Hukum Archimedes : Pengertian, Rumus, dan Penerapannya dalam Kehidupan Sehari-hari

Hukum Archimedes adalah salah satu temuan ilmiah paling penting dalam sejarah fisika dan mekanika fluida. Ditemukan oleh Archimedes, seorang ilmuwan Yunani kuno, hukum ini menjelaskan prinsip gaya apung yang dialami benda saat berada dalam fluida. Pemahaman tentang hukum ini telah menjadi dasar bagi berbagai inovasi, mulai dari teknologi pelayaran hingga perangkat pengukur modern seperti hidrometer.

Pada artikel ini, kita akan membahas secara mendalam tentang Hukum Archimedes, termasuk sejarah penemuannya, prinsip dasar, rumus, eksperimen praktis, hingga penerapannya dalam teknologi modern dan kehidupan sehari-hari.

Sejarah Penemuan Hukum Archimedes

Archimedes (287–212 SM) adalah seorang matematikawan, fisikawan, insinyur, dan ahli filsafat dari Yunani kuno yang dikenal sebagai salah satu pemikir terhebat sepanjang masa. Penemuan Hukum Archimedes bermula dari kisah legendaris tentang seorang raja di kota Syracuse, Hieron II, yang meminta Archimedes untuk menentukan apakah mahkota emasnya telah dicampur dengan logam lain tanpa merusaknya. 

Dikatakan bahwa Archimedes menemukan solusi ini saat mandi. Ketika ia masuk ke dalam bak mandi, ia menyadari bahwa air meluap sebanding dengan volume tubuhnya yang tenggelam. Dari pengamatan ini, Archimedes menyimpulkan bahwa ada hubungan langsung antara volume benda yang tenggelam dalam fluida dan gaya apung yang dialami benda tersebut. Legenda menyebutkan bahwa Archimedes begitu gembira dengan penemuan ini sehingga ia berlari keluar dari kamar mandi sambil berteriak, "Eureka!" (artinya "Aku menemukannya!"). 

Penemuan ini kemudian dirumuskan menjadi Hukum Archimedes yang kita kenal saat ini. 

Pengertian Hukum Archimedes

Secara formal, Hukum Archimedes menyatakan:  "Sebuah benda yang tenggelam sebagian atau seluruhnya dalam fluida akan mengalami gaya apung ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut."

Penjelasan ini memberikan pemahaman dasar tentang mengapa benda dapat mengapung, melayang, atau tenggelam ketika berada dalam cairan atau gas. Gaya apung ini merupakan hasil dari tekanan fluida yang bekerja pada permukaan benda.  

Prinsip Dasar Hukum Archimedes

Hukum Archimedes berfungsi sebagai landasan utama dalam mekanika fluida. Ada tiga prinsip utama yang mendasari hukum ini :  

1. Tekanan Fluida  

Fluida (cairan atau gas) memberikan tekanan pada semua arah. Tekanan fluida bertambah dengan kedalaman, sehingga bagian bawah benda yang tenggelam dalam fluida akan mengalami tekanan lebih besar dibandingkan bagian atasnya. Perbedaan tekanan ini menghasilkan gaya apung.

2. Volume Fluida yang Dipindahkan  

Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, benda tersebut menggantikan sejumlah volume fluida. Volume fluida yang dipindahkan ini menentukan besar gaya apung yang bekerja pada benda.

3. Keseimbangan Gaya  

Gaya apung yang dihasilkan fluida bekerja melawan gaya gravitasi yang menarik benda ke bawah. Keseimbangan antara gaya apung dan berat benda menentukan apakah benda akan mengapung, melayang, atau tenggelam.  

Rumus Hukum Archimedes

Hukum Archimedes dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut :

                                Fa​ = ρf ​⋅ V ⋅ g

Di mana :

• $a$ = Gaya apung (Newton, N)
• ${\rho }_f$ = Massa jenis fluida (kg/m³)
• $V$= Volume fluida yang dipindahkan (m³)
• $g$ = Percepatan gravitasi (m/s²)

Penjelasan Rumus :

• Gaya apung ($F_a$) bergantung pada massa jenis fluida (${\rho }_f$), bukan massa jenis benda. Inilah mengapa benda dengan massa jenis lebih kecil dari fluida dapat mengapung, seperti kayu di atas air.
• Volume fluida yang dipindahkan ($V$) sebanding dengan bagian benda yang tenggelam.

Kondisi Benda dalam Fluida

Ada tiga kemungkinan utama ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida :$$

Kondisi Benda dalam Fluida

Ada tiga kemungkinan utama ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida:

•     Mengapung

Jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρb<ρf​), gaya apung lebih besar dari berat benda, sehingga benda mengapung. Contoh: kayu di air.

•     Melayang

Jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (ρb=ρf​), gaya apung sama dengan berat benda, sehingga benda melayang dalam fluida. Contoh : ikan yang mengatur keseimbangan dengan kantung udara.

•     Tenggelam

Jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida (ρb>ρf​), gaya apung lebih kecil dari berat benda, sehingga benda tenggelam. Contoh : batu di air.

Eksperimen Hukum Archimedes

1. Eksperimen Sederhana dengan Gelas Ukur 

Alat dan Bahan :  

• Gelas ukur  

• Air  

• Benda padat (misalnya batu atau kayu)  

• Timbangan 
  

Langkah-Langkah :  

1. Isi gelas ukur dengan air hingga setengah penuh, dan catat volume awal.  
2. Timbang benda, lalu masukkan benda ke dalam air. Catat volume akhir air.  
3. Hitung volume fluida yang dipindahkan dengan rumus:  

                 Vfluida​ = Vakhir ​− Vawal​ 

4. Hitung gaya apung menggunakan rumus :

            Fa = ρf​ ⋅ V ⋅ g
Hasil : 

Eksperimen ini menunjukkan bahwa gaya apung sebanding dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. 

2. Eksperimen Balon Udara Panas 

Penjelasan : 

Balon udara panas bekerja berdasarkan prinsip yang sama. Dengan memanaskan udara di dalam balon, massa jenis udara di dalam balon menjadi lebih kecil dibandingkan udara di luar, sehingga balon naik.  

Penerapan Hukum Archimedes

Hukum Archimedes memiliki aplikasi luas dalam berbagai bidang : 

1. Kapal Laut  

Kapal laut dirancang untuk memiliki rongga besar yang mengurangi massa jenis total kapal. Hal ini memungkinkan kapal yang terbuat dari baja berat sekalipun tetap dapat mengapung di air.  

2. Submarin  

Kapal selam menggunakan tangki ballast untuk mengatur kedalamannya. Dengan mengisi atau mengosongkan air dalam tangki tersebut, kapal selam dapat tenggelam, melayang, atau muncul ke permukaan.  

3. Hidrometer  

Alat ini digunakan untuk mengukur massa jenis cairan dengan cara mengapungkan sebuah tabung terkalibrasi dalam cairan tersebut.  

4. Balon Udara Panas

Prinsip Hukum Archimedes memungkinkan balon udara panas untuk terbang, karena udara panas di dalam balon memiliki massa jenis lebih kecil dibandingkan udara dingin di sekitarnya.  

5. Teknik Penyelamatan  

Prinsip gaya apung digunakan dalam desain jaket pelampung yang memanfaatkan bahan dengan massa jenis rendah untuk menjaga penggunanya tetap mengapung di air.  

Hukum Archimedes dalam Teknologi Modern

Selain aplikasi klasik, Hukum Archimedes juga digunakan dalam teknologi modern :  

1. Industri Minyak dan Gas  

Dalam eksplorasi bawah laut, hukum ini digunakan untuk menghitung daya apung peralatan pengeboran.  

2. Desalinasi Air Laut  

Sistem desalinasi sering menggunakan hukum ini untuk memisahkan garam dari air berdasarkan perbedaan massa jenis.  

3. Transportasi Udara  

Prinsip gaya apung pada udara (aerostatics) juga diterapkan dalam desain pesawat udara ringan dan balon cuaca. 

Hukum Archimedes adalah prinsip fisika yang mendasari banyak fenomena alami dan teknologi modern. Dengan memahami hukum ini, kita dapat menjelaskan berbagai fenomena seperti mengapungnya kapal laut, naiknya balon udara, hingga desain perangkat pengukur seperti hidrometer. Hukum ini tidak hanya relevan di masa lalu, tetapi juga terus memainkan peran penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini.