Hukum Archimedes: Penjelasan Lengkap, Sejarah & Aplikasi

Hukum Archimedes adalah salah satu prinsip fundamental dalam ilmu fisika yang menjelaskan fenomena gaya apung (buoyancy) pada benda yang tercelup dalam fluida (cairan atau gas). Ditemukan oleh matematikawan dan insinyur Yunani kuno, Archimedes dari Syracuse, prinsip ini tidak hanya menjadi tonggak penting dalam sejarah sains, tetapi juga memiliki aplikasi yang luas dan krusial dalam kehidupan sehari-hari maupun berbagai bidang teknologi dan industri. Dari kapal-kapal raksasa yang mengarungi samudra hingga balon udara yang melayang tinggi di angkasa, pemahaman akan hukum ini adalah kunci untuk menjelaskan bagaimana benda dapat mengapung, melayang, atau tenggelam.

Artikel ini akan mengulas secara mendalam segala aspek terkait Hukum Archimedes, mulai dari sejarah penemuannya yang menarik, konsep dasar gaya apung, rumus matematis yang mendasarinya, berbagai aplikasi praktis, hingga kesalahanpahaman umum yang sering terjadi. Kami juga akan menyajikan contoh-contoh sederhana yang dapat membantu memvisualisasikan prinsip ini, serta menyoroti relevansinya dalam konteks modern.

1. Sejarah Penemuan Hukum Archimedes

Kisah penemuan Hukum Archimedes adalah salah satu anekdot paling terkenal dalam sejarah ilmu pengetahuan. Kisah ini berpusat pada Archimedes sendiri, yang hidup sekitar tahun 287–212 SM di kota Syracuse, Sisilia, yang saat itu merupakan bagian dari Yunani Kuno. Archimedes dikenal sebagai salah satu ilmuwan terbesar pada masanya, dengan kontribusi signifikan dalam matematika, fisika, teknik, dan astronomi.

1.1. Kisah Mahkota Raja Hieron II

Penemuan Hukum Archimedes seringkali dikaitkan dengan tugas yang diberikan oleh Raja Hieron II dari Syracuse. Raja Hieron memesan sebuah mahkota emas murni dari seorang pengrajin. Setelah menerima mahkota tersebut, Raja Hieron mulai curiga bahwa pengrajin tersebut telah menipu dirinya dengan mencampur emas murni dengan perak yang lebih murah, meskipun berat total mahkota sesuai dengan emas yang diberikan.

Raja Hieron kemudian meminta Archimedes untuk menemukan cara membuktikan apakah mahkota itu benar-benar terbuat dari emas murni tanpa merusaknya. Tantangan ini menjadi masalah yang sulit karena pada masa itu, konsep massa jenis belum sepenuhnya dipahami atau digunakan secara sistematis untuk memecahkan masalah semacam ini. Archimedes menghabiskan waktu berhari-hari untuk memikirkan solusi ini, namun ia tidak menemukan jawaban.

1.2. Momen "Eureka!" di Bak Mandi

Legenda mengatakan bahwa solusi untuk masalah mahkota ini datang kepada Archimedes saat ia sedang mandi. Ketika ia masuk ke dalam bak mandi yang penuh air, ia menyadari bahwa permukaan air naik. Ia juga merasakan adanya gaya dorong ke atas yang bekerja pada tubuhnya ketika ia tercelup dalam air. Pada saat itulah, ia tiba-tiba memahami bahwa volume air yang tumpah atau naik adalah sama dengan volume bagian tubuhnya yang tercelup.

Eureka! (Εὕρηκα!), yang berarti "Aku menemukannya!" dalam bahasa Yunani, adalah seruan kegembiraan yang konon diucapkannya. Archimedes begitu gembira dengan penemuannya sehingga ia melompat keluar dari bak mandi dan berlari di jalanan Syracuse tanpa busana, berteriak "Eureka! Eureka!".

Dengan penemuan ini, Archimedes menyadari bahwa ia bisa memecahkan masalah mahkota Raja Hieron. Jika mahkota itu terbuat dari emas murni, maka volumenya harus sama dengan volume balok emas murni dengan berat yang sama. Namun, jika mahkota itu dicampur dengan logam lain (misalnya perak, yang memiliki massa jenis lebih rendah daripada emas), maka untuk mencapai berat yang sama, volume mahkota campuran akan lebih besar dibandingkan mahkota emas murni.

Untuk mengujinya, Archimedes mengambil sebatang emas murni dengan berat yang sama dengan mahkota, dan sebatang perak murni dengan berat yang sama. Ia mencelupkan masing-masing benda ke dalam air dan mengukur volume air yang tumpah atau dipindahkan. Ia menemukan bahwa mahkota memindahkan volume air yang lebih banyak daripada balok emas murni dengan berat yang sama, namun lebih sedikit dari balok perak murni dengan berat yang sama. Ini membuktikan bahwa mahkota tersebut memang dicampur dengan perak, dan pengrajin tersebut telah menipu raja.

Kisah ini, meskipun mungkin telah dihias seiring waktu, menggambarkan esensi dari Hukum Archimedes: bahwa benda yang tercelup dalam fluida akan mengalami gaya apung ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

2. Konsep Dasar Gaya Apung (Buoyancy Force)

Untuk memahami Hukum Archimedes secara menyeluruh, kita harus terlebih dahulu memahami konsep dasar gaya apung. Gaya apung adalah gaya ke atas yang dialami oleh benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida. Gaya ini bekerja berlawanan arah dengan gaya gravitasi.

2.1. Asal Mula Gaya Apung

Gaya apung timbul karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang berbeda. Dalam fluida, tekanan meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman. Ini berarti bagian bawah benda yang tercelup akan mengalami tekanan fluida yang lebih besar daripada bagian atas benda tersebut.

• Tekanan di bagian bawah: Tekanan fluida pada permukaan bawah benda yang tercelup ke dalam air lebih besar karena ia berada pada kedalaman yang lebih besar.
• Tekanan di bagian atas: Tekanan fluida pada permukaan atas benda yang tercelup ke dalam air lebih kecil karena ia berada pada kedalaman yang lebih dangkal (atau nol jika benda mengapung).

Perbedaan tekanan ini menghasilkan gaya bersih ke atas pada benda tersebut. Gaya ini dikenal sebagai gaya apung. Semakin dalam benda tercelup, semakin besar perbedaan tekanan antara bagian atas dan bawah benda (jika volumenya sama), yang pada akhirnya berkontribusi pada gaya apung.

2.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Gaya Apung

Besarnya gaya apung tidak bergantung pada berat total atau massa jenis benda yang tercelup, melainkan pada tiga faktor utama:

1. Massa Jenis (Densitas) Fluida (ρ_fluida): Semakin padat (memiliki massa jenis tinggi) fluidanya, semakin besar gaya apung yang dialami benda. Inilah mengapa lebih mudah mengapung di air laut (yang lebih padat karena mengandung garam) daripada di air tawar.
2. Volume Fluida yang Dipindahkan (V_tercelup): Semakin besar volume bagian benda yang tercelup dalam fluida, atau dengan kata lain, semakin besar volume fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut, semakin besar pula gaya apung yang bekerja padanya. Ini adalah inti dari Hukum Archimedes.
3. Percepatan Gravitasi (g): Gaya apung juga dipengaruhi oleh percepatan gravitasi di tempat benda itu berada. Di Bumi, nilai g umumnya dianggap sekitar 9.8 m/s² atau 10 m/s².

Penting untuk diingat bahwa gaya apung tidak pernah negatif. Ia selalu bekerja ke arah atas, berlawanan dengan gaya gravitasi.

3. Rumus Hukum Archimedes

Hukum Archimedes dapat dinyatakan dalam sebuah rumus matematis yang elegan dan mudah digunakan. Rumus ini secara presisi mengukur besarnya gaya apung.

3.1. Formuliasi Matematika

Hukum Archimedes menyatakan bahwa gaya apung (F_apung) yang bekerja pada suatu benda yang tercelup dalam fluida adalah sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Secara matematis, ini dapat ditulis sebagai:

F_apung = ρ_fluida × g × V_tercelup

Di mana:

• F_apung adalah gaya apung (dalam Newton, N).
• ρ_fluida (rho fluida) adalah massa jenis fluida di mana benda tersebut tercelup (dalam kilogram per meter kubik, kg/m³).
• g adalah percepatan gravitasi (dalam meter per detik kuadrat, m/s²). Di permukaan Bumi, nilainya sekitar 9.8 m/s² atau sering dibulatkan menjadi 10 m/s² untuk perhitungan sederhana.
• V_tercelup adalah volume bagian benda yang tercelup dalam fluida, atau dengan kata lain, volume fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut (dalam meter kubik, m³).

Rumus ini menunjukkan bahwa gaya apung tidak bergantung pada massa jenis atau massa total benda itu sendiri, melainkan pada massa jenis fluida dan volume fluida yang dipindahkan.

3.2. Penjelasan Komponen Rumus

• Mengapa ρ_fluida? Karena gaya apung adalah berat fluida yang dipindahkan. Berat suatu fluida (atau zat apa pun) dihitung dengan mengalikan massanya dengan percepatan gravitasi (W = m * g). Massa fluida yang dipindahkan adalah massa jenis fluida dikalikan dengan volumenya (m = ρ_fluida * V_tercelup). Jadi, berat fluida yang dipindahkan adalah (ρ_fluida * V_tercelup) * g, yang merupakan persis rumus gaya apung.
• V_tercelup vs. V_total_benda: Jika benda tenggelam sepenuhnya, maka V_tercelup sama dengan volume total benda (V_total_benda). Namun, jika benda mengapung, hanya sebagian volumenya yang tercelup, sehingga V_tercelup akan lebih kecil dari V_total_benda. Ini adalah perbedaan krusial yang menentukan apakah benda akan mengapung, melayang, atau tenggelam.

4. Prinsip Mengapung, Melayang, dan Tenggelam

Hukum Archimedes menjelaskan mengapa benda bisa mengapung, melayang, atau tenggelam dalam fluida. Keadaan ini bergantung pada perbandingan antara gaya apung yang bekerja pada benda dan gaya berat (gravitasi) benda itu sendiri.

4.1. Mengapung (Floating)

Benda dikatakan mengapung jika sebagian dari volumenya berada di atas permukaan fluida. Ini terjadi ketika:

• Gaya apung (F_apung) sama dengan gaya berat benda (W_benda).
• Massa jenis benda (ρ_benda) lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρ_fluida).

Ketika benda mengapung, ia hanya akan tercelup sebagian sampai volume fluida yang dipindahkannya (V_tercelup) menghasilkan gaya apung yang cukup untuk menyeimbangkan seluruh gaya berat benda. Bagian yang tidak tercelup berada di atas permukaan. Contoh klasiknya adalah kapal laut yang terbuat dari baja (yang massa jenisnya jauh lebih besar dari air) namun dapat mengapung. Ini karena bentuknya yang berongga membuat volume fluida yang dipindahkan sangat besar, sehingga massa jenis rata-rata kapal (total massa dibagi total volume) menjadi lebih kecil dari massa jenis air.

F_apung = W_benda

ρ_fluida * g * V_tercelup = ρ_benda * g * V_total_benda

ρ_fluida * V_tercelup = ρ_benda * V_total_benda

Dari sini dapat disimpulkan bahwa V_tercelup / V_total_benda = ρ_benda / ρ_fluida. Ini menunjukkan bahwa fraksi volume benda yang tercelup adalah rasio massa jenis benda terhadap massa jenis fluida.

4.2. Melayang (Suspended)

Benda dikatakan melayang jika ia berada di dalam fluida tanpa bergerak naik atau turun, sepenuhnya tercelup di bawah permukaan, namun tidak menyentuh dasar wadah. Ini terjadi ketika:

• Gaya apung (F_apung) sama dengan gaya berat benda (W_benda).
• Massa jenis benda (ρ_benda) sama dengan massa jenis fluida (ρ_fluida).

Dalam kondisi melayang, seluruh volume benda tercelup dalam fluida (V_tercelup = V_total_benda). Karena massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida, maka berat fluida yang dipindahkan (yang sama dengan volume benda) akan persis sama dengan berat benda itu sendiri. Contohnya adalah ikan yang dapat menyesuaikan volume kantung renangnya untuk mengubah massa jenis rata-ratanya sehingga dapat melayang pada kedalaman tertentu.

F_apung = W_benda

ρ_fluida * g * V_total_benda = ρ_benda * g * V_total_benda

ρ_fluida = ρ_benda

4.3. Tenggelam (Sinking)

Benda dikatakan tenggelam jika ia jatuh ke dasar fluida. Ini terjadi ketika:

• Gaya apung (F_apung) lebih kecil daripada gaya berat benda (W_benda).
• Massa jenis benda (ρ_benda) lebih besar daripada massa jenis fluida (ρ_fluida).

Ketika benda memiliki massa jenis yang lebih besar daripada fluida, beratnya akan lebih besar daripada gaya apung yang dihasilkan oleh volume fluida yang dipindahkan (karena V_tercelup dalam hal ini adalah V_total_benda). Akibatnya, ada gaya bersih ke bawah yang membuat benda tenggelam. Contohnya adalah batu yang jatuh ke dasar kolam air, atau sebatang besi padat yang langsung tenggelam dalam air.

F_apung < W_benda

ρ_fluida * g * V_total_benda < ρ_benda * g * V_total_benda

ρ_fluida < ρ_benda

5. Aplikasi Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-hari dan Industri

Prinsip Archimedes bukan sekadar konsep teoretis; ia merupakan fondasi bagi banyak teknologi dan fenomena yang kita temui setiap hari. Aplikasi hukum ini sangat luas, mulai dari desain transportasi hingga pengukuran ilmiah.

5.1. Kapal Laut dan Kapal Selam

Ini adalah salah satu aplikasi paling terkenal dari Hukum Archimedes. Baja, bahan utama pembuatan kapal, memiliki massa jenis sekitar 7800 kg/m³, jauh lebih besar daripada air (air tawar ~1000 kg/m³, air laut ~1025 kg/m³). Secara intuitif, sebatang baja akan tenggelam. Namun, kapal dapat mengapung karena bentuknya yang dirancang khusus.

• Kapal Laut: Lambung kapal dirancang berongga, sehingga meskipun terbuat dari bahan padat, volume total kapal (termasuk ruang kosong di dalamnya) menjadi sangat besar. Ini membuat massa jenis rata-rata kapal (total massa kapal dibagi dengan volume totalnya) jauh lebih kecil dari massa jenis air. Akibatnya, kapal dapat memindahkan volume air yang sangat besar, menghasilkan gaya apung yang cukup untuk menyeimbangkan berat total kapal, termasuk muatan dan penumpangnya. Prinsip ini juga menjelaskan mengapa sebuah kapal akan tenggelam jika lambungnya rusak dan air masuk ke dalam rongganya, karena ini meningkatkan massa jenis rata-rata kapal melebihi air.
• Kapal Selam: Kapal selam menggunakan prinsip yang sama tetapi dengan kemampuan untuk mengatur gaya apungnya. Mereka memiliki tangki pemberat (ballast tanks) yang dapat diisi dengan air atau dikosongkan dengan udara.
  • Untuk menyelam: Tangki pemberat diisi dengan air laut, meningkatkan massa total kapal selam. Ini membuat massa jenis rata-ratanya lebih besar dari air laut, sehingga kapal selam tenggelam.
  • Untuk mengapung/naik: Udara bertekanan tinggi dipompakan ke dalam tangki pemberat, mendorong air keluar. Ini mengurangi massa total kapal selam (karena air diganti dengan udara yang jauh lebih ringan), sehingga massa jenis rata-ratanya menjadi lebih kecil dari air laut, dan kapal selam naik ke permukaan.
  • Untuk melayang: Kapal selam dapat menyeimbangkan jumlah air dan udara dalam tangki pemberat sehingga massa jenis rata-ratanya sama dengan air laut. Pada kondisi ini, kapal selam dapat melayang pada kedalaman tertentu.

5.2. Balon Udara Panas dan Pesawat Udara

Hukum Archimedes tidak hanya berlaku untuk cairan, tetapi juga untuk gas (udara). Balon udara panas bekerja berdasarkan prinsip ini.

• Balon Udara Panas: Udara di dalam balon dipanaskan, menyebabkan molekul-molekul udara bergerak lebih cepat dan menyebar, sehingga udara panas menjadi kurang padat (massa jenisnya lebih rendah) dibandingkan udara dingin di sekitarnya. Udara panas yang lebih ringan ini menghasilkan gaya apung di dalam udara dingin yang lebih padat di sekitarnya. Ketika gaya apung ini lebih besar dari berat total balon (termasuk keranjang dan penumpangnya), balon akan naik. Untuk turun, udara di dalam balon didinginkan.
• Pesawat Udara: Meskipun pesawat udara tidak mengapung seperti kapal laut atau balon udara (karena mereka menghasilkan daya angkat melalui bentuk sayap dan kecepatan), massa jenis udara tetap relevan. Udara yang lebih padat (pada ketinggian rendah atau suhu dingin) memberikan lebih banyak "daya angkat" dan efisiensi aerodinamis dibandingkan udara yang lebih tipis (pada ketinggian tinggi atau suhu panas).

5.3. Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis relatif cairan. Alat ini berbentuk tabung kaca berskala dengan pemberat di bagian bawahnya agar dapat mengapung tegak. Ketika hidrometer dicelupkan ke dalam cairan, ia akan mengapung pada kedalaman tertentu. Semakin rendah massa jenis cairan, semakin dalam hidrometer akan tercelup (karena membutuhkan volume fluida yang lebih besar untuk memindahkan beratnya sendiri). Skala pada hidrometer dikalibrasi untuk membaca massa jenis cairan secara langsung. Hidrometer digunakan dalam berbagai industri, seperti:

• Mengukur kadar alkohol dalam minuman.
• Mengukur keasaman baterai mobil (kadar asam sulfat).
• Mengukur kadar gula dalam larutan di industri makanan.
• Menentukan kualitas susu.

5.4. Pelampung dan Jaket Pelampung

Pelampung, baik yang digunakan untuk memancing, menandai jalur air, atau sebagai jaket pelampung, semuanya bekerja berdasarkan Hukum Archimedes. Mereka dirancang untuk memiliki volume yang besar dan massa yang relatif kecil, sehingga massa jenis rata-ratanya sangat rendah. Ketika dicelupkan ke dalam air, mereka memindahkan volume air yang besar, menghasilkan gaya apung yang signifikan untuk menopang berat diri mereka sendiri dan, dalam kasus jaket pelampung, juga berat orang yang memakainya.

5.5. Es Batu di Minuman

Es batu (air dalam bentuk padat) memiliki massa jenis sekitar 917 kg/m³, sedangkan air cair memiliki massa jenis sekitar 1000 kg/m³. Karena massa jenis es lebih rendah daripada air cair, es batu akan mengapung di permukaan air. Ini adalah anomali unik air; kebanyakan zat lain menjadi lebih padat saat membeku. Fenomena ini penting untuk kehidupan di Bumi, karena danau membeku dari atas ke bawah, memungkinkan kehidupan akuatik bertahan hidup di bawah es.

5.6. Dok Apung

Dok apung adalah struktur besar yang digunakan untuk memperbaiki dan merawat kapal. Dok ini bekerja seperti kapal selam terbalik. Untuk menerima kapal, tangki di dok diisi air sehingga dok tenggelam sebagian. Setelah kapal masuk, air dikeluarkan dari tangki, membuat dok mengapung dan mengangkat kapal keluar dari air, memungkinkan perawatan pada lambung kapal.

5.7. Penyelaman (Diving)

Penyelam scuba menggunakan alat pengatur daya apung (Buoyancy Compensator Device - BCD) yang mirip dengan tangki pemberat kapal selam. Dengan mengisi atau mengosongkan BCD dengan udara dari tabung penyelam, mereka dapat mengubah volume rata-rata dan massa jenis diri mereka sendiri beserta perlengkapannya. Ini memungkinkan penyelam untuk mengapung di permukaan, melayang di kedalaman tertentu, atau tenggelam ke dasar laut dengan terkontrol.

5.8. Industri Pertambangan dan Pemisahan Material

Dalam industri pertambangan, Hukum Archimedes digunakan dalam proses pemisahan mineral melalui flotasi. Mineral yang berbeda memiliki massa jenis yang berbeda. Dengan menggunakan cairan dengan massa jenis tertentu, mineral dapat dipisahkan; yang lebih ringan akan mengapung dan yang lebih berat akan tenggelam. Metode ini sangat efisien untuk memisahkan bijih berharga dari batuan limbah (gangue).

5.9. Arsitektur dan Desain Maritim

Para arsitek angkatan laut dan insinyur maritim sangat bergantung pada Hukum Archimedes dalam merancang kapal, kapal selam, anjungan minyak lepas pantai, dan struktur apung lainnya. Perhitungan gaya apung, stabilitas, dan perpindahan volume adalah inti dari keamanan dan efisiensi setiap konstruksi maritim.

5.10. Ilmu Meteorologi

Hukum Archimedes juga berlaku di atmosfer. Parcel udara panas atau uap air yang kurang padat akan naik (mengapung) melalui udara yang lebih dingin dan lebih padat di sekitarnya. Proses inilah yang mendorong pembentukan awan dan sistem cuaca.

6. Contoh Soal dan Pembahasan

Mari kita terapkan rumus Hukum Archimedes dengan beberapa contoh soal untuk memperjelas pemahaman.

6.1. Contoh 1: Benda Tercelup Sepenuhnya

Sebuah balok besi dengan volume 0.01 m³ dicelupkan sepenuhnya ke dalam air tawar. Jika massa jenis air tawar adalah 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi (g) adalah 10 m/s², hitunglah gaya apung yang bekerja pada balok tersebut.

Diketahui:

• V_tercelup = V_total_benda = 0.01 m³ (karena tercelup sepenuhnya)
• ρ_fluida = 1000 kg/m³ (massa jenis air tawar)
• g = 10 m/s²

Ditanyakan: F_apung = ?

Penyelesaian:

Menggunakan rumus Hukum Archimedes:

F_apung = ρ_fluida × g × V_tercelup

F_apung = 1000 kg/m³ × 10 m/s² × 0.01 m³

F_apung = 100 N

Jadi, gaya apung yang bekerja pada balok besi tersebut adalah 100 Newton.

6.2. Contoh 2: Benda Mengapung

Sebuah gabus memiliki volume total 0.005 m³. Ketika diletakkan di air tawar (ρ_air = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²), 60% dari volumenya tercelup. Hitunglah massa gabus tersebut.

Diketahui:

• V_total_gabus = 0.005 m³
• V_tercelup = 60% dari V_total_gabus = 0.60 × 0.005 m³ = 0.003 m³
• ρ_air = 1000 kg/m³
• g = 10 m/s²

Ditanyakan: m_gabus = ?

Penyelesaian:

Karena gabus mengapung, maka gaya apung (F_apung) sama dengan gaya berat gabus (W_gabus).

Langkah 1: Hitung gaya apung.

F_apung = ρ_air × g × V_tercelup

F_apung = 1000 kg/m³ × 10 m/s² × 0.003 m³

F_apung = 30 N

Langkah 2: Gaya apung sama dengan gaya berat gabus.

W_gabus = F_apung = 30 N

Langkah 3: Hitung massa gabus dari gaya beratnya (W = m × g).

m_gabus = W_gabus / g

m_gabus = 30 N / 10 m/s²

m_gabus = 3 kg

Jadi, massa gabus tersebut adalah 3 kilogram.

6.3. Contoh 3: Menentukan Massa Jenis Benda

Sebuah benda memiliki berat 150 N di udara. Ketika ditimbang di dalam air (ρ_air = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²), beratnya menjadi 100 N. Hitunglah massa jenis benda tersebut.

Diketahui:

• Berat benda di udara (W_udara) = 150 N
• Berat benda di air (W_air) = 100 N
• ρ_air = 1000 kg/m³
• g = 10 m/s²

Ditanyakan: ρ_benda = ?

Penyelesaian:

Langkah 1: Hitung gaya apung. Gaya apung adalah selisih berat benda di udara dan berat benda di dalam air.

F_apung = W_udara - W_air

F_apung = 150 N - 100 N = 50 N

Langkah 2: Gunakan rumus gaya apung untuk mencari volume benda yang tercelup (karena beratnya berkurang di air, benda diasumsikan tercelup sepenuhnya).

F_apung = ρ_air × g × V_tercelup

50 N = 1000 kg/m³ × 10 m/s² × V_tercelup

50 = 10000 × V_tercelup

V_tercelup = 50 / 10000 = 0.005 m³

Karena benda tercelup sepenuhnya, maka V_total_benda = V_tercelup = 0.005 m³.

Langkah 3: Hitung massa benda dari beratnya di udara.

m_benda = W_udara / g

m_benda = 150 N / 10 m/s² = 15 kg

Langkah 4: Hitung massa jenis benda.

ρ_benda = m_benda / V_total_benda

ρ_benda = 15 kg / 0.005 m³

ρ_benda = 3000 kg/m³

Jadi, massa jenis benda tersebut adalah 3000 kg/m³.

7. Kesalahpahaman Umum tentang Hukum Archimedes

Meskipun Hukum Archimedes terkesan sederhana, beberapa kesalahpahaman sering muncul. Penting untuk mengklarifikasi hal-hal ini untuk pemahaman yang benar.

7.1. "Benda yang Berat Selalu Tenggelam"

Ini adalah kesalahpahaman yang sangat umum. Berat total benda bukanlah satu-satunya faktor penentu apakah benda akan tenggelam atau mengapung. Yang lebih penting adalah massa jenis benda relatif terhadap massa jenis fluida, atau dengan kata lain, hubungan antara gaya berat benda dan gaya apung yang dialaminya.

Sebuah koin kecil yang beratnya hanya beberapa gram akan tenggelam di air, tetapi sebuah kapal baja raksasa yang beratnya berton-ton dapat mengapung. Mengapa? Karena meskipun kapal sangat berat, desainnya yang berongga membuat volume fluida yang dipindahkannya sangat besar, sehingga massa jenis rata-rata kapal jauh lebih kecil daripada massa jenis air. Koin, meskipun ringan, sangat padat dan memiliki massa jenis yang jauh lebih besar dari air.

7.2. "Gaya Apung Hanya Berlaku untuk Cairan"

Banyak orang berpikir Hukum Archimedes hanya berlaku untuk benda yang tercelup dalam air atau cairan lainnya. Namun, prinsip ini berlaku untuk semua fluida, termasuk gas. Balon udara panas adalah contoh sempurna dari Hukum Archimedes yang bekerja di udara. Bahkan, kita sendiri mengalami gaya apung dari udara di sekitar kita, meskipun efeknya sangat kecil dan sering diabaikan karena massa jenis udara yang sangat rendah dibandingkan massa jenis tubuh kita.

7.3. "Gaya Apung Tergantung pada Kedalaman Benda"

Selama benda sepenuhnya tercelup, besarnya gaya apung tidak berubah dengan kedalaman. Hal ini karena gaya apung ditentukan oleh volume fluida yang dipindahkan dan massa jenis fluida, bukan oleh kedalaman spesifik tempat benda itu berada (setelah sepenuhnya tenggelam). Tentu saja, tekanan fluida memang meningkat dengan kedalaman, tetapi peningkatan tekanan di bagian bawah benda diimbangi oleh peningkatan tekanan di bagian atas, menjaga perbedaan tekanan (dan karenanya, gaya apung) tetap konstan untuk volume benda yang sama.

Jika benda mengapung, maka ia akan tercelup pada kedalaman tertentu yang membuat gaya apung sama dengan beratnya, dan kedalaman itu tidak akan berubah kecuali massa jenis fluida atau berat benda berubah.

7.4. "Benda Apung Memiliki Gaya Apung Positif, Benda Tenggelam Memiliki Gaya Apung Negatif"

Gaya apung selalu merupakan gaya ke atas (positif). Yang membedakan adalah perbandingan antara gaya apung dengan gaya berat benda.

• Jika F_apung > W_benda, benda akan naik (mengapung ke permukaan).
• Jika F_apung = W_benda, benda akan melayang.
• Jika F_apung < W_benda, benda akan tenggelam, tetapi ia tetap mengalami gaya apung yang mengurangi "berat efektifnya" di dalam fluida.

8. Eksperimen Sederhana Hukum Archimedes

Beberapa eksperimen sederhana dapat dengan mudah dilakukan di rumah untuk mengamati dan memahami Hukum Archimedes secara langsung.

8.1. Mengapungkan Jeruk (Dikupas vs. Tidak Dikupas)

Bahan: Dua buah jeruk (satu utuh, satu dikupas), wadah berisi air.

Prosedur:

1. Letakkan jeruk yang utuh (belum dikupas) ke dalam wadah berisi air. Amati apa yang terjadi.
2. Kupas jeruk yang kedua, lalu letakkan ke dalam wadah air yang sama. Amati perbedaannya.

Pengamatan dan Penjelasan: Jeruk yang utuh akan mengapung karena kulit jeruk memiliki pori-pori dan mengandung kantung udara kecil yang terperangkap. Udara ini membuat massa jenis rata-rata jeruk (termasuk kulit) menjadi lebih kecil daripada air. Ketika kulit dikupas, kantung udara ini hilang, dan massa jenis daging jeruk (yang lebih padat daripada air) membuat jeruk yang sudah dikupas tenggelam. Ini menunjukkan bagaimana keberadaan rongga atau material berpori dapat mengurangi massa jenis rata-rata benda, memungkinkannya mengapung.

8.2. Telur Mengapung, Melayang, dan Tenggelam

Bahan: Tiga butir telur, tiga gelas bening, air, garam dapur.

Prosedur:

1. Isi ketiga gelas dengan air tawar.
2. Di gelas pertama, masukkan telur. Amati. (Telur akan tenggelam karena massa jenis telur > massa jenis air tawar).
3. Di gelas kedua, masukkan telur, lalu tambahkan garam sedikit demi sedikit sambil diaduk perlahan hingga telur melayang di tengah air.
4. Di gelas ketiga, masukkan telur, lalu tambahkan garam lebih banyak lagi sambil diaduk hingga telur mengapung di permukaan.

Pengamatan dan Penjelasan:

Eksperimen ini menunjukkan efek perubahan massa jenis fluida. Dengan menambahkan garam ke air, kita meningkatkan massa air.

• Telur Tenggelam: Di air tawar, massa jenis telur lebih besar dari air, sehingga tenggelam.
• Telur Melayang: Ketika garam ditambahkan dalam jumlah yang tepat, massa jenis air garam menjadi sama dengan massa jenis telur, sehingga telur melayang.
• Telur Mengapung: Dengan lebih banyak garam, massa jenis air garam menjadi lebih besar dari massa jenis telur, sehingga telur mengapung di permukaan.

8.3. Mengukur Gaya Apung dengan Neraca Pegas

Bahan: Benda padat (misalnya batu atau logam), neraca pegas, benang, wadah berisi air.

Prosedur:

1. Gantung benda pada neraca pegas di udara dan catat beratnya (W_udara).
2. Celupkan benda sepenuhnya ke dalam air (pastikan benda tidak menyentuh dasar atau sisi wadah) dan catat beratnya lagi (W_air).
3. Hitung selisih antara W_udara dan W_air. Selisih ini adalah gaya apung yang dialami benda.
4. Opsional: Ukur volume air yang tumpah atau dipindahkan jika wadah memiliki skala volume.

Pengamatan dan Penjelasan: Anda akan menemukan bahwa W_air lebih kecil dari W_udara. Perbedaan ini adalah besarnya gaya apung yang bekerja ke atas pada benda. Jika Anda dapat mengukur volume air yang tumpah atau dipindahkan, Anda dapat memverifikasi bahwa berat air yang dipindahkan tersebut (m_air_dipindah * g) kira-kira sama dengan gaya apung yang Anda hitung dari selisih berat.

9. Relevansi Modern dan Penelitian Lanjutan

Meskipun Hukum Archimedes ditemukan ribuan tahun lalu, relevansinya tidak pernah pudar. Faktanya, prinsip ini terus menjadi dasar bagi inovasi dan penelitian di berbagai bidang modern.

9.1. Teknologi Kelautan dan Bawah Air

Desain kapal selam otonom (AUV), kendaraan bawah air tanpa awak (ROV), dan sensor laut dalam sangat bergantung pada kontrol daya apung yang presisi. Kemampuan untuk mengapung, melayang, atau tenggelam dengan efisien adalah kunci untuk misi eksplorasi laut dalam, pemetaan dasar laut, dan pengawasan bawah air.

Selain itu, konsep daya apung netral (neutral buoyancy) sangat penting dalam robotika bawah air, memungkinkan robot untuk bergerak bebas dalam tiga dimensi tanpa menghabiskan energi untuk menahan diri dari tenggelam atau melayang. Ini juga krusial dalam rancangan stasiun penelitian bawah air dan habitat laut dalam.

9.2. Rekayasa Material dan Ringan

Hukum Archimedes mendorong pengembangan material yang lebih ringan dan kuat, terutama untuk aplikasi di mana berat adalah faktor kritis (misalnya, aerospace, otomotif, dan tentu saja, maritim). Insinyur terus mencari cara untuk menciptakan struktur yang memiliki massa jenis rata-rata rendah namun tetap mempertahankan integritas struktural, memungkinkan pembuatan kendaraan yang lebih efisien bahan bakar dan lebih ramah lingkungan.

Pengembangan material komposit berpori, busa logam, atau struktur sarang lebah adalah contoh bagaimana kita memanipulasi volume dan massa untuk mencapai massa jenis yang diinginkan, seringkali dengan tujuan untuk meningkatkan daya apung relatif terhadap bahan lain atau untuk mengurangi total berat keseluruhan sistem.

9.3. Biofisika dan Biomekanika

Dalam biologi, prinsip Archimedes menjelaskan bagaimana organisme akuatik beradaptasi untuk hidup di air. Ikan menggunakan kantung renang untuk mengatur daya apungnya. Hewan laut seperti cumi-cumi dan sotong dapat mengatur kepadatan tubuh mereka dengan mengubah komposisi cairan tubuh atau menggunakan rongga udara. Bahkan, cara tulang kita memberikan daya apung tertentu saat berenang juga merupakan aplikasi prinsip ini.

Penelitian di bidang biofisika menggunakan prinsip daya apung untuk memahami pergerakan sel dalam cairan, interaksi partikel biologis, dan desain perangkat medis yang berinteraksi dengan fluida tubuh.

9.4. Eksplorasi Antariksa (Microgravity Buoyancy)

Meskipun tidak ada "fluida" dalam ruang hampa, konsep daya apung masih memiliki relevansi dalam konteks simulasi gravitasi mikro di Bumi. Astronaut berlatih di kolam renang raksasa (Neutral Buoyancy Laboratory) di mana mereka disetel untuk mencapai daya apung netral di air. Ini mensimulasikan kondisi tanpa bobot di luar angkasa, memungkinkan mereka untuk berlatih manuver dan perbaikan tanpa terbebani oleh gravitasi Bumi. Meskipun bukan Hukum Archimedes dalam arti ketat (karena tujuan utamanya adalah meniadakan efek gravitasi, bukan mengapung), prinsip mengatur gaya apung menjadi sangat penting dalam pelatihan ini.

9.5. Lingkungan dan Perubahan Iklim

Hukum Archimedes membantu kita memahami dampak perubahan iklim. Pencairan es gletser dan lapisan es kutub berkontribusi pada kenaikan permukaan laut. Meskipun es yang mengapung di laut (seperti gunung es) sudah memindahkan volume air yang setara dengan beratnya, sehingga pencairannya tidak banyak mengubah permukaan laut, es daratan yang mencair dan mengalir ke laut akan meningkatkan volume air secara signifikan, sesuai dengan Hukum Archimedes.

Selain itu, studi tentang pergerakan plastik mikro di lautan juga melibatkan prinsip daya apung, karena kepadatan berbagai jenis plastik menentukan seberapa dalam mereka tenggelam atau seberapa lama mereka mengapung di kolom air.

10. Kesimpulan

Hukum Archimedes, sebuah penemuan yang berusia ribuan tahun, tetap menjadi salah satu pilar utama dalam fisika dan rekayasa. Dari momen "Eureka!" di bak mandi Raja Hieron hingga aplikasi canggih dalam teknologi kelautan modern dan eksplorasi ruang angkasa, prinsip ini secara fundamental membentuk pemahaman kita tentang bagaimana benda berinteraksi dengan fluida.

Kita telah melihat bagaimana gaya apung, yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan, menentukan apakah suatu benda akan mengapung, melayang, atau tenggelam. Konsep ini memungkinkan kita merancang kapal yang mampu mengarungi samudra, kapal selam yang menjelajahi kedalaman laut, dan balon udara yang menembus langit. Hidrometer, jaket pelampung, dan bahkan cara es mengapung di minuman kita adalah bukti nyata akan relevansi abadi dari penemuan Archimedes.

Lebih dari sekadar rumus fisika, Hukum Archimedes adalah pengingat akan kekuatan observasi dan pemikiran logis. Ini adalah warisan dari seorang jenius kuno yang terus menginspirasi para ilmuwan dan insinyur untuk memahami, memanipulasi, dan memanfaatkan kekuatan alam demi kemajuan manusia. Pemahaman yang kuat tentang Hukum Archimedes tidak hanya esensial bagi pelajar fisika, tetapi juga bagi siapa pun yang ingin memahami dunia di sekitar kita dengan lebih baik.

Dengan pemahaman yang benar, kita dapat mengapresiasi keindahan dan kepraktisan prinsip ini, serta terus menemukan aplikasi baru yang tak terduga dalam menghadapi tantangan masa depan.