Kapal pesiar dan kapal induk dibangun dari ratusan ribu ton material, termasuk banyak baja, dan mengapung. Tapi lempar jangkar logam berat dari geladak, dan itu akan tenggelam ke dasar laut. Mengapa?
Prinsip Archimedes menggambarkan bagaimana benda mengapung atau tenggelam dalam cairan. Dalam fisika Newton, itu diwakili oleh gaya apung.
Siapakah Archimedes dari Syracuse?
Archimedes adalah seorang pemikir dan pengotak Yunani klasik yang hidup sekitar tahun 287 SM. sampai 212 SM di Syracuse, sebuah negara kota Yunani kuno di pulau Sisilia. Sebagai seorang pemuda, Archimedes melakukan perjalanan untuk belajar di perpustakaan terbesar di dunia pada saat itu, Perpustakaan Alexandria di Mesir.
Dikenal karena banyak formulasi matematikanya, termasuk menghitung pi hingga nilai yang paling tepat sampai kalkulator elektronik datang, dia juga salah satu ilmuwan pertama yang menerapkan matematika ke fisika dan dan sebaliknya. Penemuan Archimedes tentang prinsip untuk menggambarkan daya apung, atau bagaimana hal-hal mengapung, adalah pusat dari salah satu cerita paling terkenal dalam sejarah sains.
Raja Hiero II, seorang tiran Sisilia pada zaman itu, dilaporkan menerima mahkota baru yang ia duga tidak terbuat dari emas murni. Khawatir pembuat mahkota telah mencuri beberapa bahan mentah darinya, menggantikan sebagian dari bahan di mahkota untuk perak sebagai gantinya, Hiero pergi ke pulau jenius Archimedes untuk Tolong.
Seperti yang dikatakan legenda, Archimedes sedang merenungkan masalah di bak mandi ketika dia menyadari bahwa, saat dia masuk dan keluar dari air, ketinggian air naik dengan jumlah yang dapat diprediksi. Mendengar ini, dia dikatakan berteriak "Eureka!" ("Saya telah menemukannya!"), sebuah kata yang kini melekat erat pada penemuan dan wawasan.
Agaknya, ilmuwan pemandian itu telah mengumpulkan dua gagasan: Pertama, bahwa untuk dua benda dengan volume yang sama, benda yang lebih padat memiliki lebih banyak massa. Kedua, semakin banyak ruang yang dibutuhkan benda terendam, semakin banyak cairan yang dipindahkan saat dijatuhkan (orang dewasa yang memasuki bak mandi mengeluarkan lebih banyak air daripada bayi).
Jadi, Archimedes beralasan, jika dia tahu berat mahkota, dia bisa mengumpulkan emas murni dengan berat yang sama, memasukkan kedua benda itu ke dalam air, dan membandingkan seberapa banyak air itu bergerak, atau dipindahkan. Jika mereka sama, mahkota itu sah. Jika emas memindahkan lebih banyak air dengan tenggelam lebih dalam, mahkota harus must kurang padat daripada emas murni, artinya pembuat mahkota memang menipu raja.
Ternyata, mahkota itu tidak murni: Kemenangan untuk Archimedes tetapi kemungkinan besar menjadi bencana bagi pembuat mahkota.
Kepadatan Cairan
Seperti yang diketahui Archimedes pada abad kedua SM, massa jenis fluida adalah ukuran massanya per satuan volume. Secara matematis, ini adalah:
d = \frac {m}{V}
Semakin banyak massa yang diperas ke dalam volume yang sama, semakin padat objek tersebut. Jika massa jenis suatu benda lebih besar daripada cairan tempat ia berada, benda itu akan tenggelam.
Sementara itu, cairan yang lebih padat memberikan gaya apung yang lebih besar pada benda yang ditempatkan di dalamnya.
Konsep-konsep ini bersama-sama membantu menjelaskan mengapa orang dapat mengapung hampir dengan mudah di puncak yang sangat danau atau laut asin, seperti Great Salt Lake atau Laut Mati, dibandingkan dengan badan yang kurang padat air.
Tekanan Cairan
Tekanan fluida membantu menggambarkan gaya apung secara lebih rinci.
Tekanan secara umum adalah gaya per satuan luas. Semua cairan memiliki tekanan internal, yang mendorong benda apa pun yang terendam dalam cairan. Gaya per satuan luas yang diberikan pada benda oleh air ini terjadi dari semua sisi, di mana pun air menekannya.
Selain itu, tekanan fluida tergantung pada densitas fluida dan kedalamannya. Semakin dalam fluida suatu benda, semakin besar tekanan fluida yang diberikan air padanya. Ini berarti untuk sesuatu seperti perahu di air, bagian bawah perahu mengalami lebih banyak tekanan fluida yang mendorongnya ke atas daripada sisi perahu yang terasa mendorong ke dalam.
Prinsip Archimedes
Seperti yang diilustrasikan oleh anekdot bak mandi Archimedes, cara mudah untuk mengukur gaya fluida pada suatu benda, atau gaya apung, adalah dengan mengukur air yang dipindahkan oleh benda itu ketika terendam.
Hal ini benar karena gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan benda. Dengan kata lain, untuk sampan yang terapung di sungai, jumlah air sungai yang didorong saat meluncur sama dengan jumlah air yang akan mengisi bagian sampan yang terendam (namun sebagian besar bagian dalam perahu saat ini berada di bawah permukaan air).
Alasan hal ini terjadi adalah karena perbedaan tekanan antara bagian atas dan bawah suatu benda menyebabkan gaya ke atas bersih sama dengan perbedaan antara berat benda dengan berat yang dipindahkan cairan.
Sebagai contoh, perhatikan sebuah kubus yang terendam di dalam air. Vektor gaya dari tekanan fluida di sekitar kubus diarahkan ke dalam, tetapi vektor yang lebih rendah di dalam fluida lebih besar.
Oleh karena itu, meskipun tekanan di bagian atas benda yang terendam menghasilkan gaya ke bawah, dan tekanan di bagian bawah menghasilkan gaya ke atas, karena vektor yang diarahkan ke atas lebih besar, akan ada menjadi gaya apung ke atas bersih pada kubus. Selama gaya ini setidaknya sama dengan gaya ke bawah tambahan dari gravitasi, atau berat kubus, itu akan mengapung.
Ketika benda diam di dalam fluida, berat benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Jika berat benda lebih dari cairan yang dipindahkan, gaya total pada benda itu ke bawah, dan benda itu akan tenggelam; jika beratnya kurang dari air yang dipindahkan, itu akan dipercepat ke atas.
Karena dalam kedua kasus volume benda dan volume cairan yang dipindahkan adalah jumlah yang ditetapkan, satu-satunya perbedaan dalam bobotnya (gaya gravitasi yang bekerja pada mereka) adalah dari masing-masing massa. Karena kerapatan adalah massa per satuan volume, maka kerapatan benda adalah cara lain untuk menentukan apakah benda itu akan tenggelam atau mengapung: Benda yang lebih padat daripada fluida akan tenggelam dan sebaliknya.
Penerapan Prinsip Archimedes
Menempatkan semua konsep ini bersama-sama, seorang fisikawan sekarang dapat menjelaskan bagaimana kapal induk yang sangat berat, kapal pengiriman shipping atau kapal pesiar dapat mengapung, meskipun terbuat dari bahan seperti baja yang memiliki massa jenis lebih besar dari massa jenis air. Selama volume air yang dipindahkan oleh perahu sama dengan berat perahu, gaya apung pada perahu akan melawan tarikan gravitasi ke bawah.
Dengan kata lain, selama ada cukup ruang di dalam kapal di bawah permukaan air, lambung yang sangat besar, dalam istilah pelayaran, kapal bisa mengapung. Namun, jika kapal itu adalah persegi panjang baja padat, atau jangkar baja padat raksasa, itu akan tidak mengapung. Bentuk seperti itu tidak akan menggantikan air sebanyak sesuatu yang terbuat dari massa yang setara tetapi dikonfigurasi untuk memiliki area penahanan yang besar di dalamnya, seperti kapal pesiar dengan ribuan kabin tidur.
Sementara artikel ini berfokus pada cairan dan khususnya kapal yang mengambang di air, prinsip Archimedes juga berlaku untuk gas. Helium dan balon udara panas keduanya benda mengambang dengan cara yang sama seperti kapal. Mereka menggantikan volume udara yang massanya setara dengan massa balon dan muatannya. Eureka!
