Hukum Archimedes: Gaya Atas pada Benda dalam Zat Cair

Semua benda yang tercelup di dalam zat cair akan mengalami gaya tekanan ke atas. Pernyataan tersebut dapat dikatakan sebagai definisi sederhana bunyi Hukum Archimedes. Gaya ke atas yang diberikan oleh zat cair memungkinkan seseorang mengapung di air sehingga dapat berenang. Selain itu, gaya ke atas dari hukum archimedes juga banyak dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan. Contoh pemanfaatan hukum archimedes terdapat pada kapal laut, kapal selam, balon udara, hidrometer, dan jembatan ponton.

Hukum archimedes menjelaskan mengapa benda di dalam zat cair memiliki posisi yang berbeda. Benda di dalam cair dapat mengapung, melayang, atau tenggelam. Contoh hukum Archimedes terjadi pada kapal layar yang dapat mengapung dan kapal selam yang dapat tenggelam pada kedalaman tertentu. Atau pada bongkahan es yang mengapung di air laut.

Baca Juga: Contoh Penerapan Hukum Pascal dalam Kehidupan Sehari-Hari

Begaimana cara mengetahui besar gaya ke atas (Fa) yang diterima oleh benda pada suatu zat zair? Bagaimana kriteria menentukan kedudukan benda tenggelam/melayang/terapung pada suatu zat cair? Sobat idschool dapat mencari tahu jawabannya melalui ulasan di bawah.

Table of Contents

• Hukum Archimedes
• Kedudukan Benda di dalam Zat Cair
• Rumus pada Hukum Archimedes
• Penerapan Hukum Archimedes
• Contoh Soal dan Pembahasan
  • Contoh 1 – Contoh Soal Hukum Archimedes
  • Contoh 2: Contoh Soal Kedudukan Benda Padat di Dalam Zat Cair

Hukum Archimedes

Pernahkan kamu menimbang sebuah benda di dalam air? Sebuah benda yang ditimbang di dalam air akan terasa lebih ringan dibanding jika ditimbang di udara. Sebenarnya, benda yang berada di dalam air beratnya tidak berkurang. Hanya saja, benda menerima gaya ke atas pada saat benda berada dalam air, Hal inilah yang membuat benda akan terasa lebih ringan jika berada di dalam air.

Contoh lain dari adanya hukum Archimedes terdapat pada bola plastik dan es batu pada minuman. Bola karet yang tercelup dalam gelas berisi air, posisinya akan berada di tengah-tengah. Sedangkan es batu dalam gelas yang berisi air biasanya akan terapung di atas. Perbedaan posisi benda dalam air tersebut dipengaruhi massa jenis dari benda tersebut.

Walaupun hukum archimedes mengatakan bahwa setiap benda yang tercelup ke dalam air akan mendapatkan gaya ke atas, Namun besar gaya ke atas yang dialami benda yang tercelup ke dalam air adalah tidak sama. Sehingga posisi kedudukan benda dalam suatu zat cair tidak sama.

Kedudukan Benda di dalam Zat Cair

Hukum archimedes juga mampu menjelaskan mengapa posisi benda di dalam zat cair tidak sama. Seperti posisi kapal layar yang mengapung dan kapal selamm yang tenggelam pada kedalaman tertentu. Kedudukan benda dalam zat cair meliputi terapung, melayang, dan tenggelam. Kondisi ini terjadi disebabkan masa jenis yang dimiliki antara satu benda dengan benda lainnya berbeda. Massa jenis menyatakan perbandingan massa per satuan volume.

Ada tiga kedudukan benda di dalam zat cair yaitu terapung, melayang, dan tenggelam.

Benda yang memiliki massa jenis benda (ρ_benda) lebih kecil dari massa jenis zat cair (ρ_cair) akan tenggelam dalam zat cair tersebut. Sebuah benda akan melayang jika massa jenis benda (ρ_benda) sama dengan massa jenis zat cair (ρ_cair). Benda akan tenggelam dalam zat cair jika massa jenis benda (ρ_benda) lebih besar dari massa jenis zat cair (ρ_cair).

Perhatikan gambar tiga buah benda yang berada pada suatu zat cair berikut.

Dari gambar terlihat bahwa benda pertama terapung, benda nomor 2 melayang, dan benda nomor 3 tenggelam. Kedudukan ketiga benda bergantung dari massa jenis ketiga benda dan zat cair. Keterangan besar massa jenis dan kedudukan benda dalam zat cair diberikan seperti daftar berikut.

1. Terapung: ρ_benda < ρ_cair
2. Melayang: ρ_benda = ρ_cair
3. Tenggelam: ρ_benda > ρ_cair

Baca Juga: Cara Menghitung Besar Volume Benda yang Tercelup

Rumus pada Hukum Archimedes

Konsep mengenai gaya ke atas untuk pertama kalinya diperkenalkan oleh seorang ahli matematika bernama Archimedes. Sehingga, konsep tersebut dikenal dengan hukum Archimedes.

Bunyi Hukum Archimedes:
Sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.

Ilustrasi benda yang mendapat gaya ke atas dapat dilihat pada gambar di bawah.

Rumus gaya ke atas (Fa):

Persamaan hukum archimedes yang menyatakan besarnya gaya ke atas yang diterima benda dalam suatu zat cair sesuai rumus berikut.

Antara gaya ke atas dan berat benda yang tercelup ke dalam suatu zat cair sama dengan besar gaya ke atas pada benda. Atau secara matematis dapat dituliskan dengan persamaan Fa = w sehingga dapat diperoleh persamaan ρ_c × V₂ = ρ_b × V_b.

Fa = w
Fa = m_b × g
ρ_c × g × V₂ = ρ_b × g × V_b
ρ_c × V₂ = ρ_b × V_b

Keterangan:

• F_a = gaya angkat ke atas (N)
• w = berat benda (N)
• V₂ = volume benda tercelup (m³)
• V_b = volume benda total (m³)
• V₁ = V_b – V₂ = volume benda tak tercelup (m³)
• m_b = massa benda (kg)
• ρ_cair = massa jenis zat cair (kg/m³)
• ρ_benda = massa jenis benda (kg/m³)

 Baca Juga: Rumus Tekanan Hidrostatis dan Tekanan pada Benda Padat

Penerapan Hukum Archimedes

Penerapan hukum archimedes banyak kita jumpai di kehidupan sehari-hari. Contoh kegiatan yang menerapkan hukum archimedes adalah kapal laut, kapal selam, balon udara, hidrometer, dan jembatan ponton/jembatan apung. Sobat idschool sering menjumpai dalam kehidupan sehari-hari bukan?

Kapal Laut dan Kapal Selam:
Sebuah logam akan tenggelam jika jatuh di dalam air. Lalu, mengapa kapal yang terbuat dari logam bisa mengapung di atas permukaan air laut? Bentuk kapal laut berupa cekungan sehingga berat kapal laut yang tenggelam di laut akan mendapat gaya angkat ke atas. Gaya ke atas inilah yang membuat kapal laut tidak tenggelam. Konsep yang sama juga diterapkan pada pembuatan kapal selam.

Balon Udara:
Balon udara diisi dengan gas dengan massa jenis zat yang lebih kecil dari massa jenis udara di sekitarnya. Hal ini membuat balon udara mendapat gaya angkat ke atas. Sehingga, balon udara dapat terbang seperti pesawat.

Hidrometer:
Hidrometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Konsep yang digunakan untuk mengetahui nilai massa jenis suatu zat cair adalah hukum Archimedes.

Jembatan Ponton/Jembatan Apung:
Jembatan ponton adalah jembatan yang terbuat dari drum kosong sebagai alat apungnya dan jajaran kayu sebagai jalannya. Jembatan ponton dapat ditemui di daerah pelabuhan. Drum kosong berisi udara yang memiliki massa jenis lebih ringan daripada massa jenis air laut. Sehingga, drum kosong tersebut dapat mengapung pada air laut.

Selanjutnya, latih pemahaman sobat idschool melalui penerapan hukum Archimedes pada beberapa contoh soal yang akan diberikan di bawah. 

Baca Juga: Gelombang Transversal dan Longitudinal

Contoh Soal dan Pembahasan

Beberapa contoh soal di bawah dapat sobat idschool gunakan untuk menambah pemahaman bahasan di atas. Setiap contoh soal yang diberikan dilengkapi dengan pembahasannya. Sobat idschool dapat menggunakan pembahasan tersebut sebagai tolak ukur keberhasilan mengerjakan soal. Selamat Berlatih!

Contoh 1 – Contoh Soal Hukum Archimedes

Sebuah benda dengan volume 200 cm³ terapung dalam air. Massa jenis benda dan massa jenis air berturut-turut adalah 0,8 g/cm³ dan 1 g/cm³. Volume benda yang muncul di atas permukaan air adalah ….
A. 20 cm³
B. 30 cm³
C. 40 cm³
D. 50 cm³

Pembahasan:

Perhatikan gambar berikut!

Keterangan:

• F_a = Gaya ke atas
• W = berat benda
• V₁ = volume benda yang muncul di atas permukaan air
• V₂ = volume benda yang terbenam di atas permukaan air

Pertama, cari volume benda yang terbenam terlebih dahulu.
W = Fa
V_b × ρ_b × g = V₂ × ρ_{zat cair} × g
V_b × ρ_b = V₂ × ρ_{zat cair}
200 × 0,8 = V₂ × ρ_{zat cair}
160 cm³ = V₂ × 1
V₂ = 160 cm³

Selanjutnya, cari volume benda yang muncul di atas permukaan air.
V = V₁ + V₂
200 = V₁ + 160
V₁ = 200 – 160 = 40 cm³

Jawaban: C

Contoh 2: Contoh Soal Kedudukan Benda Padat di Dalam Zat Cair

Sebuah benda ditimbang di udara beratnya 10 N, jika ditimbang dalam zat cair menjadi 8 N. Volume benda tersebut adalah 200 cm³ dan g = 10 m/s². Jika benda tenggelam pada zat cair tersebut, besar massa jenis zat cair adalah ….
A. 1.000 kg/m³
B. 800 kg/m³
C. 750 kg/m³
D. 500 kg/m³

Pembahasan:

Diketahui:
1) beran benda di udara: W_u = 10 N
2) berat benda dalam zat cair: Wc = 8 N
3) volume benda: V_b = 200 cm² = 0,0002 m³
4) percepatan gravitasi: g = 10 m/s²

Ditanyakan: ρ_{zat cair} ?

Jawab:

Pertama, cari gaya ke atasnya terlebih dahulu.
W = Wc + Fa
10 = 8 + Fa
Fa = 10 – 8 = 2 N

Selanjutnya, cari massa jenis zat cair.
Fa = V_b × ρ_{zat cair} × 10
ρ_{zat cair} = ^Fa/_Vb × g
ρ_{zat cair} = ²/_0,0002 × 10
ρ_{zat cair} = ²/_0,002 = 1.000 kg/m³

Jawaban: A

Sekian pembahasan mengenai Hukum Archimedes yang meliputi juga rumus hukum archimedes, penerapan hukum archimedes di kehidupan sehari-hari, dan contoh soal hukum archimedes. Terimakasih sudah mengunjungi idschool(dot)net, semoga bermanfaat!

Baca Juga: Alat yang Menggunakan Hukum Pascal, Rumus, dan Contoh Soal