Bahan ajar Hukum Archimedes

Bahan ajar Hukum Archimedes terdiri dari Kompetensi Dasar dan Indikator Pencapaian Kompetensi, Materi Pelajaran, Contoh soal, Soal latihan dan Tes formatif.

A. Kompetensi Dasar

3. 1 Menerapkan hukum-hukum fluida statik dalam kehidupan sehari-hari

4.1 Merancang dan melakukan percobaan yang memanfaatkan sifat-sifat fluida statik, berikut presentasi hasil percobaan dan pemanfaatannya

B. Indikator Pencapaian Kompetensi

1. Mengingat (C1), memahami (C2), mengaplikasikan (C3), menganalisis (C4) dan menyimpulkan (C5) konsep gaya apung, hukum Archimedes dan konsep terapung, melayang, tenggelam

2. Memecahkan (C4) dan mengkoreksi (C6) soal-soal tentang gaya apung dan hukum Archimedes

3. Melaksanakan (P2) percobaan hukum Archimedes

4. Menunjukkan (P3) dan menentukan (P5) gaya apung dan hukum Archimedes

HUKUM ARCHIMEDES

I. PENGANTAR

Pernah menumpang Kapal Laut ? Kapal yang massanya sangat besar tidak tenggelam, sedangkan sebuah batu yang ukurannya kecil dan terasa ringan bisa tenggelam. Mengapa bisa demikian ?

Apakah Anda tahu, gambar apakah yang ada di sebelah kiri? Kapal selam merupakan kapal yang dapat terapung di permukaan laut dan juga dapat menyelam di dalam air laut. Bagaimana caranya agar kapal selam mengapung dan menyelam ?

Gambar apakah yang Anda amati di sebelah kanan? Balon udara bisa terbang di ketinggian. Mengapa balon bisa terbang, bagaimana cara menerbangkan balon udara?

Kapal dapat mengapung di permukaan laut dan menyelam di dalam laut, demikian juga balon dapat mengapung di atmosfir alias udara. Agar dapat memahami hal ini, terlebih dahulu Anda harus memahami Hukum Archimedes. Agar Anda dapat memahami hukum Archimedes, terlebih dahulu Anda harus mengerti konsep Gaya Apung.

Sumber gambar: Google.com

II. GAYA APUNG

Manakah yang terasa lebih ringan, sebuah batu diangkat di darat atau batu yang sama diangkat di dalam air? Jika belum pernah mengalami, sebaiknya Anda mencoba melakukan agar dapat menjawab pertanyaan ini. Lebih berat mengangkat sebuah batu di atas permukaan tanah tetapi batu yang sama lebih ringan diangkat di dalam air. Hal ini disebabkan karena adanya gaya apung.

Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, akan terdapat perbedaan tekanan antara fluida pada bagian atas benda dan fluida pada bagian bawah benda. Fluida yang terletak pada bagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang berada di bagian atas benda. Gaya apung terjadi karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang berbeda.

Pada gambar, tampak sebuah benda melayang di dalam zat cair. Zat cair yang berada di bawah fluida memiliki tekanan yang lebih besar daripada zat cair yang terletak di atas benda, karena zat cair yang berada di bawah benda memiliki kedalaman yang lebih besar daripada zat cair yang berada di atas benda (h₂ > h₁).

Keterangan : F_A = gaya apung, ρ = massa jenis zat cair, g = percepatan gravitasi, V = volume benda yang tercelup di dalam zat cair

Gantikan ρV pada rumus Gaya apung dengan m pada rumus massa jenis:

Keterangan : m = massa, g = percepatan gravitasi, w = gaya berat.

Berdasarkan persamaan 2, Gaya apung (F_A) sama dengan Berat (w) fluida yang dipindahkan. Volume fluida yang dipindahkan sama dengan volume benda yang berada di dalam fluida.

III. HUKUM ARCHIMEDES

Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam fluida, maka fluida akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besar gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Volume fluida yang dipindahkan sama dengan volume benda yang tercelup dalam fluida.

IV. TERAPUNG, MELAYANG, TENGGELAM

4.1 TERAPUNG

Benda terapung di permukaan fluida jika:

1. Gaya berat benda lebih kecil daripada Gaya apung (w < F_A), atau

2. Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida ( )

Apabila gaya apung lebih besar daripada gaya berat maka resultan gaya tidak nol, menurut hukum gerak Newton benda akan bergerak ke atas. Tetapi kenyataannya benda diam di permukaan zat cair. Menurut hukum I Newton jika benda diam maka

ΣF_y = 0

F_A – w – F_a = 0

F_A = w + F_a

F_A = gaya apung yang dikerjakan zat cair pada benda, Fa = gaya dorong atmosfir, w = gaya berat benda.

4.2 MELAYANG

Benda melayang di permukaan fluida jika:

1. Gaya berat benda sama dengan Gaya apung (w = F_A), atau

2. Massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida ( )

Menurut hukum I Newton jika benda diam maka

ΣF_y = 0

F_A – w = 0

F_A = w

4.3 TENGGELAM

1. Gaya berat benda lebih besar daripada Gaya apung (w > F_A), atau

2. Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida ( )

Menurut hukum I Newton jika benda diam maka

ΣF_y = 0

w – F_A – N = 0

w = F_A + N

F_A = gaya apung yang dikerjakan zat cair pada benda, N = gaya normal yang dikerjakan dasar pada benda, w = gaya berat benda.

Mengapa kapal laut terapung

Setelah mempelajari uraian di atas, sekarang Anda mencoba menjawab pertanyaan, mengapa kapal yang bermassa besar tidak tenggelam sedangkan pasir yang ringan tenggelam di laut? Pasir tenggelam karena massa jenis pasir lebih besar daripada massa jenis air laut. Sedangkan kapal walaupun tersusun dari besi yang mempunyai massa jenis lebih besar daripada massa jenis air laut (massa jenis besi 7874 kg/m³ , massa jenis air laut 1025 kg/m³), tetapi volume kapal sangat besar sehingga massa jenis kapal jika dihitung menggunakan rumus massa jenis ρ = m / V nilainya lebih kecil daripada massa jenis air laut.

Jika menggunakan konsep gaya apung dan gaya berat, kapal laut terapung karena gaya apung lebih besar daripada gaya berat kapal.

Bagaimana kapal selam menyelam

Agar terapung maka massa jenis kapal selam harus lebih kecil daripada massa jenis air laut, demikian juga kapal selam dapat menyelam jika massa jenisnya lebih besar atau sama dengan massa jenis air laut. Volume kapal selam sama karenanya agar dapat menyelam dan terapung, massa jenis kapal selam dapat berubah-ubah dengan cara memasukkan air dan udara ke dalam tangki pemberat. Jika hendak menyelam, dimasukkan air ke dalam tangki pemberat dan jika hendak terapung ke permukaan maka air dikeluarkan dari tangki dan udara dimasukkan ke dalam tangki tersebut.

Menggunakan konsep gaya apung dan gaya berat, kapal selam dapat terapung jika gaya apung lebih besar daripada gaya berat kapal selam. Kapal selam dapat menyelam apabila gaya berat kapal lebih besar daripada gaya apung yang dikerjakan air laut pada kapal selam.

Mengapa dan bagaimana balon udara dapat terbang

Balon terbang di udara karena di dalam balon terdapat gas yang mempunyai massa jenis lebih kecil daripada massa jenis udara di sekitarnya. Sebaliknya apabila massa jenis gas di dalam balon sama dengan massa jenis udara di sekitarnya maka balon jatuh ke tanah dan tidak terbang ke tempat yang tinggi.

Menggunakan konsep gaya apung, balon udara terbang ke atas karena gaya apung lebih besar daripada gaya berat balon. Balon jatuh ke tanah apabila gaya berat balon lebih besar daripada gaya apung yang dikerjakan udara pada balon.

V. CONTOH SOAL

5.1. Berat beban di udara 5 N, berat beban ketika diukur dalam zat cair 4 N. Berapa besar gaya apung?

Pembahasan

Diketahui:

Berat beban di udara (w) = 5 N

Berat beban di air (w_F) = 4 N

Ditanya: Gaya apung (F_A)

Jawab:

Ketika di ukur di dalam zat cair, sebagian berat beban hilang karena adanya gaya apung. Besar gaya apung = selisih berat beban di udara dan berat beban di dalam zat cair.

F_A = 5 – 4 = 1 Newton

5.2. Sebuah wadah penuh berisi air, dimasukkan sebuah batu sehingga sebagian air tumpah. Volume air tumpah 0,1 m^3.. Massa jenis air = 1000 kg/m³, Percepatan gravitasi 10 m/s². Berapa gaya apung yang dikerjakan air pada batu?

Pembahasan

Diketahui:

Volume air tumpah (V) = 0,1 m³

Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m³

Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²

Ditanya: Gaya apung (F_A)

Jawab:

F_A = ρ g V = (1000)(10)(0,1) = 1000 N

5.3. Ketika sebuah benda diletakkan ke dalam wadah penuh berisi air laut, sebagian air laut tumpah sebanyak 0,2 m³. Massa jenis air laut = 1025 kg/m³. Percepatan gravitasi 10 m/s². Hitunglah berat air laut yang dipindahkan/tumpah.

Pembahasan

Diketahui:

Volume (V) = 0,2 m³

Massa jenis air laut (ρ) = 1025 kg/m³.

Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²

Ditanya: Berat air laut yang dipindahkan/tumpah

Jawab:

Hukum Archimedes menyatakan bahwa besar gaya apung = berat air laut yang dipindahkan/tumpah

F_A = ρ g V = (1025)(10)(0,2) = 2050 N

5.4. Logam memiliki berat 100 N ketika diukur di udara dan berat logam 80 N ketika diukur di dalam air. Berapa volume logam? Massa jenis air = 1000 kg/m³, percepatan gravitasi = 10 m/s².

Pembahasan

Diketahui:

Berat di udara (w) = 100 N

Berat di air (w_f) = 80 N

Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m³

Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²

Ditanya: Volume logam

Jawab:

F_A = 100 – 80 = 20 N

F_A = ρ g V

20 = (1000)(10) V

20 = 10.000 V

5.5. Sebuah benda mempunyai berat 20 N dimasukkan ke dalam suatu zat cair. Jika gaya apung 30 N, apakah benda tersebut tenggelam, melayang atau terapung?

Pembahasan

Gaya apung lebih besar daripada berat benda, F_A > w, sehingga benda terapung.

Benda tenggelam apabila Gaya apung lebih kecil daripada Berat benda (F_A < w)

VI. SOAL LATIHAN DAN KUNCI JAWABAN

https://gurumuda.net/soal-ujian/soal-latihan-hukum-archimedes

VII. SOAL TES FORMATIF

https://gurumuda.net/soal-ujian/tes-formatif-hukum-archimedes

🙂

Daftar Pustaka