Hukum Archimedes: Terapung, Melayang, Tenggelam — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung gaya apung dengan rumus Archimedes dan memprediksi apakah benda terapung, melayang, atau tenggelam dari massa jenisnya.

Sebuah paku besi tenggelam di air, padahal kapal raksasa berbalok baja justru terapung. Kok bisa? Bukan karena kapal lebih ringan — justru beratnya ribuan kali paku. Rahasianya ada pada berapa banyak air yang “didorong pergi” saat benda dicelupkan. Geser slider massa jenis di bawah, dan lihat sendiri bagaimana sebuah balok naik, melayang, atau tenggelam.

Geser slider massa jenis benda, lalu perhatikan kapan balok terapung dan kapan ia tenggelam.

Gaya apung muncul saat benda tercelup

Setiap kali sebuah benda kamu celupkan ke air, air memberikan gaya ke atas yang disebut gaya apung. Gaya ini muncul karena tekanan air di bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan di bagian atasnya — beda tekanan inilah yang mendorong benda ke permukaan.

Gaya apung adalah gaya ke atas yang diberikan fluida pada benda yang tercelup di dalamnya. Arahnya selalu tegak lurus permukaan fluida, menentang arah berat.

Pada benda yang terapung, gaya apung ini tepat sama besar dengan gaya berat — dua panah berlawanan arah, resultannya nol, benda diam. Pada benda yang tenggelam, gaya berat lebih besar daripada gaya apung, jadi resultan mengarah ke bawah dan benda menyelam.

Bayangkan kamu membenamkan bola plastik ke dalam kolam. Tanganmu merasakan dorongan kuat ke atas — itulah gaya apung. Makin dalam kamu menekan, makin banyak air yang “didorong pergi”, dan makin kuat pula dorongan itu.

Bandingkan sendiri tiga benda dengan massa jenis berbeda di bawah: kayu yang ringan, es yang hampir seberat air, dan besi yang berat. Perhatikan panah gaya berat (merah) dan gaya apung (hijau) — kapan keduanya sama panjang?

Rumus Archimedes: berat fluida yang dipindah

Archimedes menemukan kunci masalahnya lebih dari dua ribu tahun lalu: besar gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh bagian benda yang tercelup. Jadi kalau sebuah balok mencelupkan 0,5 liter air, gaya apungnya sama dengan berat 0,5 liter air itu.

$F_{\text{apung}} = \rho_{\text{fluida}} \cdot V_{\text{tercelup}} \cdot g$

Arti tiap simbol: $\rho_{\text{fluida}}$ = massa jenis fluida (kg/m³), $V_{\text{tercelup}}$ = volume benda yang tercelup dalam fluida (m³), $g$ = percepatan gravitasi (m/s²).

Ada dua akibat penting dari rumus ini. Pertama, makin banyak volume benda yang tercelup, makin besar gaya apungnya — itulah mengapa benda yang hampir tenggelam menerima dorongan paling kuat. Kedua, gaya apung bergantung pada massa jenis fluida, bukan benda: benda yang sama terapung lebih tinggi di air (ρ 1000) daripada di alkohol (ρ 789).

Geser slider massa jenis benda di bawah dan amati label volume tercelup. Saat ρ benda mengecil, volume yang dibutuhkan untuk menopang beratnya juga mengecil — makin sedikit benda yang tercelup.

Tiga kasus: terapung, melayang, tenggelam

Nasib sebuah benda dalam fluida ditentukan oleh satu perbandingan sederhana: massa jenis benda versus massa jenis fluida.

Perbandingan ρ	Nasib benda	Resultan gaya
$\rho_{\text{benda}} < \rho_{\text{fluida}}$	Terapung (sebagian tercelup)	Berat = gaya apung penuh
$\rho_{\text{benda}} = \rho_{\text{fluida}}$	Melayang di tengah fluida	Resultan nol di mana saja
$\rho_{\text{benda}} > \rho_{\text{fluida}}$	Tenggelam ke dasar	Berat > gaya apung

Kasus paling menarik adalah pertemuan kedua — saat kedua massa jenis sama persis. Benda tidak naik ke permukaan dan tidak jatuh ke dasar; ia melayang di mana pun kamu meletakkannya dalam fluida. Inilah prinsip kapal selam yang mengatur kerapatan dengan memompa air keluar-masuk, dan ikan yang mengatur kedalaman lewat kantung udara.

Jelajahi ketiga kasus di bawah: geser massa jenis benda melewati nilai fluida (1000) dan lihat bagaimana tingkah laku benda berubah drastis di sekitar titik keseimbangan itu.

Akar gaya apung: tekanan yang bertambah dengan kedalaman

Dari mana asal gaya apung itu? Jawabannya ada di satu fakta sederhana: tekanan dalam fluida bertambah linier dengan kedalaman. Bagian bawah benda berada lebih dalam daripada bagian atasnya, jadi air mendorong bagian bawah lebih kuat — selisih dorongan inilah yang menjadi gaya apung ke atas.

$P = \rho_{\text{fluida}} \cdot g \cdot h$

Arti tiap simbol: $P$ = tekanan hidrostatis (Pa), $\rho_{\text{fluida}}$ = massa jenis fluida (kg/m³), $g$ = percepatan gravitasi (m/s²), $h$ = kedalaman dari permukaan fluida (m). Tekanan nol di permukaan dan terbesar di dasar bejana.

Lihat kurva tekanan di bawah: ia berbentuk garis lurus naik dari muka air ke dasar. Makin dalam kamu menyelam, makin kuat air menekan — itulah sebabnya penyelam merasakan telinga mereka berdengung di kedalaman beberapa meter.

Aplikasi: mengapa kapal baja bisa terapung

Kembali ke teka-teki awal: paku besi tenggelam, kapal baja terapung. Bukankah keduanya terbuat dari bahan yang sama? Kuncinya ada pada bentuk. Paku adalah besi padat — kerapatannya 7800 kg/m³, jauh di atas air. Tapi kapal dirancang cekung sehingga di dalamnya penuh udara; volume total kapal (besi + rongga udara) menjadi sangat besar sementara massanya tetap. Massa jenis rata-rata kapal pun turun jauh di bawah 1000 kg/m³.

Lipat selembar aluminium foil jadi bola padat — ia tenggelam. Tapi bentuk foil yang sama jadi mangkuk, ia terapung. Massanya tidak berubah sama sekali; yang berubah hanyalah berapa banyak air yang “didorong pergi” oleh bentuknya yang sekarang berongga.

Pada kapal yang terapung, berat total kapal (ribuan ton) harus sama dengan gaya apung — yaitu berat air yang dipindahkan oleh bagian lambung yang tercelup. Makin berat muatan kapal, makin dalam ia “kubur” dirinya ke air untuk memindahkan volume yang lebih besar, sampai gaya apungnya menopang seluruh berat. Itulah mengapa ada garis muatan (Plimsoll) di lambung kapal: melewatinya berarti terlalu dalam, dan air bisa masuk lewat dek.

Bandingkan dua konfigurasi di bawah: balok besi padat yang langsung tenggelam, versus “balok besi berongga” yang massa jenis efektifnya turun di bawah air sehingga ia terapung.

Soal Archimedes termasuk favorit TKA Fisika (elemen fluida, Peraturan Ka. BSKAP 045/H/AN/2025). Tiga jenis pertanyaan paling sering: (1) menghitung gaya apung dari ρ fluida dan V tercelup, (2) menentukan fraksi benda yang tercelup saat terapung, dan (3) memprediksi terapung/tenggelam dari perbandingan ρ. Jebakan klasik: memakai volume total benda, bukan volume yang tercelup — ingat, rumus Archimedes hanya bicara bagian yang tercelup.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebalok kayu bermassa 1,2 kg dan massa jenis 600 kg/m³ terapung di atas air (ρ air = 1000 kg/m³, g = 9,8 m/s²). Tentukan: (a) volume total kayu, (b) volume kayu yang tercelup di air, dan (c) gaya apung yang bekerja padanya.

Volume total dari massa dan massa jenis: $V = \dfrac{m}{\rho_{\text{benda}}} = \dfrac{1{,}2}{600} = 0{,}002$ m³ (sama dengan 2 liter).

Karena kayu terapung (ρ benda < ρ air), gaya apung sama dengan berat: $F_{\text{apung}} = m \cdot g$ . Berat kayu $= 1{,}2 \cdot 9{,}8 = 11{,}76$ N, jadi inilah juga besar gaya apungnya.

Dari $F_{\text{apung}} = \rho_{\text{fluida}} \cdot V_{\text{tercelup}} \cdot g$ , peroleh $V_{\text{tercelup}} = \dfrac{F_{\text{apung}}}{\rho_{\text{air}} \cdot g} = \dfrac{11{,}76}{1000 \cdot 9{,}8} = 0{,}0012$ m³ (1,2 liter).

Volume total 0,002 m³, volume tercelup 0,0012 m³ — fraksi tercelup $= \dfrac{0{,}0012}{0{,}002} = 0{,}6$ , yaitu 60 %. Cocok juga dengan rasio $\dfrac{\rho_{\text{benda}}}{\rho_{\text{fluida}}} = \dfrac{600}{1000} = 0{,}6$ . Gaya apung yang bekerja = 11,76 N.

Jebakan: memakai volume total benda pada rumus gaya apung. Yang benar: rumus Archimedes $F = \rho_{\text{fluida}} \cdot V_{\text{tercelup}} \cdot g$ hanya bicara bagian benda yang tercelup. Pada benda terapung, $V_{\text{tercelup}}$ selalu lebih kecil dari volume total.

Jebakan: mengira gaya apung bergantung pada kedalaman benda di dalam fluida. Yang benar: selama seluruh benda sudah tercelup, menceburkannya lebih dalam tidak menambah gaya apung — karena volume yang dipindahkan tidak berubah lagi.

Jebakan: menyamakan “ringan” dengan “terapung” dan “berat” dengan “tenggelam”. Yang benar: yang menentukan adalah perbandingan massa jenis, bukan berat mutlak. Papan kayu besar berton-ton terapung; paku besi beberapa gram justru tenggelam.

Gaya apung = berat fluida yang dipindahkan: $F = \rho_{\text{fluida}} \cdot V_{\text{tercelup}} \cdot g$ .
Benda terapung saat $\rho_{\text{benda}} < \rho_{\text{fluida}}$ , melayang saat sama, tenggelam saat lebih besar.
Fraksi volume tercelup benda terapung = $\rho_{\text{benda}} \div \rho_{\text{fluida}}$ .
Gaya apung muncul karena tekanan fluida bertambah linier dengan kedalaman.
Kapal baja terapung karena bentuk berongga menurunkan massa jenis efektifnya.