Bab 7. Tekanan Zat (Materi 3: Hukum Archimedes)

Kompetensi Dasar :

Pengetahuan

3.8 Menjelaskan tekanan zat dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari, termasuk tekanan darah, osmosis, dan kapilaritas jaringan angkut pada tumbuhan.

Keterampilan

4.8 Menyajikan data hasil percobaan untuk menyelidiki tekanan zat cair pada kedalaman tertentu, gaya apung, dan kapilaritas, misalnya dalam batang tumbuhan.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Menjelaskan prinsip hukum Archimedes dengan benar.

2. Menganalisis kondisi benda saat dimasukkan ke dalam zat cair (terapung, melayang dan tenggelam) dengan benar.

3. Menyebutkan penerapan hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

4. Menerapkan hukum Archimedes dalam penyelesaian soal dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb

Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

    Hukum Archimedes merupakan hukum tentang gaya apung suatu benda pada fluida cair. Archimedes adalah seorang ilmuwan, filsuf, dan insinyur yang tinggal di Italia ketika Yunani kuno berkuasa pada abad ke 2 sebelum masehi. Diceritakan bahwa dalam menemukan prinsipnya ini Archimedes diperintahkan oleh raja untuk melakukan penyelidikan apakah mahkotanya benar-benar logam mulia (emas) asli atau tidak tanpa merusak mahkota tersebut.

    Singkat cerita Archimedes berpikir keras atas perintah raja tersebut. Diceritakan bahwa dia menemukan jawabannya ketika akan berendam untuk mandi, dia melihat bahwa saat tubuhnya masuk ke air, ada sebagian air yang tertumpah keluar. Dari situ dia mendapat ide dan langsung berteriak “Eureka!” atau aku menemukannya dan langsung keluar rumah tanpa mengenakan busana. 

   Tak dinyana dari kejadian dia mandi itu dia mendapatkan teori yang pada akhirnya kemudian bisa membuktikan kemurnian emas milik sang raja. Nah, bagaimana caranya Archimedes membuktikan? Berbekal hipotesisnya selepas mandi, Archimedes lalu memasukkan mahkota ke dalam air. Perubahan volume air akibat masuknya mahkota tersebut lalu dijadikan dasar untuk menentukan massa jenis. Kemudian dia membagi massa mahkota dengan besarnya perubahan volume air.

    Nah, massa jenis yang ia dapat dari hasil percobaan itu lalu disamakan dengan massa jenis emas murni. Jadi, ia memasukkan mahkota dan emas murni ke dalam air dengan volume sama. Ternyata, air yang terpindahkan oleh emas dengan mahkota tidaklah yang seharusnya sama namun didapatkan kenyataan yang berbeda. Nah, didapatkanlah kesimpulan emas yang ada di mahkota raja ternyata bukanlah emas murni, tetapi campuran. Kemudian idenya tersebut dinamakan hukum Archimedes. 

A. Hukum Archimedes

• Hukum Archimedes berbunyi, "Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang sama dengan berat zat cair yang dipindahkannya".
  
• Hukum Archimedes dapat dinyatakan dengan persamaan umum berikut:
FA = ρ . g . V

Keterangan :
FA = Gaya apung/gaya ke atas/gaya Archimedes (N)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m³)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)
V = volume benda yang tercelup (m³)

• Hukum Archimedes mempelajari tentang gaya ke atas yang dialami oleh benda apabila berada dalam zat cair. Benda-benda yang dimasukkan pada zat cair seakan-akan mempunyai berat yang lebih kecil daripada saat berada di luar zat cair. Misalnya, batu terasa lebih ringan ketika berada di dalam air dibandingkan ketika berada di udara.
• Berat di dalam air sesungguhnya tetap, tetapi air melakukan gaya yang arahnya ke atas. Hal ini menyebabkan berat batu akan berkurang, sehingga batu terasa lebih ringan.
• Perhatikan gambar berikut!
  
• Saat ditimbang di udara ternyata lebih berat dibandingkan dengan di dalam air. Mengapa bisa terjadi seperti itu? Kemana sisa berat 3 N lagi yang berkurang saat balok dalam air?
• Balok menjadi lebih ringan saat diukur oleh neraca pegas adalah karena adanya gaya angkat ke atas atau gaya Archimedes. Arah gaya Archimedes ke atas, berlawanan dengan gaya berat.
• Dari ilustrasi di atas, dapat kita simpulkan bahwa besarnya gaya angkat ke atas atau gaya Archimedes = 9 N - 6 N = 3 N.
• Secara umum, besarnya gaya angkat ke atas yang dilakukan oleh zat cair dapat ditentukan dengan persamaan berikut: 

       FA= w - wC

        

         Keterangan:

          FA : gaya Archimedes (N)

          wc : berat benda dalam air (N)
          w : berat benda di udara/sesungguhnya (N)

          

B. Terapung, Melayang dan Tenggelam

Berdasarkan hukum Archimedes di atas, suatu benda yang akan terapung, tenggelam atau melayang di dalam zat cair tergantung pada gaya berat dan gaya ke atas. 

• Benda akan terapung jika massa jenis benda yang dimasukkan ke dalam zat cair lebih kecil dari massa jenis zat cairnya ( ρb < ρc ).
• Benda akan melayang jika massa jenis benda yang dimasukkan ke dalam zat cair sama dengan massa jenis zat cairnya ( ρb = ρc ).
• Benda akan tenggelam jika massa jenis benda yang dimasukkan ke dalam zat cair lebih besar dari pada massa jenis zat cairnya ( ρb > ρc ).

Materi Pengayaan !!! (Modal untuk materi Fisika Kelas X dan Olimpiade)

• Ilustrasi benda yang mendapat gaya ke atas/gaya Archimedes pada saat terapung dapat dilihat pada gambar di bawah.
  

• Persamaan hukum Archimedes yang menyatakan besarnya gaya ke atas dinyatakan sebagai berikut.

FA = ρc . g . V2

• Persamaan hubungan massa jenis zat cair dan massa jenis zat benda dinyatakan melalui persamaan di bawah.

                       FA = w

                       FA = m . g          

       (Ingat !!! ρ= m/V --> m = ρ .V)

     ρc . g . V2 = ρb . Vb . g

    ρc . V2 = ρb . Vb


Keterangan:
FA = gaya angkat ke atas (N)
w = berat benda (N)
V1 = volume benda tak tercelup (m³)
V2 = volume benda yang tercelup (m³)
Vb = volume benda total (m³)
m = massa benda (kg)
 = massa jenis zat cair (kg/m³)
 = massa jenis benda (kg/m³)

C. Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-Hari

Berikut ini contoh penerapan hukum archimedes dalam kehidupan sehari-hari:

1. Kapal Laut

Kapal laut dapat mengapung di atas air karena badan kapal laut mempunyai rongga udara. Karena rongga udara ini, volume air laut yang dipindahkan oleh kapal tersebut cukup besar sehingga sesuai prinsip Archimedes. Kapal laut mendapatkan gaya apung yang cukup besar untuk menahan bobot kapal sehingga kapal dapat mengapung di permukaan air. 

2. Kapal Selam

Jika kapal laut hanya dapat mengapung di permukaan air, maka kapal selam, selain dapat mengapung, dapat juga melayang dan tenggelam di dalam air laut. Karena kemampuannya tersebut, kapal selam sangat cocok digunakan dalam bidang militer dan penelitian. Bentuk badan kapal selam dirancang agar dapat mengapung, melayang, dan tenggelam dalam air. Selain itu, dirancang untuk dapat menahan tekanan air di kedalaman laut. Bagaimana cara kerja kapal selam?

Perhatikan Gambar di atas ketika kapal selam sedang mengapung, melayang, dan tenggelam! Badan kapal selam mempunyai rongga udara yang berfungsi sebagai tempat masuk dan keluarnya air atau udara. Rongga ini terletak di lambung kapal. Rongga tersebut dilengkapi dengan katup pada bagian atas dan bawahnya. 

• Ketika mengapung, rongga terisi dengan udara sehingga volume air yang dipindahkan sama dengan berat kapal. Sesuai dengan prinsip Archimedes, kapal selam akan mengapung. 
• Ketika rongga katup atas dan katup bawah pada rongga kapal selam dibuka, maka udara dalam rongga keluar atau air masuk mengisi rongga tersebut. Akibatnya, kapal mulai tenggelam. Katup akan ditutup jika kapal selam telah mencapai kedalaman yang diinginkan. Dalam keadaan ini, kapal selam dalam keadaan melayang. 
• Jika katup udara pada rongga dibuka kembali maka volume air dalam rongga akan bertambah sehingga kapal selam akan tenggelam. 
• Jika kapal selam akan muncul ke permukaan dari keadaan tenggelam, air dalam rongga dipompa keluar sehingga rongga hanya terisi udara. Dengan demikian, kapal selam akan mengalami gaya apung yang dapat menyamai berat kapal selam. Akibatnya, kapal selam akan naik ke permukaan dan mengapung.

3. Jembatan Ponton

Peristiwa mengapung suatu benda karena memiliki rongga udara dimanfaatkan untuk membuat jembatan yang terbuat dari drum-drum berongga yang dijajarkan melintang aliran sungai. Volume air yang dipindahkan menghasilkan gaya apung yang mampu menahan berat drum itu sendiri dan benda-benda yang melintas di atasnya. Setiap drum penyusun jembatan ini harus tertutup agar air tidak dapat masuk ke dalamnya.

4. Hidrometer

Hidrometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis suatu zat cair. Cara penggunaan alat ini adalah sebagai berikut. 

• Hidrometer dimasukkan ke dalam zat cair yang akan ditentukan massa jenisnya. 
• Karena alat ini mempunyai rongga udara maka alat ini akan mengapung. Telah disinggung sebelumnya, peristiwa tenggelam dipengaruhi oleh massa jenis zat cair. 
• Jika massa jenis zat cair tempat hidrometer diletakkan besar, ketinggian tabung hidrometer yang muncul semakin besar dan sebaliknya. 

5. Balon Udara

Balon gas ini dapat melayang karena di dalam balon tersebut berisi gas hydrogen atau helium. Massa jenis hydrogen atau helium ini lebih ringan dibanding dengan udara. Balon udara ini dapat melayang karena berisi gas yang memiliki massa jenis labih kecil dari massa jenis udara.

Contoh Soal :

1. Sebuah besi yang volumenya 0,02 m³ tercelup seluruhnya di dalam air. Jika massa jenis air 1.000 kg/m³, maka hitunglah gaya angkat ke atas yang dialami besi tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

V = 0,02 m³ 

ρ = 1.000 kg/m³

g = 10 m/s²

Ditanyakan: FA = ...?

Jawab: 

FA= ρ.g.V

FA = 1.000 . 10 . 0,02

FA = 200 N

Jadi, gaya ke atas yang dialami besi tersebut adalah 200 N.

2. Sebuah benda yang ditimbang di udara sebesar 12 N tetapi saat ditimbang di air ternyata beratnya tinggal 8 N. Jika ρ air = 1 g/cm³ dan g = 10 m/s², tentukan volume benda tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

w = 12 N

wc = 8 N

ρ = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³

g = 10 m/s²

Ditanyakan: V= ...?

Jawab:

a. Menghitung terlebih dahulu gaya angkat ke atas yang dilakukan oleh zat cair yakni:

FA = w – wc

FA = 12 – 8 

FA = 4 N

b. Menghitung volume benda dengan persamaan hukum Archimedes:

FA = ρ.g.V

4 = 1.000 . 10 . V

4 = 10.000 V

V = 4/10.000

V = 4 . 10^-4 m³

Jadi, volume benda tersebut adalah 4 . 10^-4 m³.

3. Benda bermassa 3 kg memiliki volume 1,5 .10^-3 m³. Jika benda tersebut ditimbang di air (ρair = 1 g/cm³) dan g = 10 m/s², maka tentukan gaya Archimedes yang bekerja pada benda dan hitunglah berat benda di air!

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 3 kg

V = 1,5 .10^-3  m³

ρ = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³

g = 10 m/s²

Ditanyakan: FA...?

Jawab:

a. Menghitung dahulu berat benda di udara/sesungguhnya:

w = m . g

w = 3 . 10

w = 30 N

b. Menghitung gaya Archimedes:

FA = ρ.g.V

FA = 1.000 . 10 .1,5 .10^-3

FA = 15 N

c. Menghitung berat benda di air:

FA = w – wc

wc = w – FA

wc = 30 – 15

wc = 15 N

Jadi, gaya Archimedes yang bekerja pada benda dan berat benda di air berturut-turut adalah 30 N dan 15 N.

Contoh Soal Pengayaan

Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata 25% dari volume benda, terapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

V1 = 25 % Vb = 25/100 Vb = 0,25 Vb

V2 = Vb - 0,25 Vb = 0,75 Vb

ρc = 1 g/cm³

Ditanyakan: ρb = …?

Jawab:

         FA = w

             FA = m . g          (Ingat !!! ρ= m/V --> m = ρ .V)

 ρc . g . V2 = ρb . Vb . g

1 . 0,75 Vb = ρb . Vb

              ρb = 0,75 g/cm³ = 0,75 . 1000 = 750 kg/m³   (Ingat !!! 1 g/cm³ = 1000 kg/m³)

Jadi, massa jenis benda tersebut adalah 0,75 g/cm³ atau 750 kg/m³.

REFERENSI

Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

PENUGASAN MANDIRI

• Tugas dikerjakan di buku tugas dilengkapi cara mengerjakan (Diketahui, Ditanyakan Jawab) kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan 

1. Sebuah balok dengan volume 2 m³ tercelup seluruhnya ke dalam air dengan massa jenis 1.000 kg/m³. Jika percepatan gravitasi bumi = 10 m/s², maka tentukan gaya ke atas yang dialami oleh balok tersebut!

2. Sebuah batu bermassa 50 kg saat ditimbang di udara. Jika volume batu 5.000 cm³, tentukan berat batu dalam air yang memiliki massa jenis 1.000 kg/m³ !

3. Sebuah benda diukur beratnya menggunakan neraca pegas seperti gambar berikut!

Jika ρ air = 1 g/cm³ dan g = 10 m/s², tentukan volume benda tersebut!

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~