkan pada pembuatan kapal
selam. Berbeda dengan kapal laut yang selalu mengapung, kapal selam adalah
kapal laut yang bisa terapung dan menyelam.
Saat menyelam, udara di tangki pemberat dikelurakan melalui lubang
penggenang dan digantikan dengan air. Hal ini mengakibatkan massa jenis
kapal selam lebih besar sehingga gaya beratnya lebih besar daripada gaya
ke atas oleh air.
Sebaliknya, untuk naik ke permukaan, udara bertekanan yang dibawa oleh kapal selam dipompakan masuk ke dalam tangki pemberat sehingga airnya keluar. Massa jenis kapal selam menjadi lebih kecil sehingga gaya ke atasnya lebih besar daripada gaya berat kapal.
Sebaliknya, untuk naik ke permukaan, udara bertekanan yang dibawa oleh kapal selam dipompakan masuk ke dalam tangki pemberat sehingga airnya keluar. Massa jenis kapal selam menjadi lebih kecil sehingga gaya ke atasnya lebih besar daripada gaya berat kapal.
3. Jembatan Ponton
Hukum Archimedes juga diterapkan pada jembatan ponton atau jembatan
apung. Jembatan ponton adalah jembatan yang terbuat dari drum-drum
berongga yang mengapung di air, bagian atasnya diberi papan sebagai
tempat berjalan.
Rongga pada drum seluruhnya berisi udara yang akan membuat massa jenis
total drum akan lebih kecil dari massa jenis air.
Akibatnya, drum akan mengapung karena gaya ke atas air lebih besar dari
gaya berat drum. Drum harus dijaga dari masuknya air agar gaya apungnya
tidak berkurang.
4. Hidrometer
Selain itu, hukum Archimedes juga diterapkan pada hidrometer, yaitu
alat untuk mengukur berat jenis atau massa jenis zat cair.
Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya tabung kaca terapung tegak dalam zat cair, bagian bawahnya dibebani dengan butiran timbal.
Jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam.
Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya tabung kaca terapung tegak dalam zat cair, bagian bawahnya dibebani dengan butiran timbal.
Jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam.
5. Galangan Kapal
Kalian tahu tidak apa itu galangan kapal? Jadi, galangan kapal
adalah tempat untuk memperbaiki atau membuat kapal.
Untuk memperbaiki kerusakan pada bagian bawah kapal, maka kapal
perlu diangkat dari dalam air. Alat yang digunakan untuk mengangkat
bagian bawah kapal itulah yang dinamakan galangan kapal.
Cara kerja galangan kapal mirip dengan kapal selam, yakni bisa
tenggelam dan mengapung dengan memanfaatkan keluar masuknya udara
dan air.
Galangan akan tenggelam pada saat seluruh rongga-rongganya diisi
penuh dengan air. Ketika akan diangkat, maka air tersebut
dikeluarkan dari rongga dengan menggunakan udara bertekanan.
6. Balon Udara
Prinsip hukum Archimedes juga diterapkan pada balon udara. Sama
halnya pada zat cair, balon udara bisa melayang karena perbedaan
massa jenis balon dan udara di sekitarnya.
Balon diisi dengan sejenis gas yang memiliki massa jenis yang
lebih kecil dari udara. Umumnya, gas yang dipilih adalah Helium
(He).
Massa jenis He lebih kecil dari massa jenis udara yang didominasi
oleh Nitrogen, Oksigen, dan karbondioksida.
Hal ini menyebabkan balon yang berisi gas He itu terapung di udara karena gaya ke atas udara yang lebih besar dari bobot balon.
Hal ini menyebabkan balon yang berisi gas He itu terapung di udara karena gaya ke atas udara yang lebih besar dari bobot balon.
Contoh Soal Hukum Archimedes
Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang hukum
Archimedes:
1. Sebuah drum besi dapat mengapung di dalam air disebabkan oleh?
Jawaban:
Drum besi dapat mengapung di dalam air karena disebabkan
oleh massa jenis total drum lebih kecil dari massa jenis
air. Akibatnya, berat drum akan lebih kecil dari gaya ke
atas air (gaya Archimedes).
Massa jenis total drum menjadi lebih kecil karena rongganya
terisi udara. Ingat, massa jenis udara lebih kecil dari
massa jenis air.
2. Kapal laut dapat terapung dipermukaan air karena?
Jawaban:
Kapal laut dapat terapung dipermukaan air karena berat
kapal laut lebih kecil dari gaya ke atas air laut. Berat
kapal menjadi lebih kecil karena lambung kapal yang
dibuat berongga.
Rongga tersebut akan terisi penuh udara, akibatnya massa
jenis kapal akan lebih kecil dari massa jenis air laut.
3. Sebutkan teknologi yang menggunakan prinsip Archimedes
Jawaban:
Contoh teknologi yang menggunakan prinsip Archimedes
adalah kapal laut, kapal selam, hidrometer, jembatan
ponton, galangan kapal, dan balon udara.
Contoh Soal 4
Sebuah balok kayu yang memiliki volume 12 m3 sedang terapung diatas minyak yang memiliki massa
jenis sebesar 750 kg/m3. Apabila 1/3
dari balok kayu tersebut muncul di permukaan minyak,
maka berapakah gaya tekan ke atas yang dimiliki oleh
balok kayu tersebut?
Jawaban:
Diketahui:
- Vbc = 2/3 x 12 = 8 m3
- ρ = 750 kg/m3
- g = 10 m/s2
Ditanyakan:
- FA ......?
Penyelesaian:
FA = ρ . g . Vbc
= 750 . 10 . 8
= 60.000 N
Jadi, gaya tekan ke atas yang dimiliki balok
adalah 60.000 N.
Contoh Soal 5
Sebuah benda di masukkan kedalam minyak tanah
(massa jenis = 0,8 g/cm3). Ternyata 25% dari volume benda
terapung di atas permukaan minyak tanah.
Tentukan massa jenis benda tersebut...
Jawaban:
Diketahui:
- ρ = 0,8 g/cm3
- Vb = 100%
-
Vbc = Vb - 25% =
100% - 25% = 75%
Ditanyakan:
- ρb.....?
Penyelesaian:
ρ . Vbc = ρb
. Vb
0,8 . 75% = ρb
. 100%
ρb = 0,8 . 75%/100%
= 0,8 . 0,75
= 0,6
g/cm3
Jadi, massa jenis benda tersebut adalah
0,6 g/cm3.
Kesimpulan
Jadi, hukum Archimedes berbunyi "suatu benda yang dicelupkan
sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang
besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut".
Gimana adik-adik, udah paham kan materi Hukum Archimedes di atas? Jangan lupa lagi yah.
Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.
0 komentar:
Posting Komentar