Penerapan Hukum Archimedes

Penerapan Hukum Archimedes- Anda tentunya sering melihat kapal yang berlayar di laut, benda-benda yang terapung di permukaan air, atau batuan-batuan yang tenggelam di dasar sungai. Konsep terapung, melayang, atau tenggelamnya suatu benda di dalam fluida, kali pertama diteliti oleh Archimedes. Menurut Archimedes, benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, akan mengalami gaya ke atas. Besar gaya ke atas tersebut besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Secara matematis, Hukum Archimedes dituliskan sebagai berikut.

gaya ke atas

dengan: FA = gaya ke atas (N),

ρf = massa jenis fluida (kg/m3),

Vf = volume fluida yang dipindahkan (m3), dan

g = percepatan gravitasi (m/s2).

Dapat dilihat bahwa besarnya gaya ke atas yang dialami benda di dalam fluida bergantung pada massa jenis fluida, volume fluida yang dipindahkan, dan percepatan gravitasi Bumi. Anda telah mengetahui bahwa suatu benda yang berada di dalam fluida dapat terapung, melayang, atau tenggelam, berikut uraiannya.

a. Terapung

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan terapung jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρb < ρf). Massa jenis benda yang terapung dalam fluida memenuhi persamaan berikut.

Massa jenis benda yang terapung

atau

Massa jenis benda yang terapung 1

dengan: Vbf = volume benda yang tercelup dalam fluida (m3),

Vb = volume benda (m3),

hbf = tinggi benda yang tercelup dalam fluida (m),

hb = tinggi benda (m),

ρb = massa jenis benda (kg/m3), dan

ρf = massa jenis fluida (kg/m3).

Balok kayu bervolume 100 cm3 dimasukkan ke dalam air

Gambar 7.13Balok kayu bervolume 100 cm3 dimasukkan ke dalam air.

Sebuah balok kayu ( ρ = 0,6 kg/m3) bermassa 60 g dan volume 100 cm3dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 60 cm3 kayu tenggelam sehingga volume air yang dipindahkan sebesar 60 cm3 ( 0,6 N ).

b. Melayang

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan melayang jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (ρb= ρf). Dapatkah Anda memberikan contoh benda-benda yang melayang di dalam zat cair?

c. Tenggelam

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan tenggelam jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida (ρb > ρf). Jika benda yang dapat tenggelam dalam fluida ditimbang di dalam fluida tersebut, berat benda akan menjadi

berat benda dalam fluida

atau

berat benda dalam fluida 1

dengan: wbf = berat benda dalam fluida (N), dan

w = berat benda di udara (N).

Balok aluminium

Gambar 7.14 (a) Balok aluminium dengan volume 100 cm3 di udara. (b) Balok aluminium dengan volume 100 cm3 ditimbang di dalam air Apakah beratnya sama?

Perhatikanlah Gambar 7.14. Aluminium (ρ = 2,7 g/cm3) yang bermassa 270 g dan memiliki volume 100 cm3, ditimbang di udara. Berat aluminium tersebut sebesar 2,7 N. Ketika penimbangan dilakukan di dalam air, volume air yang dipindahkan adalah 100 cm3 dan menyebabkan berat air yang dipindahkan sebesar 1 N (m = ρV dan w = mg). Dengan demikian, gaya ke atas FA yang dialami aluminium sama dengan berat air yang dipindahkan, yaitu sebesar 1 N. Berat aluminium di dalam air menjadi

wbf = w FA

= 2,7 N – 1 N

= 1,7 N

Contoh soal penerapan hukum Archemedes

1. Sebuah batu memiliki berat 30 N Jika ditimbang di udara. Jika batu tersebut ditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm3, tentukanlah:

a. gaya ke atas yang diterima batu,

b. volume batu, dan

c. massa jenis batu tersebut.

Jawab

Diketahui: w = 30 N, wbf = 21 N, dan ρair = 1 g/cm3.

gaya ke atas yang diterima batu

ρair = 1 g/cm3 = 1.000 kg/m3

a. wbf = w FA

21 N = 30 N – FA

FA = 9 N

b. FA = ρairVbatu g

9 N = (1.000 kg/m3) (Vbatu) (10 m/s2)

Vbatu = 9 × 10–4 m3

c.

massa jenis batu tersebut

2. Sebuah bola logam padat seberat 20 N diikatkan pada seutas kawat dan dicelupkan ke dalam minyak ( ρminyak = 0,8 g/cm3). Jika massa jenis logam 5 g/cm3, berapakah tegangan kawat?

Jawab

bola logam padat

Diketahui: wbola = 20 N, ρ minyak = 0,8 g/cm3, dan ρ logam = 5 g/cm3.

Berdasarkan uraian gaya-gaya yang bekerja pada bola, dapat dituliskan persamaan

T + FA = w

T = w FA = w – ρminyakVbola g

tegangan kawat

tegangan kawat 1

T = 16,8 N.

3. Sebuah benda memiliki volume 20 m3 dan massa jenisnya = 800 kg/m3. Jika benda tersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1.000 kg/m3, tentukanlah volume benda yang berada di atas permukaan air.

Jawab

Diketahui: Vbenda = 20 m3, ρ benda = 800 kg/m3, dan ρ air = 1.000 kg/m3.

Volume air yang dipindahkan = volume benda yang tercelup

FA = ρair Vair-pindah g = berat benda

= ρair Vbagian tercelup g = mg

ρair Vbagian tercelup = ρbenda Vbenda

(1 kg/m3) (Vbagian tercelup) = (800 kg/m3) (20 m3)

Vbagian tercelup = 16 m3

Vmuncul = 20 m3 – 16 m3 = 4 m3.

4. Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 25% dari volume benda terapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?

Jawab:

25% dari volume benda terapung di atas permukaan air

Diketahui: Vbenda terapung = 25%.

wbenda = FA

mg = ρairVbenda tercelup g

ρairVbenda g = ρairVbenda tercelup g

masa jenis benda

besar masa jenis benda

Aplikasi Hukum Archimedes

Hukum Archimedes banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, di antaranya pada hidrometer, kapal laut, kapal selam, balon udara, dan galangan kapal. Berikut ini prinsip kerja alat-alat tersebut.

a. Hukum Archimedespada Hidrometer

Hidrometer

Gambar 7.15Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hidrometer dilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akan menunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur. Berikut ini prinsip kerja hidrometer.

Gaya ke atas = berat hidrometer

FA = whidrometer

ρ1V1 g = mg

Oleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer sama dengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup maka dapat dituliskan

ρ1 (Ah1) = m

tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair

dengan: m = massa hidrometer (kg),

A = luas tangkai (m2),

hf = tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair (m), dan

ρf = massa jenis zat cair (kg/m3).

Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobil dengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator. Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m3 dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong.

b. Kapal Laut dan Kapal Selam

Mengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwa ini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut. Perhatikan Gambar 7.16 berikut.

Kapal yang sama pada saat kosong dan penuh muatan

Gambar 7.16Kapal yang sama pada saat kosong dan penuh muatan. Volume air yang di pindahkan oleh kapal ditandai dengan tenggelamnya kapal hingga batas garis yang ditunjukkan oleh tanda panah.

Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkan balok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Hal ini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentuk perahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi. Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volume perahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gaya angkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akan terapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memindahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.

Penampang kapal selam

Gambar 7.17Penampang kapal selam ketika (a) terapung, (b) melayang, dan (c) tenggelam.

Tahukah Anda apa yang menyebabkan kapal selam dapat terapung, melayang, dan menyelam? Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalam lambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung, melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangki pemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besar daripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akan tenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (air laut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebih kecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akan terapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang, jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikan dengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yang diinginkan.

c. Balon Udara

Balon berisi udara panas kali pertama diterbangkan pada tanggal 21 November 1783. Udara panas dalam balon memberikan gaya angkat karena udara panas di dalam balon lebih ringan daripada udara di luar balon. Balon udara bekerja berdasarkan prinsip Hukum Archimedes. Menurut prinsip ini, dapat dinyatakan bahwa sebuah benda yang dikelilingi udara akan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan volume udara yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Balon udara dapat mengambang di udara karena memanfaatkanprinsip Hukum Archimedes

Gambar 7.18Balon udara dapat mengambang di udara karena memanfaatkanprinsip Hukum Archimedes.

Artikel Terkait

Updated: 25 November 2014 — 05:32

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Budisma.web.id © 2014 Frontier Theme