Cara Menghitung Gaya Apung

Gaya apung adalah gaya yang berlawanan arah dengan gravitasi, yang mempengaruhi semua benda yang tenggelam dalam fluida. Saat sebuah benda diletakkan dalam cairan, massa benda menekan fluida (cairan atau gas), sedangkan gaya apung ke atas menekan benda, berperan melawan gravitasi. Dalam istilah umumnya, gaya apung ini dapat dihitung dengan persamaan F_a = V_t × ρ × g, dengan F_a adalah gaya apung, V_t adalah volume benda yang tenggelam, ρ adalah massa jenis fluida, dan g adalah gaya gravitasi. Untuk mempelajari cara menentukan gaya apung sebuah benda, lihatlah Langkah 1 di bawah ini untuk memulai.

Metode 1

Metode 1 dari 2:

Menggunakan Persamaan Gaya Apung

Unduh PDF

1
Carilah volume bagian benda yang tenggelam. Gaya apung yang bekerja pada sebuah benda sesuai dengan besar volume benda yang ditenggelamkan. Dengan kata lain, semakin besar bagian padat benda yang ditenggelamkan, semakin besar gaya apung yang bekerja pada benda. Hal ini berarti bahwa benda-benda yang tenggelam dalam cairan, memiliki gaya apung yang mendorong benda ke atas. Untuk mulai menghitung gaya apung yang bekerja pada benda, langkah pertama Anda biasanya adalah menentukan volume benda yang tenggelam dalam fluida. Untuk persamaan gaya apung, nilai ini sebaiknya dalam meter³.
- Untuk benda yang benar-benar tenggelam dalam fluida, volume yang tenggelam akan sama dengan volume benda itu sendiri. Untuk benda yang mengapung di atas permukaan fluida, hanya volume di bawah permukaan yang dihitung.
- Sebagai contoh, misalkan kita ingin mencari gaya apung yang bekerja pada bola karet yang mengapung di atas air. Jika bola karet adalah bola sempurna dengan diameter 1 m dan mengapung dengan setengah bagiannya tenggelam di bawah air, kita dapat mencari volume bagian yang tenggelam dengan mencari volume keseluruhan bola dan membaginya dengan dua. Karena volume bola adalah (4/3) π (jari-jari)³ , kita tahu bahwa volume bola kita adalah (4/3)π(0,5)³ = 0,524 meter³. 0,524/2 = 0,262 meter³ tenggelam.
2
Carilah massa jenis fluida Anda. Langkah selanjutnya dalam proses mencari gaya apung adalah dengan mendefinisikan massa jenis (dalam kilogram/meter³) dari fluida tempat benda ditenggelamkan. Massa jenis adalah pengukuran massa benda atau zat relatif terhadap volumenya. Jika diberikan dua benda dengan volume yang sama, benda dengan massa jenis lebih besar akan memiliki massa lebih besar. Berdasarkan aturan, semakin besar massa jenis fluida tempat benda ditenggelamkan, semakin besar gaya apungnya. Dengan fluida, biasanya cara paling mudah untuk menentukan massa jenis adalah hanya dengan mencarinya dalam bahan referensi.
- Dalam contoh kita, bola kita mengapung di air. Dengan mencari keterangan pada sumber akademik, kita dapat menemukan bahwa air memiliki massa jenis sekitar 1.000 kilogram/meter³.
- Massa jenis fluida lainnya yang banyak digunakan, terdaftar dalam sumber-sumber teknik. Salah satu daftarnya dapat ditemukan di sini.
3
Carilah gaya gravitasi (atau gaya ke bawah lainnya). Baik jika benda tenggelam atau mengapung dalam fluida, benda selalu memiliki gaya gravitasi. Dalam dunia nyata, konstanta gaya ke bawah sama dengan 9,81 newton/kilogram. Akan tetapi, dalam situasi di mana gaya lain, misalnya gaya sentrifugal, yang bekerja pada fluida dan benda yang ditenggelamkan di dalamnya, gaya ini juga harus diperhitungkan untuk menentukan gaya total ke bawah untuk keseluruhan sistem.
- Dalam contoh kita, kita bekerja dengan sistem yang biasa dan statis, sehingga kita dapat menganggap bahwa satu-satunya gaya ke bawah yang bekerja pada fluida dan benda adalah gaya gravitasi umum — 9,81 newton/kilogram.
- Akan tetapi, bagaimana jika bola kita yang mengapung di seember air, diayunkan melingkar ke arah horisontal dengan kecepatan tinggi? Dalam soal ini, dengan menganggap ember diayunkan cukup cepat hingga air dan bola tidak tumpah, gaya ke bawah dalam situasi ini akan diturunkan dari gaya sentrifugal yang tercipta dari ayunan ember, bukan dari gravitasi bumi.
4
Kalikan volume × massa jenis × gravitasi. Jika Anda memiliki nilai volume benda Anda (dalam meter³), massa jenis fluida Anda (dalam kilogram/meter³), dan gaya gravitasi (gaya ke bawah pada sistem Anda), maka mencari gaya apung sangat mudah. Kalikan saja ketiga nilai ini untuk mencari gaya apung dalam newton.
- Ayo selesaikan contoh soal kita dengan memasukkan nilai kita ke dalam persamaan F_a = V_t × ρ × g. F_a = 0,262 meter³ × 1.000 kilogram/meter³ × 9,81 newton/kilogram = 2.570 newton.
5
Lihatlah jika benda Anda mengapung dengan membandingkan gaya apung dengan gaya gravitasinya. Menggunakan persamaan gaya apung, mudah untuk mencari gaya yang mendorong benda ke atas hingga keluar dari fluida. Akan tetapi, dengan sedikit usaha tambahan, juga mungkin untuk menentukan jika benda akan mengapung atau tenggelam. Cari saja gaya apung untuk keseluruhan benda (dengan kata lain, gunakan keseluruhan volumenya untuk nilai V_t), kemudian carilah gaya gravitasi yang mendorongnya ke bawah dengan persamaan G = (massa benda)(9,81 meter/sekon²). Jika gaya apung lebih besar dari gaya gravitasi, maka benda akan mengapung. Sebaliknya, jika gaya gravitasi lebih besar daripada gaya apung, benda akan tenggelam. Jika besarnya sama, benda dikatakan melayang.
- Misalnya, katakan kita ingin mengetahui jika tong kayu tabung dengan massa 20 kilogram dan diameter 0,75 m, serta tinggi 1,25 m akan mengapung di air. Soal ini akan menggunakan beberapa langkah:
  - Kita dapat mencari volumenya dengan rumus volume tabung V = π (jari-jari)²(tinggi). V = π(0,375)²(1,25) = 0,55 meter³.
  - Selanjutnya, dengan asumsi bahwa besar gravitasi biasa dan air dengan massa jenis biasa, kita dapat mencari gaya apung tong. 0,55 meter³ × 1000 kilogram/meter³ × 9,81 newton/kilogram = 5.395,5 newton.
  - Sekarang, kita perlu mencari gaya gravitasi tong. G = (20 kg)(9,81 meter/sekon²) = 196,2 newton. Gaya ini kurang dari gaya apung, sehingga tong akan mengapung.
Saat mengerjakan soal-soal keterapungan, jangan lupa bahwa fluida tempat benda ditenggelamkan, tidak harus berupa cairan. Gas juga termasuk fluida, dan, meskipun gas memiliki massa jenis yang sangat rendah dibandingkan dengan zat lainnya, gas masih dapat mendukung massa benda tertentu yang mengapung di gas. Balon helium sederhana adalah buktinya. Karena gas dalam balon lebih renggang dari fluida di sekitarnya (udara sekitar), balon mengapung!
Iklan

Metode 2

Metode 2 dari 2:

Melakukan Percobaan Gaya Apung yang Sederhana

Unduh PDF

Dengan beberapa barang rumah tangga, mudah untuk melihat prinsip-prinsip gaya apung dalam percobaan! Dalam percobaan sederhana ini, kita akan mendemonstrasikan bahwa benda yang ditenggelamkan akan mengalami gaya apung karena memindahkan volume fluida sebesar volume benda yang ditenggelamkan. Saat kita melakukan hal ini, kita juga akan mendemonstrasikan cara praktis untuk mencari gaya apung benda dengan percobaan ini. Untuk memulai, letakkan wadah kecil yang terbuka, seperti mangkok atau cangkir, di dalam wadah yang lebih besar, seperti mangkok atau ember besar.
2
Isilah wadah kecil hingga penuh. Selanjutnya, isilah wadah dalam yang lebih kecil dengan air. Anda ingin airnya setinggi wadah tanpa tumpah. Hati-hati di sini! Jika Anda menumpahkan air, kosongkan wadah yang lebih besar sebelum mencoba kembali.
- Untuk tujuan percobaan ini, tidak masalah untuk menganggap bahwa air memiliki massa jenis umum yaitu 1000 kilogram/meter³. Kecuali Anda menggunakan air laut atau cairan yang benar-benar berbeda, kebanyakan jenis air memiliki massa jenis yang hampir sama dengan nilai referensi ini sehingga perbedaan kecil tidak akan mengubah hasil kita.
- Jika Anda memiliki tetes mata, hal ini dapat sangat berguna untuk menaikkan tingkat air dalam wadah kecil.
3
Tenggelamkan benda yang kecil. Selanjutnya, carilah benda kecil yang dapat masuk ke dalam wadah kecil dan tidak akan rusak karena air. Carilah massa benda ini dalam kilogram (Anda mungkin ingin menggunakan timbangan atau neraca yang dapat memberikan hasil gram dan mengubahnya menjadi kilogram). Kemudian, tanpa membuat jari Anda basah, perlahan tetapi pasti, celupkan benda ini ke air hingga mulai mengapung atau Anda dapat sedikit memegangnya, kemudian melepaskannya. Anda akan menyadari bahwa sebagian air dalam wadah kecil akan tumpah ke wadah luar.
- Untuk tujuan contoh kita, misalkan kita mencelupkan mainan mobil-mobilan dengan massa 0,05 kilogram ke dalam wadah kecil. Kita tidak perlu mengetahui volume mobil ini untuk menghitung gaya apungnya karena kita akan melihatnya di langkah selanjutnya.
4
Kumpulkan dan hitunglah air yang tumpah. Saat Anda menenggelamkan benda dalam air, benda memindahkan sebagian air — jika tidak, maka tidak akan ada tempat untuk memasukkan benda ke dalam air. Saat benda menekan air keluar, air menekan kembali, menyebabkan terciptanya gaya apung. Ambillah air yang tumpah dari wadah kecil dan tuangkan ke gelas ukur kecil. Volume air dalam gelas ukur sama dengan volume benda yang ditenggelamkan.
- Dengan kata lain, jika benda Anda mengapung, volume air yang tumpah akan sama dengan volume benda yang tercelup di bawah permukaan air. Jika benda Anda tenggelam, volume air yang tumpah sama dengan volume keseluruhan benda.
5
Hitunglah massa air yang tumpah. Karena Anda mengetahui massa jenis air dan Anda dapat mengukur volume air yang tumpah di gelas ukur, maka Anda dapat mencari massanya. Ubah saja volumenya menjadi meter³ (bantuan konversi daring, seperti ini, bisa membantu) dan kalikan dengan massa jenis air (1.000 kilogram/meter³).
- Dalam contoh kita, misalkan mainan mobil-mobilan kita tenggelam dalam wadah kecil dan memindahkan sekitar dua sendok makan (0,00003 meter³). Untuk mencari massa air kita, kita akan mengalikannya dengan massa jenisnya: 1.000 kilogram/meter³ × 0,00003 meter³ = 0,03 kilogram.
6
Bandingkan massa air yang tumpah dengan massa benda. Sekarang, karena Anda sudah mengetahui massa benda yang Anda tenggelamkan dalam air dan massa air yang tumpah, bandingkan untuk melihat massa yang lebih besar. Jika massa benda yang ditenggelamkan dalam wadah kecil lebih besar dari air yang tumpah, benda akan tenggelam. Sebaliknya, jika massa air yang tumpah lebih besar, benda akan mengapung. Inilah prinsip keterapungan dalam percobaan — agar benda mengapung, benda harus memindahkan sejumlah air dengan massa yang lebih besar dari massa benda itu sendiri.
- Dengan demikian, benda-benda dengan massa rendah tetapi volume besar adalah jenis-jenis benda yang paling mudah terapung. Sifat ini berarti benda berongga sangat mudah terapung. Bayangkan sebuah kano — kano terapung dengan baik karena berongga bagian dalamnya, sehingga dapat memindahkan banyak air tanpa harus memiliki massa yang besar. Jika kano tidak berongga (padat), maka kano tidak akan dapat mengapung dengan baik.
- Dalam contoh kita, mobil memiliki massa lebih besar (0,05 kilogram) dari air yang tumpah (0,03 kilogram). Hal ini sesuai dengan hal yang kita amati: mobil-mobilannya tenggelam.
Iklan