Materi Fisika, Rumus, dan Contoh Soal

Hukum Archimedes: Pengertian, Bunyi, Rumus, Contoh Soal

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".

hukum archimedes bunyi rumus contoh soal

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...

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.

kapal laut penerapan hukum archimedes

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.

kapal selam penerapan hukum archimedes
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.

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. 
 
jembatan ponton penerapan hukum archimedes

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.  

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 kapal penerapan hukum archimedes
 
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).
 
balon udara penerapan hukum archimedes
 
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. 

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:

balok dalam minyak
 
Diketahui:
  • Vbc = 2/3 x 12 = 8 m
  • 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:

benda tercelup minyak tanah
 
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.
Hukum Archimedes: Pengertian, Bunyi, Rumus, Contoh Soal Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Afdan Fisika

0 komentar:

Posting Komentar