BAB II LANDASAN TEORI
H. Simulasi PhET
I. Materi Hukum Archimedes
I. Materi Hukum Archimedes
Materi Hukum Archimedes ini diambil dari beberapa referensi buku fisika diantaranya:
Fisika Edisi kelima Jilid 1 yang ditulis oleh Giancoli dan diterbitkan oleh penerbit Erlangga pada tahun 2001.
Fisika untuk SMA/MA Kelas X kurikulum 2013 yang ditulis oleh Kanginan dan diterbitkan oleh penerbit Erlangga pada tahun 2013.
Ketika benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, gaya apung akan bekerja pada benda itu. Gaya apung tersebut berbanding lurus dengan volume benda yang tercelup dan massa jenis fluida. Gaya ke atas atau gaya apung bernilai maksimum jika seluruh bagian benda tercelup di dalam fluida. Semakin besar massa jenis fluida, semakin besar gaya apungnya, dan sebaliknya. Fakta ini pertama kali ditemukan oleh Archimedes. Berdasarkan beberapa percobaan, Archimedes menyatakan suatu prinsip yang selanjutnya dikenal sebagai prinsip Archimedes.
Benda-benda yang dimasukkan ke dalam fluida mempunyai berat yang lebih kecil dari pada saat berada di luar fluida tersebut. Sebagai contoh sebuah batu yang besar mungkin akan terasa sulit saat diangkat dari tanah dan terasa mudah dari dasar sungai. Banyak benda, seperti kayu, mengapung di permukaan air. Itu menunjukkan bahwa terdapat gaya lain yang bekerja terhadap benda yang melawan gaya berat benda. Gaya ini adalah gaya apung atau gaya keatas.
1. Gaya apung atau gaya ke atas
Ketika sebuah benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam sebuah fluida (zat cair atau gas), maka fluida akan mengerjakan gaya ke atas pada benda itu yang besarnya sama dengan berat fluida yang di pindahkan. Gaya ke atas yang dialami oleh sebuah benda ketika tercelup sebagian atau seluruhnya di dalam sebuah fluida disebut gaya apung.
Besar gaya apung bergantung pada volume benda yang tercelup dan fluida yang dipindahkan (didesak). Suatu benda yang dicelupkan seluruhnya dalam zat cair selalu menggantikan volume zat cair yang sama dengan volume benda itu sendiri. Archimedes mengaitkan antara gaya apung dengan volume zat cair yang dipindahkan benda (Kanginan, 2013: 270). Besarnya gaya apung juga di pengaruhi oleh massa jenis fluida. Semakin besar massa jenis fluida, semakin besar gaya apungnya, dan sebaliknya. Oleh karena itu, berat benda yang tercelup dalam fluida selalu lebih kecil daripada berat benda sesungguhnya akibat adanya gaya apung.
28
Perhatikan sebuah silinder dengan tinggi h dan luas A yang tercelup seluruhnya di dalam zat cair dengan massa jenis
ρ
f (lihat gambar 2.3).
Fluida melakukan tekanan hidrostatik P1 = ρf.g.h1 pada bagian atas silinder. Gaya yang berhubungan dengan tekanan adalah F1 = P1.A sehingga F1 = ρf.g.h1.A dengan arah ke bawah. Dengan cara yang sama fluida juga melakukan tekanan hidrostatis F2 = P2A = ρf.g.h2.A dengan arah ke atas. Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung Fa.FA = F2 – F1 karena F2 > F1 (2.1)
= ρf. h2.g.A - ρf. h1.g.A = ρf .g .A (h2 – h1)
= ρf .g .A .h sebab h2 – h1 = h (2.2)
= ρf .g .Vbf (2.3)
(sebab A . h = Vbf = volume benda yang tercelup dalam fluida) Hukum Archimedes berlaku untuk semua fluida (zat cair atau gas). Vbf = volume silinder yang tercelup dalam fluida. Jika benda tercelup semuanya, Vbf = volume benda. Tetapi jika benda hanya tercelup sebagiannya, Vbf = volume benda yang tercelup dalam fluida saja. Tentu saja kasus ini, Vbf < volume benda. Karena massa jenis (ρ) adalah massa (m) dibagi volume (V), maka m = ρ.V dengan m adalah massa zat cair yang dipindahkan. Dengan demikian gaya apung pada silinder sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh silinder tersebut. Hal ini merupakan penemuan Archimedes (218 – 212 SM) dan disebut sebagai prinsip atau hukum Archimedes yang menyatakan bahwa:
“jika sebuah benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida, maka benda tersebut mengalami gaya apung atau gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan.”
2. Mengapung, Melayang dan Tenggelam
Ada tiga peristiwa yang dapat terjadi apabila suatu benda dicelupkan ke dalam zat cair atau fluida, yaitu:
a. Mengapung
Benda mengapung jika sebagian benda tercelup di dalam zat cair dan sebagian lainnya masih berada di udara (lihat gambar 2.4). Jika volume benda tercelup sebesar Vbf maka dalam keadaan setimbang berat benda sama dengan gaya ke atas. Dalam keadaan ini, volume benda Vb lebih besar dibandingkan volume fluida yang dipindahkan Vbf. Benda mengapung terjadi apabila benda memiliki massa jenis lebih kecil daripada massa jenis zat cair.
Jika ditulis dengan persamaan adalah: FA = W mf. g = mb. g ρf . g . Vbf = ρb . g . Vb ρf = 𝜌𝑏𝑉𝑏 𝑉𝑏𝑓 (2.4) karena Vb > Vbf maka ρf > ρb
Dengan ρf = massa jenis fluida, Vb= volume benda, ρb = massa jenis benda, Vbf= volume benda yang tercelup dan g adalah percepatan gravitasi. Dari
30
persamaan tersebut diketahui bahwa syarat benda mengapung adalah massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis fluida, dikarenakan hanya sebagian volume benda yang tercelup dalam fluida.
Gambar 2.4 Mengapung
b. Melayang
Peristiwa melayang adalah keadaan dimana benda tercelup seluruhnya namun tidak menyentuh dasar permukaan fluida (lihat gambar 2.5). Dalam keadaan melayang Fa = W, dimana volume benda Vb sama dengan volume fluida yang dipindahkan (Vbf ). Sehingga benda akan melayang apabila massa jenis benda bernilai sama dengan massa jenis zat cair. Karena Vb = Vbf apabila dimasukkan ke persamaan (2.4) maka ρf = ρb Oleh karena itu, dapat diketahui bahwa syarat benda melayang adalah perbandingan antara volume benda tercelup yang tidak mengenai dasar permukaan fluida sama dengan volume benda seluruhnya dan massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida
c. Tenggelam
Peristiwa tenggelam adalah keadaan dimana suatu benda tercelup sepenuhnya dan menyentuh dasar permukaan fluida (lihat gambar 2.6). Pada benda tenggelam, besar gaya ke atas kurang dari berat bendanya. Saat menyentuh dasar permukaan fluida, selain gaya apung terdapat gaya lain yang searah dengan gaya apung yaitu gaya normal. Gaya normal adalah gaya yang tegak lurus bidang yang ada ketika benda menyentuh zat padat. Pada keadaan setimbang berlaku:
FA + N = W mf. g + N = mb. g ρf . g . Vbf + N = ρb . g . Vb ρf = 𝜌𝑏𝑉𝑏 𝑉𝑏𝑓 – N (2.5) karena Vb = Vbf maka ρb > ρf
Dari persamaan tersebut diketahui bahwa syarat benda tenggelam adalah perbandingan volume benda tercelup yang menyentuh dasar permukaan fluida sama dengan volume benda seluruhnya dan massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida.
Gambar 2.6 Tenggelam N
32
3. Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-hari a. Kapal Laut
Massa jenis besi lebih besar daripada massa jenis air laut, tetapi mengapa kapal laut yang terbuat dari besi dapat mengapung di atas laut? Badan kapal yang terbuat dari besi dibuat berongga. Ini menyebabkan volume air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya apung sebanding dengan volume air yang dipindahkan, sehingga gaya apung terjadi sangat besar. Gaya apung ini mampu mengatasi berat total kapal, sehingga kapal laut mengapung di permukaan laut. Jika dijelaskan berdasarkan konsep massa jenis, massa jenis rata-rata besi berongga dan udara yang menempati rongga masih lebih kecil daripada massa jenis air laut. Itulah sebabnya kapal mengapung.
b. Kapal Selam
Sebuah kapal selam memiliki tangki pemberat yang terletak di antara lambung sebelah dalam dan lambung sebelah luar. Tangki ini dapat diisi udara atau air. Tentu saja udara lebih ringan daripada air. Mengatur isi tangki pemberat berarti mengatur berat total kapal. Sesuai dengan konsep gaya apung, berat total kapal selam akan menentukan apakah kapal akan mengapung atau menyelam. Semakin dalam kapal selam menyelam, maka akan makin besar tekanan hidrostatis yang dialaminya. Manusia tidak dapat menyelam lebih dari kedalaman 120 m karena tekanan hidrostatis air akan menghancurkan. Kapal selam dapat
menyelam jauh ke dalam laut karena memiliki lambung yang tebal untuk menahan tekanan hidrostatis air yang besar.
c. Balon Udara
Seperti halnya zat cair, udara (termasuk fluida) juga melakukan gaya apung seperti pada benda. Gaya apung yang dilakukan di udara pada benda sama dengan berat udara yang dipindahkan oleh benda. Sebuah balon udara yang diisi dengan gas panas memiliki prinsip kerja sebagai berikut: Mula-mula balon diisi dengan gas panas hingga menggelembung dan volumenya bertambah. Bertambahnya volume balon berarti bertambah pula volume udara yang dipindahkan oleh balon. Hal ini berarti gaya apung bertambah besar. Suatu saat gaya apung sudah lebih berat daripada berat total balon (berat balon dan muatan), sehingga balon mulai bergerak naik.
Awak balon udara terus menambah gas panas sampai balon itu mencapai ketinggian tertentu. Setelah ketinggian yang diinginkan tercapai, awak balon mengurangi gas panas sampai tercapai gaya apung sama dengan berat balon. Pada saat itulah balon melayang di udara.
35
