Introduction
Peristiwa terapung, melayang dan tenggelam sangat sering dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari. Bagaimana sebuah kayu dapat terapung di permukaan air? Bagaimana sebuah paku bisa tenggelam di dalam air? Atau, jika beruntung kita bisa melihat sesuatu melayang di dalam air. Ada yang mengatakan melayang itu antara tenggelam dan terapung. Disebut terapung tapi kok tercelup semua. Tapi mau disebut tenggelam juga tidak cocok karena benda tidak di dasar air. Sebuah alat yang memanfaatkan ketiga peristiwa tersebut adalah kapal selam. Kapal selam memiliki cara kerja yang mirip dengan ikan. Tetapi, kita tidak akan membahas lebih jauh tentang itu pada tulisan ini. Fokus kita adalah peristiwa terapung, melayang dan tenggelam.
Jika dilihat sejarahnya, Hukum Archimedes ditemukan saat Raja Hiero II meminta Archimedes untuk membuktikan keaslian mahkota emas yang dibuat oleh pengrajin. Akan tetapi saya tidak menemukan korelasi apapun mengenai proses penemuannya dengan gaya apung ke atas (FA). (Bagi yang belum tahu ceritanya, monggo searching di tempat lain dulu ya....). Yah, yang ada dipikiran saya, ketika Archimedes menemukan cara membuktikan keaslian emas murni atau campuran, konsep yang digunakan adalah massa jenis/berat jenis. Ia menemukan cara menghitung volume benda tak beraturan (kalau di era sekarang mirip dengan pengukuran volume batu menggunakan gelas ukur). Dengan menghitung berat mahkota, maka didapatkanlah berat jenis. Tentu saja, tinggal dibandingkan berat jenis antara emas murni dengan mahkota. Jika sama maka mahkota berasal dari emas murni, jika lebih kecil maka ada campuran logam yang lebih ringan didalamnya. Tapi, Hukum Archimedes yang dikenal sekarang berkaitan dengan "Gaya Keatas". Yah, saya belum begitu paham tentang ini, jadi bagi yang sudah paham, tolong saya diluruskan... :)
Oke, kita lewati bagian sejarah karena itu bikin saya pusing. Lanjut ke Hukum Pascal. Mudahnya, Hukum Pascal menyatakan tekanan didistribusikan pada luasan tertentu dengan jumlah yang sama pada tiap luasannya. Masih bingung? Oke Ibu punya 12 permen, dibagikan pada kedua puteranya. Maka, setiap anak akan mendapatkan 6 buah permen. Bukan 1 - 11, 2 - 10, 3 - 9, 4 - 8 ataupun 5 - 7. Itulah maksudnya kira - kira.. Anggap saja permen adalah tekanan dan anak adalah luasan.
Oke, kita lewati bagian sejarah karena itu bikin saya pusing. Lanjut ke Hukum Pascal. Mudahnya, Hukum Pascal menyatakan tekanan didistribusikan pada luasan tertentu dengan jumlah yang sama pada tiap luasannya. Masih bingung? Oke Ibu punya 12 permen, dibagikan pada kedua puteranya. Maka, setiap anak akan mendapatkan 6 buah permen. Bukan 1 - 11, 2 - 10, 3 - 9, 4 - 8 ataupun 5 - 7. Itulah maksudnya kira - kira.. Anggap saja permen adalah tekanan dan anak adalah luasan.
P = Tekanan (Pascal atau Newton per Meter Kuadrat)
F = Gaya (Newton)
A = Luas Permukaan (Meter Kuadrat)
Bagaimana jika bentuknya tidak pipih melainkan sebuah balok pejal yang hanya diketahui ketinggian balok dan massa jenisnya?
Maka, persamaan tersebut dapat diubah menjadi,
Bagaimana jika di dalam air? Maka tekanannya akan disebut dengan tekanan hidrostatika (hidro = air). Pernah melihat sebuah tangki air yang bocor? Jika diperhatikan, kebocoran di bagian bawah tangki akan menyebabkan air memancar dengan deras. Sedangkan jika kebocoran di bagian atas tangki maka pancaran air tidak akan terlalu deras. Nggak percaya? Coba cari sebuah botol air mineral kemudian lubagi sisi dekat kepala dan dasar.
Jika sudah, tutup lubang dengan tangan dan isi botol air mineral sampai penuh. Buka penutup lubang secara bersamaan, kemudian lihat pacurannya. Lubang mana yang memancar lebih jauh?
Oke, kita lanjut ke tekanan hidrostatika. Tekanan di dasar air akan lebih besar daripada di permukaan air. Dengan demikian, kedalaman berpengaruh pada besar tekanan. Mengapa bisa terjadi seperti itu? Pernah melihat cheerleading? Pernah melihat mereka membuat bentuk seperti pyramid? Jika pernah, maka akan mudah menjelaskan mengapa bagian bawah mendapat tekanan lebih besar dari pada bagian atas.
Lalu, apa saja yang mempengaruhi tekanan? Jika dianalogikan cheerleading tadi, maka berat seseorang yang ditompang akan mempengaruhi. Mengapa orang yang berdiri di puncak umumna lebih ramping/kecil dari pada yang berada di bawah (penompang)?Jawabannya sudah cukup jelas kan? Lagi, bayangkan kita mengangkat sesuatu di bulan dengan di bumi. Andaikan sekelompok orang bisa melakukan cheerleading di bulan kemudian dibandingkan dengan di bumi. Kira - kira, manakah yang mendapat tekanan lebih besar? Tentu saja di bumi bukan? karena percepatan gravitasi bulan 1/6 kali bumi.
Jadi, bisa kita simpulkan bahwa tekanan zat cair pada sebuah titik dipengaruhi oleh kedalaman, percepatan gravitasi dan massa jenis zat. Jika kita simbolkan kedalaman sebagai (h) maka persamaannya menjadi
Oke, sekarang kita melihat dari sudut pandang yang lain. Jika kita pandang h adalah kedalaman titik dikurangi kedalaman permukaan air (nilai kedalaman permukaan air = 0) maka dapat ditulis dengan
Sekarang, kita ingin melihat besar tekanan yang diakibatkan oleh air dalam kedalaman tertentu sampai titik h1 (Bukan dari permukaan air). Kita misalkan dari kedalaman h2 sampai dengan h1. Maka, dapat dituliskan,
Kita bandinkan dengan persamaan pertama tadi (pada benda berbentuk balok). Mirip bukan?
Jika sudah cukup paham dengan "Tekanan", kita bisa melompat ke bagian lain yaitu Hukum Archimedes. Pernah mengangkat sebuah batu di dalam air? Tidak harus batu sebenarnya, benda apapun yang massanya cukup besar. Kemudian dibandingkan degan mengangkatnya di udara. Manakah yang lebih berat? Jika dilakukan dengan benar, maka jababannya adalah di udara. Mengapa hal itu bisa terjadi? Tentu saja karena adanya gaya yang "meringankan" proses pengangkatan benda ketika di dalam air. Gaya tersebut disebut dengan gaya ke atas. Menurut Hukum Archimedes, besar gaya keatas sebanding dengan berat zat cair yang dipindahkan.
Paradoks Tenggelam, Melayang dan Terapung
Sebagian besar menganggap ketika terapung, gaya keatas lebih besar dari berat. Lalu, ketika melayang gaya keatas sama besar dengan berat benda dan ketika tenggelam gaya ke atas lebih kecil daripada berat benda. Atau secara matematis digambarkan,
Hal itu tidak sepenuhnya benar, atau bisa dikatakan pemahaman yang sekarang kebanyakan belum benar. So, mari kita lihat dari sudut pandang yang lebih detail. Kita mulai dari yang paling mudah, yaitu peristiwa melayang.
Melayang
Yupz, jika dilihat, ada dua gaya yang bekerja gaya berat benda dan gaya ke atas. Karena benda dalam keadaan diam, dapat dipastika bahwa resultan gaya keduanya sama dengan nol. Artinya, besar gaya ke atas dan gaya berat adalah sama serta arahnya berlawanan. Secara matematis dituliskan
Karena Volume benda sama dengan volume air, maka massa jenis air sama dengan massa jenis benda (benda tercelup seluruhnya)
Tenggelam
Dari melayang, kita beralih ke tengelam.
Nah, itu mulai menarik, biasanya orang mengabaikan gaya normal dan mengatakan bahwa gaya keatas lebih kecil dari gaya berat benda. Logikanya, jika hanya dua gaya tersebut yang bekerja dan gaya berat lebih besar dari gaya keatas, maka benda akan terus bergerak kebawah karena resultan gayanya tidak nol. Iya kan? Tetapi hal tersebut tidaklah terjadi. Hal tersebut karena gerak benda kebawah tidak hanya dilawan oleh gaya keatas, tetapi juga gaya normal yang diakibatkan oleh interaksi antara benda dengan sisi dasar gelas. Secara matematis dapat dituliskan
Karena volume dan percepatan gravitasi sama besar, maka yang berbeda adalah massa jenisnya. Mengapa berbeda? bisa kita lihat bahwa pada persamaan tersebut, di sisi kiri hanya dipengaruhi oleh massa jenis benda. Sedangkan di sisi kanan dipengaruhi oleh massa jenis air dan gaya normal. Logikanya, jika ruas kiri sama dengan ruas kanan maka massa jenis air harus lebih kecil dibandingkan dengan massa jenis benda. Mudahnya,
X = Y + 2
maka X akan lebih besar dari Y berapapun nilai Y.
Jika massa jenis benda lebih besar dibanding massa jenis air, karena volume air dan benda sama (benda tercelup seluruhnya) maka bisa dipastika massa benda lebih besar dari pada massa air.
Terapung
Peristiwa yang terakhir adalah terapung. Merpakan kondisi dimana benda tidak tercelup seluruhnya
Nah, pada bagian inlah paradoks tersebut terlihat jelas. Jika diperhatikan hanya dua gaya yang bekerja pada kondisi terapung. Jika menurut anggapan sebelumnya bahwa pada peristiwa terapung gaya ke atas lebih besar dari gaya berat benda, maka benda akan terus bergerak ke atas karena resultan gaya tidaklah nol. Tapi benda berada pada kondisi diam kan? jadi dapat dikatakan bahwa besar gaya berat benda sama dengan gaya ke atas yang diterimanya. Mungkin analisis matematis ini bisa membantu.
Jika diperhatikan dengan seksama, maka volume air akan lebih kecil dibandingkan dengan volume benda. Hal ini disebabkan volume air dihitung dari volume benda yang tercelup. Sedangkan, pada kondisi terapung, tidak semua bagian dari benda tercelup. Dengan kata lain,
Apa yang terjadi jika ternyata volume keduanya berbeda? Karena percepatan gravitasi sama, maka massa jenis keduanya akan berbeda. Ruas kanan sama dengan ruas kiri. Maka, akan ada penyesuaian nilai massa jenis agar menjadi sebuah persamaan. Mudahnya perhatikan ilustrasi berikut
X + 5 = Y + 3
Kita sudah tahu bahwa lima lebih besar dari tiga. Maka bisa dipastikan bahwa X lebih kecil dari Y berapapun nilai Y. dari ilustrasi tersebut bisa disimpulkan bahwa massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis air. Atau bisa dituliskan,
Mungkin itu dulu, bisa disambung lain waktu
Terima Kasih
