Kisah Penemuan dan Penerapan Hukum Archimedes

1. Penemuan Archimedes

Archimedes (287 SM - 212 SM) adalah seorang berkebangsaan Yunani yang terkenal sebagai ahli matematika, astronomi, filsafat, fisika, dan insinyur. Pada suatu hari ia diminta Raja Hieron II untuk membuktikan bahwa mahkotanya benar-benar berasal dari emas murni. Archimedes merasa kesulitan menentukan massa jenis mahkota tersebut karena tidak bisa menghitung volume mahkota.

Archimedes (287 - 212 SM) 

Hingga pada akhirnya saat Archimedes menceburkan dirinya ke bak mandi, ia mengamati adanya air yang tumpah dari bak tersebut. Seketika itu Archimedes berteriak “eureka, eureka!”. Archimedes menyadari bahwa volume air yang tumpah tersebut sama besarnya dengan volume tubuh yang mendesak air keluar dari bak. Melalui temuan tersebut, Archimedes dapat membuktikan bahwa ternyata mahkota Raja tidak berasal dari emas murni melainkan dicampur dengan perak, sehingga pembuat mahkota tersebut dihukum mati oleh sang Raja.

2. Hukum Archimedes 

Fenomena yang pertama kali dipelajari dan ditemukan oleh Archimedes, hasilnya kemudian dinyatakan sebagai hukum Archimedes, yaitu: 

“Jika benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda itu akan mendapat gaya ke atas yang sama besar dengan berat zat cair yang didesak oleh benda tersebut”.

Pada percobaan hukum Archimedes, kamu dapat mengetahui bahwa ketika suatu benda dimasukkan ke dalam air, beratnya seolah-olah berkurang. Peristiwa ini bukan berarti ada massa benda yang hilang. Berat benda berkurang saat dimasukkan ke dalam air,  disebabkan oleh adanya gaya apung (Fa) yang mendorong benda ke atas atau berlawanan dengan arah berat benda. Perhatikan Gambar berikut!

Gambar Gaya yang Bekerja pada Batu yang Tenggelam

Secara matematis, hukum Archimedes dapat dituliskan:

F_a = w_bu − w_ba

Sehingga

w_ba = w_bu − F_a

dengan:

F_a    = Gaya apung (N)

w_ba  = Berat benda di air (N)

w_bu   = Berat benda di udara (N) 

Menurut Archimedes, benda menjadi lebih  ringan  bila  diukur dalam air daripada di udara karena di dalam air benda mendapat gaya ke atas. Ketika di udara, benda memiliki berat mendekati yang sesungguhnya. Karena berat zat cair yang didesak atau dipindahkan benda adalah:

w_cp = m_cp × g   dan   m_cp = ρ_cp × V_cp

sehingga berat air yang didesak oleh benda adalah:

w_cp = ρ_c × g × V_cp

Berarti, menurut hukum Archimedes, besar gaya ke atas adalah: 

F_a= ρ_c × g × V_cp 

dengan:

F_a  = Gaya apung (N)

ρ_c  = Massa jenis zat cair (kg/m³)

g    = Percepatan gravitasi (m/s²)

V_cp = Volume zat cair yang dipindahkan (m³)

 

3. Penerapan Hukum Archimedes 

A. Pembuatan Kapal Laut 

Hampir semua logam memiliki massa jenis (kerapatan) yang lebih besar dari air. Tentu kamu berpikir bahwa semua logam akan tenggelam dalam air. Mengapa kapal laut yang terbuat dari logam tidak tenggelam? Kapal laut dapat terapung karena pada saat diletakkan secara tegak di lautan, kapal laut dapat memindahkan air laut dalam jumlah yang cukup besar, sehingga kapal laut mendapat gaya ke atas yang sama besar dengan berat kapal laut.  Perhatikan Gambar berikut.

Gambar Mekanisme Pengeluaran dan Pemasukan Air dalam  Kapal Selam

B. Pembuatan Kapal Selam 

Pernahkah kamu melihat kapal selam? Pada bagian sebelumnya kamu telah mengetahui bahwa dalam merancang kapal selam harus memerhatikan tekanan hidrostatis air laut. Hal ini menjadi pertimbangan dalam merancang struktur dan pemilihan bahan untuk membuat  kapal selam.

Salah satu bahan yang tahan terhadap tekanan hidrostatis air laut yang sangat besar adalah baja. Tahukah kamu bahwa baja merupakan logam yang utamanya terbuat dari campuran besi dan karbon? Dengan demikian baja memiliki massa jenis yang lebih besar daripada massa jenis air laut. Coba kamu pikirkan mengapa kapal selam maupun kapal laut lainnya yang terbuat dari baja tidak tenggelam, padahal massa jenis baja jauh lebih besar daripada massa jenis air laut?

Gambar Kapal Selam

Hukum Archimedes tersebut digunakan sebagai dasar pembuatan kapal laut atau kapal selam. Suatu benda dapat terapung atau tenggelam tergantung pada besarnya gaya berat (w) dan gaya apung (Fa). Jika gaya apung maksimum lebih besar daripada gaya berat maka benda akan terapung. Sebaliknya, jika gaya apung maksimum lebih kecil daripada gaya berat maka benda akan tenggelam. Jika gaya apung maksimum sama dengan berat benda, maka benda akan melayang. Gaya apung maksimum adalah gaya apung jika seluruh benda berada di bawah permukaan zat cair. 

Bagaimana kapal selam dapat terapung, melayang, dan tenggelam dalam air laut? Pada prinsipnya kapal selam dapat memiliki kemampuan tersebut karena berat kapal selam dapat diperbesar dengan cara memasukkan air ke dalam badan kapal dan dapat diperkecil dengan cara mengeluarkan air dari badan kapal. Ketika kapal selam akan tenggelam, air laut dimasukkan ke dalam penampung dalam badan kapal. Berat total dari kapal selam menjadi lebih besar daripada gaya ke atas, sehingga kapal selam dapat tenggelam. Agar tidak terus tenggelam, pada kedalaman tertentu air dalam badan kapal selam dikeluarkan kembali dari penampung, sehingga berat total dari kapal selam sama dengan gaya ke atas. Hal ini menyebabkan kapal selam melayang dalam air. Saat kapal selam akan mengapung, air dari penampungan pada badan kapal dikeluarkan sehingga volume total dari kapal selam menjadi lebih kecil daripada gaya ke atas, sehingga kapal selam dapat mengapung. Perhatikan Gambar berikut.

Gambar Mekanisme Pengeluaran dan Pemasukan Air dalam  Kapal Selam

4. Contoh Soal

Gambar Soal Hukum Archimedes

Balok kayu yang berukuran panjang 2,5 m, tinggi 0,5 m dan tebal 0,4 m. Jika  balok tersebut tenggelam dalam air yang massa jenisnya 2.000 kg/m³. Besarnya gaya tekan ke atas yang diterima balok adalah  … . 

Jawab:

F_A = p x g x v

  = 2000 kg/m³ x 10 m/s² x (2,5 x 0,5 x 0,4 m³)

  = 2000 kg/m³ x 10 m/s² x 0,5 m³ = 10.000 N

 

Referensi

Ilmu Pengetahuan Alam, untuk SMP/MTs Kelas VIII Semester 2, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, 2017.

Baca juga:

Tekanan Zat dan Penerapannya dalam Kehidupan Sehari-hari
01	Tekanan Zat dan Penerapannya dalam Kehidupan Sehari-hari
02	Menyelidiki Tekanan pada Benda Padat
03	Tekanan Zat Padat
04	Menyelidiki Tekanan Zat Cair pada Kedalaman Tertentu
05	Tekanan Hidrostatis
06	Percobaan Hukum Archimedes
07	Kisah Penemuan dan Penerapan Hukum Archimedes
08	Simulasi Prinsip Kerja Pompa Hidrolik
09	Hukum Pascal
10	Membuktikan Tekanan pada Udara
11	Tekanan Gas
12	Menyelidiki Transportasi pada Tumbuhan
13	Pengangkutan Air dan Nutrisi pada Tumbuhan
14	Tekanan Darah pada Sistem Peredaran Darah Manusia
15	Tekanan Gas pada Proses Pernapasan Manusia