Sebatang besi bermassa 10 gram jika diletakkan di atas permukaan air pasti tenggelam. Namun, sebuah kapal besi bermuatan lebih dari 10.000 ton tetap terapung di atas permukaan laut. Kedua peristiwa di atas adalah fakta yang kita temukan dalam dunia nyata. Salah satunya adalah sebuah kapal besi yang tetap terapung di sebuah pelabuhan, meskipun diterpa oleh gelombang air laut.
Peristiwa ini dapat dijelaskan dengan mudah melalui produk fisika seperti fakta, konsep, prinsip, hukum, rumus, teori dan model. Fisika sebagai proses dapat melibatkan materi, energi dan interaksinya.
Air adalah salah satu materi zat cair yang memiliki peranan sangat penting dalam kehidupan makluk hidup. Air bisa mengalir dan juga bisa tenang. Dalam ilmu fisika, zat yang bisa mengalir disebut zalir atau fluida.
Berbicara tentang fluida adalah sebuah istilah yang tidak asing bagi guru fisika dan siswa jurusan IPA SMA. Kata fluida identik dengan zat yang bisa mengalir.
Zat terdiri dari 3 macam yaitu padat, cair dan gas. Tiga macam zat yang dipelajari hanya ada dua zat yang bisa mengalir yaitu zat cair dan zat gas.
Fluida terbagi dalam dua bagian yaitu fluida statis (diam) dan fluida dinamis (bergerak). Fluida statis adalah fluida yang tidak bergerak, seperti air yang tenang dalam gelas, air danau, air dalam tangki, gas dalam balon, gas dalam ban sepeda motor.
Sedangkan fluida dinamis adalah fluida yang bergerak, seperti air sungai, air saluran persawahan, air pada saluran pipa atau selang, udara yang bergerak dari satu tempat ke tempat lain.
Jika kita perhatikan sebuah kapal besi bermassa lebih dari 10.000 ton tetap terapung dan bisa berlayar di atas permukaan laut. Mengapa bisa terjadi? Jawaban yang penuh tanda tanya dari siswa yang belum paham fisika adalah beragam dan ada benarnya juga.
Ada yang menjawab, karena air laut lebih banyak jumlahnya dari kapal, ada rongga di dalam kapal, massa jenis kapal lebih kecil dari air laut padahal antara air dan besi tidak sama, massa jenis air laut lebih kecil dari massa jenis kapal.
Nah, semua fakta yang ditemukan di alam dapat dijelaskan secara baik melalui sebuah analisis ilmiah seperti besaran dan satuan. Besaran terkait segala sesuatu yang bisa diukur, dan satuan sebagai pembandingnya. Nah, dalam ilmu fisika besaran besaran yang dimaksud adalah:
- Massa Jenis (ρ)
Massa jenis adalah ukuran kerapatan suatu zat, yaitu perbandingan antara massa (m) suatu benda terhadap volume (v) benda. Semakin besar ukuran kerapatan suatu zat, maka massa jenisnya semakin besar. Secara matematis dirumuskan, ρ = m/v
Itulah sebabnya ukuran kerapatan air lebih kecil dibandingkan besi. Sehingga air selalu di atas dan besi pasti tenggelam. Bagaimana supaya besi bisa berada di atas air, seperti kapal besi bisa terapung?
Jawabannya adalah kapal dibuat sedemikian rupa sehingga massa jenisnya lebih kecil dari air. Namun, tidak semudah itu. Inilah kerjanya seorang ahli perkapalan. Mereka punya ilmu fisika yang luar biasa cerdasnya.
- Tekanan (P)
Salah satu besaran yang juga mempengaruhi terapungnya kapal besi di atas permukaan air adalah tekanan hidrostatik. Tekanan hidrostatik akan melakukan tekanan di setiap titik permukaan benda yang tecelup di dalam fluida.
Sebuah benda yang tercelup di dalam fluida akan mengalami tekanan hidrostatik. Besarnya tekanan (P) akan dipengaruhi oleh kedalaman fluida (h), gravitasi bumi (g) dan massa jenis (ρ) fluida. Secara matematis dirumuskan: P = ρ.g.h
Hukum pokok hidrostatika menyatakan bahwa “setiap titik yang sama dalam kedalaman zat cair akan memiliki tekanan yang sama”.
Pada gambar di atas, tekanan hidrostatik pada titik A sama besar di titik B. Seperti pada gambar di atas, tampak 2 jenis zat cair yang berbeda (minyak dan air). Pada garis AB menunjukkan bahwa tekanannya sama besar. Nah, secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut:
PA = PB
ρA.g.hA = ρB.g.hB
ρA.hA = ρB.hB
- Gaya ke atas (Fa)
Gaya ke atas merupakan suatu besaran yang berperan penting dalam mendorong dan menekan benda saat berada di dalam fluida. Konsep gaya ke atas telah ditemukan oleh Achimedes, ketika sedang mandi di dalam bak air.
Konon diceritakan bahwa Archimedes menemukan konsep gaya apung ketika ia diminta oleh raja untuk membuktikan emas yang ada di suatu kerajaan, apakah emas murni atau bukan. Archimedes menuju bak mandi lalu mencelupkan seluruh badanya ke dalam air. Ketika berada di dalam air, ia merasakan ada pengurangan berat badan dan ada sebagian air yang tumpah. ia lalu berteriak “eureka” artinya menemukan sesuatu yang baru.
Konsep gaya ke atas oleh Archimedes, kemudian dirumuskan dalam hukum Archimedes. Bunyi hukum Archimedes: “benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mendapat gaya ke atas sebesar jumlah fluida yang dipindahkan”.
Secara matematis dirumuskan:
Fa = ρ.g.v
Fa = gaya ke atas, N
ρ = massa jenis, kg/m3
v = volume fluida yang dipindahkan, m3
Ketika benda tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair, benda akan mengalami pengurangan bobot berat benda.
Berat benda di dalam fluida lebih ringan daripada di udara.
Fa = Wu – Wf
Wu = berat benda di udara
Wf = berat benda di fluida
Konsep hukum Archimedes dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa benda terapung, melayang dan tenggelam. Saat benda terapung (Fa>W), melayang (Fa=W) dan tenggelam (Fa<W).
Sekarang, anda sudah paham kan? Kapal laut yang seluruh badannya terbuat dari besi dapat terapung karena gaya ke atas oleh fluida lebih besar dari gaya berat kapal. Secara kasat mata, memang tidak mungkin sebatang besi dapat terapung di atas permukaan air. Namun, fisika adalah ilmu rekayasa yang dapat membuat sesuatu seolah-olah (sama seperti) yang sebenarnya.
Badan kapal besi dirancang sedemikian rupa, sehingga menghasilkan massa jenis kapal lebih kecil dari massa jenis air. Kapal memang memiliki bobot yang cukup besar, namun dirancang kolom udara dengan volume yang cukup banyak. Udara yang ada di dalam kolom udara dapat memperbesar massa jenis kapal, sehingga gaya ke atas oleh air lebih besar. Kapal dapat terapung di atas permukaan air.***
No Responses