Konsep gaya angkat atau gaya apung merupakan salah satu materi paling fundamental dalam fisika SMA. Fenomena mengapa kapal besi raksasa bisa terapung di lautan sementara sebuah jarum kecil tenggelam sering kali menjadi pertanyaan awal yang memicu rasa ingin tahu siswa. Kunci dari fenomena ini terletak pada Hukum Archimedes.
Hukum Archimedes menyatakan bahwa setiap benda yang dicelupkan seluruhnya atau sebagian ke dalam fluida (zat cair atau gas) akan menerima gaya angkat ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Dalam artikel ini, kita akan membedah secara mendalam rumus-rumus utama, teori dasar, serta 10 contoh soal latihan yang disusun khusus untuk siswa SMA kelas XI agar siap menghadapi ujian harian maupun seleksi masuk perguruan tinggi.
Konsep Dasar dan Rumus Utama Hukum Archimedes
Sebelum masuk ke latihan soal, sangat penting untuk memahami variabel-variabel yang terlibat dalam perhitungan gaya Archimedes. Secara matematis, gaya angkat ke atas ($F_a$) dirumuskan sebagai berikut:
$$F_a = \rho_f \cdot g \cdot V_{bf}$$
Di mana:
- $F_a$ = Gaya Archimedes atau gaya angkat ke atas (Newton).
- $\rho_f$ = Massa jenis fluida atau zat cair ($kg/m^3$).
- $g$ = Percepatan gravitasi (biasanya $9,8$ atau $10$ $m/s^2$).
- $V_{bf}$ = Volume benda yang tercelup dalam fluida ($m^3$).
Tiga Kondisi Benda dalam Zat Cair
- Mengapung: Terjadi jika massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis fluida ($\rho_b < \rho_f$). Pada kondisi ini, berat benda ($W$) sama dengan gaya angkat ($F_a$).
- Melayang: Terjadi jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida ($\rho_b = \rho_f$). Seluruh bagian benda masuk ke dalam zat cair tetapi tidak menyentuh dasar.
- Tenggelam: Terjadi jika massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida ($\rho_b > \rho_f$). Benda akan jatuh hingga menyentuh dasar bejana.
Kumpulan Contoh Soal Hukum Archimedes untuk SMA
Berikut adalah 10 variasi soal yang mencakup berbagai tingkat kesulitan, dari perhitungan langsung hingga analisis perbandingan volume.
baca juga:Mahasiswi Universitas Teknokrat Indonesia Raih Juara 1 Miss Lampung Ambassador 2026
Soal 1: Perhitungan Gaya Angkat Dasar
Sebuah balok besi dengan volume $0,05$ $m^3$ dicelupkan seluruhnya ke dalam air yang massa jenisnya $1.000$ $kg/m^3$. Jika percepatan gravitasi bumi adalah $10$ $m/s^2$, hitunglah besar gaya angkat yang dialami balok tersebut!
Jawaban dan Pembahasan:
Diketahui:
$V_{bf} = 0,05$ $m^3$
$\rho_f = 1.000$ $kg/m^3$
$g = 10$ $m/s^2$
Rumus:
$F_a = \rho_f \cdot g \cdot V_{bf}$
$F_a = 1.000 \cdot 10 \cdot 0,05$
$F_a = 500$ N
Jadi, gaya angkat yang dialami balok besi adalah 500 Newton.
Soal 2: Menentukan Berat Semu dalam Air
Sebuah benda memiliki berat di udara sebesar $100$ N. Ketika ditimbang di dalam air, beratnya menjadi $80$ N. Berapakah gaya Archimedes yang dialami benda tersebut?
Jawaban dan Pembahasan:
Gaya Archimedes juga bisa dihitung dari selisih berat benda di udara ($W_u$) dengan berat benda di dalam zat cair ($W_c$).
$F_a = W_u – W_c$
$F_a = 100 – 80$
$F_a = 20$ N
Jadi, gaya Archimedes benda tersebut adalah 20 Newton.
Soal 3: Benda Mengapung sebagian
Sebuah kayu berbentuk kubus dengan sisi $10$ cm mengapung di permukaan minyak. Jika massa jenis minyak adalah $0,8$ $g/cm^3$ dan bagian kayu yang muncul di atas permukaan minyak adalah $2$ cm, hitunglah massa jenis kayu tersebut!
Jawaban dan Pembahasan:
Diketahui:
Sisi kubus ($s$) = $10$ cm, maka $V_{total} = 1.000$ $cm^3$.
Tinggi yang muncul = $2$ cm, maka tinggi yang tercelup ($h_{bf}$) = $10 – 2 = 8$ cm.
$V_{bf} = 10 \cdot 10 \cdot 8 = 800$ $cm^3$.
$\rho_f = 0,8$ $g/cm^3$.
Pada benda mengapung:
$W = F_a$
$\rho_b \cdot V_{total} = \rho_f \cdot V_{bf}$
$\rho_b \cdot 1.000 = 0,8 \cdot 800$
$\rho_b \cdot 1.000 = 640$
$\rho_b = 0,64$ $g/cm^3$.
Massa jenis kayu tersebut adalah 0,64 g/cm³.
Soal 4: Menentukan Volume Benda yang Tercelup
Sebuah bola plastik bermassa $200$ gram mengapung di air ($\rho_{air} = 1$ $g/cm^3$). Berapakah volume bagian bola yang berada di bawah permukaan air?
Jawaban dan Pembahasan:
Massa benda ($m$) = $200$ g, maka Berat ($W$) = $m \cdot g = 2.000$ dyne (atau dalam gram-force adalah $200$ gf).
Karena mengapung, $F_a = W$.
$\rho_f \cdot V_{bf} = m$
$1 \cdot V_{bf} = 200$
$V_{bf} = 200$ $cm^3$.
Jadi, volume bola yang tercelup adalah 200 cm³.
Soal 5: Analisis Massa Jenis Fluida Berbeda
Suatu benda melayang di dalam cairan A yang massa jenisnya $1,2$ $g/cm^3$. Jika benda yang sama dimasukkan ke dalam cairan B yang massa jenisnya $0,9$ $g/cm^3$, apa yang terjadi pada benda tersebut?
Jawaban dan Pembahasan:
Kondisi melayang di cairan A berarti massa jenis benda sama dengan massa jenis cairan A ($\rho_b = \rho_f A = 1,2$ $g/cm^3$).
Ketika dimasukkan ke cairan B ($\rho_f B = 0,9$ $g/cm^3$), maka $\rho_b > \rho_f B$ ($1,2 > 0,9$).
Karena massa jenis benda lebih besar dari massa jenis cairan, maka benda tersebut akan Tenggelam.
Soal 6: Perbandingan Bagian Tercelup pada Dua Zat Cair
Sebuah benda terapung di atas air dengan $1/4$ bagian muncul di udara. Jika benda tersebut dipindahkan ke cairan X, ternyata $1/2$ bagian benda berada di bawah permukaan cairan X. Berapakah massa jenis cairan X?
Jawaban dan Pembahasan:
Kondisi 1 (Air): $V_{bf} = 3/4 V$
$\rho_b = (V_{bf} / V) \cdot \rho_{air}$
$\rho_b = 3/4 \cdot 1 = 0,75$ $g/cm^3$
Kondisi 2 (Cairan X): $V_{bf} = 1/2 V$
$\rho_b \cdot V = \rho_x \cdot V_{bf}$
$0,75 \cdot V = \rho_x \cdot 1/2 V$
$\rho_x = 0,75 \cdot 2 = 1,5$ $g/cm^3$
Massa jenis cairan X adalah 1,5 g/cm³.
Soal 7: Menghitung Gaya Angkat pada Balon Udara
Sebuah balon udara memiliki volume $500$ $m^3$ berisi gas helium. Massa jenis udara di luar balon adalah $1,2$ $kg/m^3$. Hitunglah gaya angkat yang dialami balon tersebut!
Jawaban dan Pembahasan:
$F_a = \rho_{udara} \cdot g \cdot V_{balon}$
$F_a = 1,2 \cdot 10 \cdot 500$
$F_a = 6.000$ N
Besar gaya angkat balon adalah 6.000 Newton.
Soal 8: Massa Jenis Gabungan
Dua buah kubus identik diikat menjadi satu. Jika massa jenis masing-masing kubus adalah $0,4$ $g/cm^3$, berapakah bagian volume gabungan yang tercelup saat diletakkan di dalam air?
Jawaban dan Pembahasan:
Massa jenis gabungan tetap $0,4$ $g/cm^3$ (karena benda sejenis).
Persentase volume tercelup:
$\% V_{bf} = (\rho_b / \rho_f) \cdot 100\%$
$\% V_{bf} = (0,4 / 1) \cdot 100\% = 40\%$
Volume yang tercelup adalah 0,4 bagian atau 40% dari volume total.
Soal 9: Berat Benda dalam Minyak
Benda bermassa $2$ kg memiliki volume $1.500$ $cm^3$. Jika dimasukkan ke dalam minyak ($\rho = 800$ $kg/m^3$), berapakah berat benda di dalam minyak?
Jawaban dan Pembahasan:
$W_u = m \cdot g = 2 \cdot 10 = 20$ N
$V = 1.500$ $cm^3 = 0,0015$ $m^3$
$F_a = \rho \cdot g \cdot V = 800 \cdot 10 \cdot 0,0015 = 12$ N
$W_c = W_u – F_a = 20 – 12 = 8$ N
Berat benda dalam minyak adalah 8 Newton.
Soal 10: Kasus Es Mencair di Air Laut
Sebuah bongkahan es dengan massa jenis $0,9$ $g/cm^3$ terapung di air laut yang massa jenisnya $1,03$ $g/cm^3$. Berapa persen volume es yang muncul di permukaan air laut?
Jawaban dan Pembahasan:
Volume tercelup ($V_{bf}/V$) = $\rho_b / \rho_f$
$V_{bf}/V = 0,9 / 1,03 \approx 0,873$ atau $87,3\%$
Volume muncul = $100\% – 87,3\% = 12,7\%$
Volume es yang muncul adalah sebesar 12,7%.
Kesimpulan
Hukum Archimedes memberikan jawaban logis terhadap berbagai fenomena hidrostatis di sekitar kita. Dengan menguasai hubungan antara massa jenis benda dan fluida, kita dapat memprediksi perilaku benda saat dicelupkan. Sepuluh contoh soal di atas mencakup dasar-dasar yang sering diujikan di sekolah menengah. Kunci utama dalam mengerjakan soal Archimedes adalah ketelitian dalam mengonversi satuan (seperti $g/cm^3$ ke $kg/m^3$) dan pemahaman apakah benda dalam kondisi mengapung, melayang, atau tenggelam.
penulis:rinaldy
Post Comment