Daya Apung: Pengertian, Penyebab, Rumus & Contoh

Tanpa gaya apung, ikan tidak bisa berenang, perahu tidak bisa mengapung dan impian Anda untuk terbang jauh dengan segenggam balon helium akan lebih mustahil lagi. Untuk memahami gaya ini secara rinci, Anda harus terlebih dahulu memahami apa yang mendefinisikan fluida, dan apa tekanan dan densitasnya.

Dalam percakapan sehari-hari, Anda mungkin menggunakan kata-katacairandancairsecara bergantian. Namun, dalam fisika ada perbedaan. Cairan adalah keadaan materi tertentu yang ditentukan oleh volume konstan dan kemampuan untuk berubah bentuk agar dapat mengalir atau sesuai dengan dasar wadah.

Cairan adalah jenis cairan, tetapi cairan didefinisikan lebih luas sebagai zat yang tidak memiliki bentuk tetap dan dapat mengalir. Dengan demikian, itu mencakup cairan dan gas.

Massa jenis adalah ukuran massa per satuan volume. Misalkan Anda memiliki wadah kubik, 1 meter di setiap sisi. Volume wadah ini adalah 1 m × 1 m × 1 m = 1 m³. Sekarang anggaplah Anda mengisi wadah ini dengan zat tertentu – air, misalnya – dan kemudian mengukur berapa beratnya dalam kilogram. (Dalam hal ini, seharusnya sekitar 1.000 kg). Massa jenis air adalah 1000 kg/1 m

Kepadatan pada dasarnya adalah ukuran seberapa erat konsentrasi materi dalam suatu zat. Gas dapat dibuat lebih padat dengan mengompresinya. Cairan tidak memampatkan dengan mudah, tetapi sedikit perbedaan densitas di dalamnya dapat dihasilkan dengan cara yang sama.

Sekarang apa hubungannya kepadatan dengan daya apung? Itu akan menjadi lebih jelas saat Anda membaca; namun, untuk saat ini, pertimbangkan perbedaan antara kerapatan udara dan kerapatan air dan seberapa mudah Anda "mengambang" (atau tidak) di masing-masingnya. Eksperimen pemikiran cepat dan harus jelas bahwa cairan yang lebih padat akan mengerahkan gaya apung yang lebih besar.

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Sama seperti kerapatan massa adalah ukuran seberapa padat materi itu, tekanan adalah ukuran seberapa terkonsentrasi suatu gaya. Pertimbangkan apa yang terjadi jika seseorang menginjak kaki telanjang Anda dengan sepatu kets, dibandingkan jika mereka menginjak kaki telanjang Anda dengan tumit sepatu hak tinggi. Dalam kedua kasus, gaya yang sama diberikan; Namun, sepatu hak tinggi menyebabkan lebih banyak rasa sakit. Itu karena gaya terkonsentrasi pada area yang jauh lebih kecil, sehingga tekanannya jauh lebih besar.

Prinsip yang sama ini mendasari alasan pisau tajam memotong lebih baik daripada yang tumpul – ketika pisau tajam, gaya yang sama dapat diterapkan pada luas permukaan yang jauh lebih kecil, menyebabkan tekanan yang jauh lebih besar ketika bekas.

Pernahkah Anda melihat gambar seseorang yang sedang beristirahat di tempat tidur paku? Alasan mereka dapat melakukan ini tanpa rasa sakit adalah karena kekuatan didistribusikan ke semua kuku, bukan satu kuku, yang akan menyebabkan kuku tersebut menusuk kulit Anda!

Sekarang, apa hubungannya gagasan tentang tekanan ini dengan fluida? Misalkan Anda memiliki cangkir berisi air. Jika Anda membuat lubang di sisi cangkir, air akan mulai mengalir keluar dengan kecepatan horizontal awal. Itu akan jatuh dalam busur seperti proyektil yang diluncurkan secara horizontal. Ini hanya bisa terjadi jika gaya horizontal mendorong cairan itu keluar ke samping. Gaya itu adalah hasil dari tekanan internal cairan.

Semua cairan memiliki tekanan internal, tetapi dari mana asalnya? Cairan terdiri dari banyak atom atau molekul kecil yang semuanya bergerak dan saling bertabrakan secara konstan. Jika mereka menabrak satu sama lain, mereka pasti juga menabrak sisi wadah tempat mereka berada, oleh karena itu gaya menyamping ini mendorong air dalam cangkir keluar dari lubang.

Benda apa pun yang terendam dalam cairan akan merasakan gaya tumbukan molekul-molekul ini. Karena jumlah total gaya tergantung pada luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida, masuk akal untuk membicarakan gaya ini dalam hal tekanan sebagai gantinya - sebagai gaya per satuan luas - sehingga Anda dapat membicarakannya secara independen dari objek apa pun yang mungkin bertindak di.

Perhatikan bahwa gaya yang akan diberikan oleh fluida pada sisi wadahnya atau pada benda yang terendam bergantung pada fluida yang terletak di atasnya. Anda dapat membayangkan air dalam cangkir di atas lubang menekan air di bawahnya karena gravitasi. Ini berkontribusi pada tekanan dalam cairan. Akibatnya, tidak mengherankan, dalam tekanan fluida meningkat dengan kedalaman. Itu karena semakin dalam Anda pergi, semakin banyak cairan yang duduk di atas Anda, membebani Anda.

Bayangkan berbaring di dasar kolam renang. Pertimbangkan beratnya air di atas Anda. Di darat, jumlah massa itu akan menghancurkan Anda sepenuhnya, tetapi di bawah air tidak. Kenapa ini?

Nah, itu juga karena tekanan. Tekanan air yang ada di sekitar Anda berkontribusi untuk "menahan" air di atas Anda. Tetapi juga, Anda memiliki tekanan internal Anda sendiri. Saat air memberikan tekanan pada Anda, tubuh Anda menerapkan tekanan ke luar yang mencegah Anda meledak.

Gaya apung adalah gaya ke atas bersih pada suatu benda dalam fluida karena tekanan fluida. Gaya apung adalah alasan beberapa benda mengapung dan semua benda jatuh lebih lambat ketika dijatuhkan dalam cairan. Itu juga mengapa balon helium melayang di udara.

Karena tekanan dalam fluida bergantung pada kedalaman, maka tekanan pada dasar benda yang terendam akan selalu sedikit lebih besar daripada tekanan pada bagian atas benda yang terendam. Perbedaan tekanan ini menghasilkan gaya ke atas bersih.

Tetapi seberapa besar gaya ke atas ini dan bagaimana cara mengukurnya? Di sinilah prinsip Archimedes berperan.

Prinsip Archimedes (dinamakan untuk ahli matematika Yunani Archimedes) menyatakan bahwa untuk sebuah benda dalam fluida, gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan.

Bayangkan sebuah kubus terendam dengan panjang sisiL. Setiap tekanan pada sisi kubus akan membatalkan dengan sisi yang berlawanan. Gaya total akibat fluida kemudian akan menjadi perbedaan tekanan antara bagian atas dan bawah dikalikan denganL​², luas satu muka kubus.

Tekanan di kedalamanddiberikan oleh:

dimanaρadalah densitas fluida dangadalah percepatan gravitasi. Gaya totalnya adalah

Baik,L​³ adalah volume benda. Volume kubus dikalikan dengan massa jenis cairan sama dengan massa cairan yang dipindahkan oleh kubus. Mengalikan dengangmembuatnya menjadi berat (gaya karena gravitasi).

Sebuah benda dalam cairan, seperti batu terendam atau perahu mengambang, akan merasakan gaya apung ke atas, tetapi juga gaya gravitasi ke bawah dan mungkin gaya normal karena bagian bawah wadah, dan bahkan gaya lain seperti baik.

Gaya total pada benda adalah jumlah vektor dari semua gaya ini dan akan menentukan benda yang menghasilkan gerak (atau ketiadaan). Jika sebuah benda terapung, ia harus memiliki gaya total 0, maka gaya padanya karena gravitasi tepat dibatalkan oleh gaya apung.

Sebuah benda yang tenggelam akan memiliki gaya ke bawah bersih karena gravitasi lebih kuat dari gaya apung pada benda. Dan sebuah benda yang diam di dasar fluida akan memiliki gaya gravitasi yang dilawan oleh kombinasi gaya apung dan gaya normal.

Konsekuensi dari prinsip Archimedes adalah, jika massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis zat cair, benda akan mengapung dalam zat cair tersebut. Ini karena berat fluida yang dapat dipindahkannya jika terendam penuh akan lebih besar dari beratnya sendiri.

Faktanya, untuk benda yang tenggelam sepenuhnya, berat cairan yang dipindahkan lebih besar dari gaya gravitasi akan menghasilkan gaya ke atas bersih, mengirim benda ke permukaan.

Setelah diam di permukaan, benda hanya akan tenggelam cukup dalam ke dalam fluida sampai benda itu berpindah jumlah yang setara dengan massanya sendiri. Inilah sebabnya mengapa benda terapung umumnya hanya terendam sebagian, dan semakin kecil densitasnya, semakin kecil fraksi yang akhirnya terendam. (Pertimbangkan seberapa tinggi sepotong styrofoam mengapung di air versus sepotong kayu.)

Jika massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida, benda tenggelam dalam fluida tersebut. Berat air yang dipindahkan oleh benda yang terendam penuh lebih kecil dari berat benda, sehingga menghasilkan gaya ke bawah bersih.

Namun, objek tidak akan jatuh secepat di udara. Gaya total akan menentukan percepatan.

Sebuah benda dengan massa jenis yang sama dengan fluida tertentu dianggap mengapung secara netral. Ketika benda itu benar-benar tenggelam, gaya apung dan gaya gravitasi adalah sama terlepas dari berapa kedalaman benda itu digantung. Akibatnya, objek yang mengapung secara netral akan tetap berada di tempatnya di dalam cairan.

​Contoh 1:Misalkan sebuah batu 0,5 kg dengan massa jenis 3,2 g/cm³ sedang terendam air. Dengan percepatan berapakah benda itu jatuh di dalam air?

​Larutan:Ada dua kekuatan bersaing yang bekerja pada batu. Yang pertama adalah gaya gravitasi yang bekerja ke bawah dengan besaran

Yang kedua adalah gaya apung, yang sama dengan berat air yang dipindahkan.

Untuk menentukan berat air yang dipindahkan, Anda perlu menemukan volume batu (ini akan sama dengan volume air yang dipindahkan). Karena massa jenis = massa/volume, maka volume = massa/massa = 500/3,2 = 156,25 cm³. Mengalikannya dengan kerapatan air menghasilkan massa air yang dipindahkan: 156,25 × 1 = 156,25 g, atau 0,15625 kg. Jadi gaya apung yang bekerja ke atas memiliki besarF_b= 1,53 N

Gaya totalnya adalah 4,9 – 1,53 = 3,37 N dalam arah ke bawah. Menggunakan hukum kedua Newton, Anda dapat menemukan percepatan:

​Contoh 2:Helium dalam balon helium memiliki massa jenis 0,2 kg/m³. Jika volume balon helium yang ditiup adalah 0,03 m³ dan lateks balon itu sendiri beratnya 3,5 g, dengan percepatan berapa balon itu melayang ke atas ketika dilepaskan dari permukaan laut?

​Larutan:Sama seperti contoh batu dalam air, ada dua gaya yang bersaing: gravitasi dan gaya apung. Untuk menentukan gaya gravitasi pada balon, pertama cari massa totalnya. Massa balon adalah massa jenis helium × volume balon + 0,0035 kg = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 kg. Jadi gaya gravitasi adalah F_g = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 N.

Gaya apung adalah massa udara yang dipindahkan dikalikan percepatan gravitasi.

Jadi gaya total pada balon adalah F_bersih = 0,36 – 0,0931 = 0,267 N. Jadi percepatan ke atas balon adalah