Gaya Apung Dan Prinsip Archimedes

Gaya apung adalah kemampuan suatu benda mengapung dalam cairan atau fluida. Hubungan berat benda dengan berat air yang dipindahkan adalah apa yang menentukan jika benda akan mengapung; meskipun ukuran dan bentuk benda akan memiliki efek, mereka bukan alasan utama mengapa benda mengapung atau tenggelam. Jika suatu benda memindahkan air lebih berat, itu akan mengapung. Gaya apung merupakan faktor penting dalam desain banyak benda dan dalam sejumlah kegiatan berbasis air, seperti berperahu atau scuba diving.

Gaya apung memungkinkan itik untuk mengapung di air.

Prinsip Archimedes

Matematikawan Archimedes, yang hidup pada abad ketiga SM, mendapat penghargaan dengan menemukan cara kerja gaya apung. Menurut legenda, ia masuk ke kamar mandi pada suatu hari dan melihat bahwa semakin ia membenamkan dirinya di dalam air, semakin tinggi tingkat akan naik. Dia menyadari bahwa tubuhnya menggeser air di bak mandi. Kemudian, ia memutuskan bahwa benda yang berada dalam air beratnya kurang dari benda di udara. Melalui ini dan realisasi lainnya, ia mendirikan apa yang kemudian dikenal sebagai Prinsip Archimedes:

Sebuah benda yang mengapung dalam cairan akan memiliki gaya apung positif. Ini berarti bahwa jumlah air yang dipindahkan oleh benda berat lebih besar dari benda itu sendiri. Misalnya, perahu yang beratnya 23 kg, tetapi memindahkan 45 kg air akan mudah mengapung. Perahu yang menggantikan berat air yang lebih besar sebagian karena ukuran dan bentuk; sebagian besar interior perahu adalah udara, yang sangat ringan. Hal ini menjelaskan mengapa kapal laut yang berukuran besar dapat mengapung: asalkan air yang dipindahkan beratnya lebih besar dari kapal-kapal itu sendiri, mereka tidak akan tenggelam.

Gaya apung negatif inilah yang menyebabkan benda tenggelam. Hal ini mengacu pada sebuah benda yang berat badannya lebih dari berat cairan yang dipindahkan. Misalnya, kerikil mungkin memiliki berat 25 gram, tetapi jika hanya memindahkan 15 gram air, tidak bisa mengapung. Jika kapal setelah dimuat memiliki berat 23 kg dengan ditambah 34 kg dari barang bawaan, itu akan tidak lagi mengapung karena berat totalnya menjadi 56 kg lebih berat dari berat air yang dipindahkan yakni sebesar 45 kg.

Hal ini juga memungkinkan untuk sebuah benda menjadi apung netral atau melayang di air. Ini berarti bahwa berat benda dan jumlah cairan yang digantikan yang hampir sama. Sebuah benda apung netral akan melayang-layang dalam cairan, tidak tenggelam atau mengambang. Sebuah kapal selam dapat menyesuaikan berat badan dengan menambahkan atau mengeluarkan air dalam tangki khusus yang disebut tangki ballast. Dengan keseimbangan ballast-nya, kapal selam dapat melayang-layang di berbagai tingkatan di bawah permukaan air tanpa tenggelam.

Ukuran dan Bentuk

Berapa banyak dari permukaan suatu benda menyentuh air memiliki efek pada daya apung. Sebuah kapal yang sangat besar memiliki banyak area permukaan, yang berarti bahwa berat badan kapal yang tersebar di banyak air, semuanya akan mendorong pada kapal. Jika kapal yang sama berada di air dengan bentuk busur yang mengarah ke bawah, itu akan mulai tenggelam karena semua berat terkonsentrasi di satu area kecil, dan air itu menggusur berat kurang dari berat kapal.

Sebuah contoh umum yang digunakan untuk menunjukkan ini adalah orang yang mengambang di air. Jika orang tersebut mengapung di atas punggungnya, seluruh tubuhnya bisa tinggal di atau dekat permukaan air. Ketika dia mengapung di air dengan kaki ke bawah, dia akan tenggelam lebih jauh; biasanya, hanya bagian atas tubuhnya akan tinggal di atas air.
untuk menjaga stabilitas

Sebuah kapal kontainer terasa akan naik di dalam air saat muatannya dibongkar.

Stabilitas dalam cairan tergantung pada lokasi pusat benda apung dalam kaitannya dengan pusat gravitasinya. Pusat benda gravitasi adalah titik di mana semua benda berat benda tampaknya terkonsentrasi; itu juga dapat dianggap sebagai lokasi rata-rata berat benda. Pusat apung adalah pusat gravitasi dari air yang benda telah berpindah. Hal ini tidak di dalam air, tetapi dalam benda yang mengambang di atasnya.

Ketika pusat apung langsung di atas pusat gravitasi, maka benda akan stabil. Namun, jika pusat gravitasi berada di atas pusat apung – seperti dalam sebuah kapal yang sarat dengan barang yang tinggi di atas permukaan air – maka benda menjadi tidak stabil. Jika pergeseran barang ke satu sisi karena alasan apapun, pusat gravitasi dan pusat apung tidak akan lagi segaris. Kapal akan terbalik saat pusat apung mencoba untuk naik di atas pusat gravitasi lagi.

Dalam tubuh manusia, pusat gravitasi biasanya di daerah pusar. Pusat apung sedikit lebih tinggi, itulah sebabnya mengapa tubuh cenderung mengapung tegak dengan bahu dan dada di atas kaki. Terbalik, di mana kaki di atas batang tubuh, pusat gravitasi tubuh berada di atas pusat apung. Hal ini membuat tubuh tidak stabil, dan posisi hanya dapat dipertahankan melalui usaha.

Gaya Apung dalam Praktek

Dengan menerapkan prinsip-prinsip daya apung, insinyur dapat merancang perahu, kapal, dan pesawat amfibi yang tetap bertahan dan stabil di dalam air. Hal ini berlaku dari banyak benda lain, seperti pelampung dan ponton. Apa saja yang dirancang untuk bekerja pada air akan bergantung pada pemahaman tentang prinsip-prinsip ini.

Perenang tahu bahwa menahan napas penuh dapat membuat mereka lebih ringan.

Banyak perenang tahu bahwa ada cara untuk membuat tubuh mereka lebih ringan, seperti berbaring di punggung mereka atau menahan napas penuh. Selain itu, mencoba untuk menyelam ke dasar kolam membutuhkan usaha karena tubuh secara alami mengapung.  Penyelam membutuhkan cara khususnya untuk mengetahui bagaimana mengapung, melayang-layang, dan tenggelam, dan mereka sering memakai tambahan bobot dan peralatan lainnya untuk membantu mereka mengelola manuver tersebut.