Hubungan antara Gaya Apung, Gaya Berat, dan Massa Jenis

Selama ini saya suka bingung dengan argumentasi bahwa jika suatu benda terapung di atas fluida (misal, air) terjadi karena massa jenis benda tersebut lebih kecil dari air. Lalu bagaimana dengan kapal laut atau benda-benda lainnya yang bisa terapung di laut?

Memang, ada penjelasan terapungnya kapal laut dengan Hukum Archimedes melalui konsep gaya apungnya (atau bouyancy). Akan tetapi, bagaimana kaitan antara kedua konsep, yaitu konsep massa jenis dan gaya apung, juga dengan gaya berat? Haruslah ada kaitannya serta tidak saling mematahkan konsep sehingga menjadi penjelasan yang utuh.

Berikut pemaparannya:

Jika tidak ada tali yg mengikat, atau gaya lain yang mendorong atau menarik sebuah benda yang sebagian atau seluruhnya tenggelam di dalam fluida, hanya gaya berat dan gaya apung yang menentukan apa yang terjadi.

Gaya berat ini berbanding lurus dengan massa jenis dan volume benda, dan gaya apung tergantung pada massa jenis fluida dan banyaknya fluida yang dipindahkan oleh benda.
Gerak dari benda dipengaruhi oleh besarnya gaya apung yang mendorong benda ke atas dan gaya berat yang menarik ke bawah. Ada tiga kemungkinan yang terjadi pada benda:

1. Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida

Jika objek memiliki massa jenis rata-rata lebih besar daripada massa jenis fluida yang dicelupkan, maka gaya berat benda akan lebih besar daripada berat fluida yang dipindahkan oleh benda yang tenggelam seluruhnya, karena volume yang terlibat tetap. Oleh karena gaya berat bekerja ke bawah, lebih besar daripada gaya apung yang bekerja ke atas, resultan gaya pada benda yang bekerja akan ke bawah dan benda akan tenggelam (kecuali ditopang oleh gaya lain seperti ada tali yang mengait pada benda).

2. Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida

Jika massa jenis objek lebih kecil daripada massa jenis fluida, gaya apung akan lebih besar daripada berat benda ketika benda seluruhnya berada di dalam air. Gaya resultan yang bekerja pada benda akan berarah ke atas, dan objek akan mengapung ke atas permukaan. Ketika sampai di atas permukaan fluida, benda masih terendam di dalam air sehingga gaya berat fluida yang dipindahkan oleh sebagian objek yang berada di dalam fluida (gaya apung) akan sama dengan gaya berat objek. Gaya resultan adalah nol, dan objek setimbang. Tidak memiliki percepatan.

3. Massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida

Gaya berat objek akan sama dengan berat fluida yang dipindahkan ketika objek berada di dalam air seluruhnya. Objek akan mengapung ketika berada di dalam air seluruhnya, naik atau tenggelam di fluida dengan mengubah sedikit massa jenisnya, seperti yang dilakukan ikan atau kapal selam. Massa jenis rata-rata kapal selam dapat diubah besarnya sedikit bertambah atau berkurang dengan mengambil atau mengeluarkan air.

 

Mengapa kapal dari baja bisa mengapung?

Baja lebih rapat dari air, dan kapal dari baja adalah benda yang sangat berat. Mengapa kapal tersebut bisa mengapung? Jawabannya adalah bahwa kapal tersebut tidak seluruh bagiannya terbuat dari sekotak baja solid. Ada ruang terbuka yang diisi udara dan bahan lain di dalamnya. Baja solid akan cepat tenggelam, tetapi jika massa jenis rata-rata kapal lebih kecil daripada berat air yang dipindahkan, sebuah kapal baja tentu akan terapung. Karena ada ruang udara dan bahan lainnya, massa jenis rata-rata kapal akan menjadi lebih kecil daripada baja.
Menurut prinsip Archimedes, gaya apung yang bekerja di kapal harus sama dengan berat air yang dipindahkan oleh lambung perahu. Untuk perahu berada dalam ekuilibrium (dengan gaya total nol), gaya apung harus sama dengan berat kapal. Saat kita memuat perahu dengan kargo, berat total kapal meningkat. Begitu juga, gaya apung harus meningkat. Jumlah air yang dipindahkan oleh lambung meningkat, sehingga perahu itu tenggelam dalam air yang lebih rendah. Ada batas untuk berapa banyak berat dapat ditambahkan ke perahu (sering dinyatakan sebagai tonase). Kapal tanker minyak penuh muatan akan lebih rendah dalam air daripada kapal tangker kosong muatan.

Pertimbangan penting lainnya dalam merancang perahu adalah bentuk lambung dan bagaimana beban perahu akan dimuat. Jika pusat gravitasi kapal terlalu tinggi atau jika muatan kapal tersebut tidak merata, ada bahaya bahwa perahu akan terjungkal. Gelombang laut dan angin menambah bahaya ini, sehingga faktor keselamatan harus disertakan dalam desain. Setelah air masuk ke perahu, berat keseluruhan dari perahu dan meningkatkan massa jenis rata-rata. Ketika massa rata-rata kapal menjadi lebih besar dari massa jenis rata-rata air, perahu akan tenggelam.