Prinsip Archimedes: Bagaimanakah kapal boleh terapung di atas air?5 min read

Adakah anda pernah terfikir bagaimana kapal atau bot yang mengguna pakai prinsip Archimedes boleh terapung di atas air dengan mudah sedangkan anda tenggelam jika anda melompat ke dalam air?

Bayangkan kapal besar dan berat seperti kapal pengangkut pesawat USS Nimitz yang menampung sehingga ribuan krew dan puluhan pesawat pejuang boleh terapung di atas laut dan berlayar dengan gah sekali. Namun, objek kecil seperti bebola bearing pula tidak terapung. Ini membuktikan bahawa saiz dan berat tidak memainkan peranan penting untuk membuatkan sesuatu objek terapung.

Jadi artikel ini akan mengupas sedikit apakah punca utama yang membuatkan sesuatu objek itu terapung.

Apa yang membuatkan ia terapung?

Kapal-kapal yang terapung mengguna pakai konsep buoyancy force iaitu daya keapungan. Daya ini akan menolak kapal itu untuk kekal terapung di atas air. Konsep ini menggunakan prinsip fizik iaitu prinsip Archimedes yang ditemukan oleh Archimedes sendiri yang merupakan seorang ahli fizik yang terkenal.

Prinsip Archimedes

Apakah itu prinsip Archimedes? Prinsip ini menyatakan bahawa apabila sesuatu objek diletakkan ke dalam air atau bendalir, daya apungan yang menolak objek itu adalah sama dengan berat air atau bendalir yang disesarkan.

Disebabkan oleh itulah, kita merasakan sesuatu objek itu berasa lebih ringan apabila direndam ke dalam air. Kita boleh lihat contoh seperti di bawah.

Berat sebenar objek tersebut ialah 10 Newton manakala berat objek ketika dalam air ialah 5 Newton iaitu sebagai berat ketara. Dengan ini, kita dapat mengira daya apungan melalui perbezaan antara berat sebenar dan berat ketara. Selain itu, daya apungan juga bersaman dengan jumlah isipadu air yang disesarkan. Berat sebenar (N) sesuatu objek itu berkait rapat dengan jisimnya, m(kg). Oleh hal yang demikian, antara punca utama yang memainkan peranan sama ada objek terapung atau tidak ialah ketumpatan sesuatu objek tersebut;

Formula dalam prinsip Archimedes

F_b = ρgV = ρghA

• F_b =Daya keapungan
• ρ = Ketumpatan bendalir
• g = Daya tarikan graviti
• V = Isipadu bendalir yang disesarkan/ isipadu objek yang tenggelam
• A = Luas permukaan tapak objek
• h = Ketinggian air yang disesarkan oleh objek tersebut

Formula di atas merupakan salah satu cara lain untuk mengira daya keapungan sesuatu objek tersebut.

Melalui gambar rajah di atas, jika objek tersebut tidak tenggelam sepenuhnya dan terapung separuh daripada tinggi keseluruhannya, nilai tinggi, h juga akan menjadi separuh berdasarkan tinggi air yang disesarkannya.

Sesetengah orang akan merasakan bahawa daya apungan akan meningkat jika objek tersebut semakin tenggelam ke bawah di dalam bendalir tetapi hakikatnya tidak. Daya apungan tidak bergantung kepada kedalaman tetapi ianya bergantung kepada isipadu air yang disesarkan, ketumpatan bendalir dan juga daya graviti. Namun, isipadu air yang disesarkan juga berkait rapat dengan berat sesuatu objek dan ketumpatannya. Kita boleh lihat formula di bawah;

F_b = ρgV = ρghA

V = Isipadu objek yang tenggelam

V = m, berat jisim objek / ρ, ketumpatan objek

Maka,

F_b = mg ( ρ, ketumpatan bendalir/ ρ, ketumpatan objek )

Oleh hal yang demikian, kita dapat memberikan konklusi bahawa;

• Terapung : Daya tarikan graviti objek = Daya keapungan
• Tenggelam : Daya tarikan graviti objek > Daya keapungan

Untuk lebih memahami pengiraan daya keapungan, anda boleh cuba menjawab soalan-soalan pada pautan seperti di bawah;

• khanacademy.org
• physics.highpoint.edu
• softschools.com
• Hyperphysics.com

Bagaimana daya apungan berkait dengan ketumpatan dalam prinsip Archimedes?

Jika sesebuah blok kayu diletakkan pada bekas yang mengandungi air, jumlah isipadu air yang disesarkan adalah sedikit. Blok kayu tersebut juga akan terapung kerana daya apungan yang bertindak menolak blok kayu ke atas adalah sama dengan daya graviti yang menolak kayu ke bawah.

Manakala blok besi pula lebih berat berbanding blok kayu walaupun mempunyai isipadu yang sama. Maka, isipadu air yang disesarkan juga akan menjadi lebih besar disebabkan ianya lebih berat. Daya tarikan graviti yang menolak blok besi ke bawah juga akan menjadi lebih tinggi berbanding daya apungan yang menolak blok besi ke atas seterusnya menyebabkan blok besi titu tenggelam kedalam air.

Aplikasi daya apungan dan ketumpatan pada kapal

Berdasarkan logik di atas, maka kapal besar dan berat yang berada di lautan juga patut tenggelam, bukan? Namun, ianya tidak akan berlaku kerana rekaan dalaman yang memberikan ruang kosong yang luas di dalam binaan kapal tersebut. Selain itu, kapal tidak dibina dengan struktur besi yang mampat. Kehadiran udara di dalam ruangan kosong kapal membantu kapal untuk kekal terapung!

Hal ini kerana ketumpatan udara adalah jauh lebih rendah berbanding ketumpatan air. Rekaan binaan kapal haruslah mempunyai saiz isipadu yang lebih rendah berbanding saiz isipadu air lautan. Apabila kapal dibawa ke air, isipadu air yang disesarkan adalah sama dengan berat kapal tersebut.

Kapal akan tenggelam jika air laut memasuki ruangan kosong kapal seterusnya menyebabkan ketumpatan yang lebih tinggi daripada ketumpatan air. Tragedi kapal Titanic pada tahun 1912 adalah disebabkan perkara yang sama.

Rujukan

www.explainthatstuff.com

www.rootofscience.com

www.floatingssolution.com