Coba lempar jarum jahit ke dalam bak mandi. Plung! Pasti langsung tenggelam. Tapi, lihatlah kapal kargo atau kapal tanker yang terbuat dari ribuan ton baja padat. Kenapa mereka bisa mengapung dengan santai di lautan? Apakah hukum fisika sedang libur? Tentu tidak. Jawabannya ada pada prinsip legendaris yang ditemukan oleh Archimedes.
Bukan Berat, Tapi Massa Jenis
Kesalahpahaman terbesar adalah berpikir benda tenggelam karena "berat". Padahal, kayu gelondongan seberat 500 kg bisa mengapung, sementara kerikil 5 gram tenggelam. Kuncinya adalah Massa Jenis (ρ).
Besi memiliki massa jenis sekitar 7.800 kg/m3, sedangkan air hanya 1.000 kg/m3. Karena besi jauh lebih padat daripada air, secara alami ia akan tenggelam. Lantas, bagaimana insinyur mengakalinya agar kapal besi raksasa bisa terapung?
Rahasia Desain: Lambung Berongga
Kapal tidak dibuat berupa balok besi padat. Rahasianya ada pada desain lambung kapal yang cekung dan berisi udara. Udara memiliki massa jenis yang sangat kecil (sekitar 1.2 kg/m3). Dengan memerangkap udara dalam jumlah besar di dalam lambung besi, kita memanipulasi volume total benda tersebut tanpa menambah massa secara signifikan.
ρkapal = (Massa Besi + Massa Udara) / (Volume Besi + Volume Udara)
Hasilnya: ρkapal < ρair
Karena volume kapal menjadi sangat besar berkat rongga udara, massa jenis rata-rata kapal menjadi lebih kecil daripada air. Inilah syarat mutlak agar benda bisa mengapung.
Hukum Archimedes: Gaya Apung
Selain massa jenis, ada gaya penyelamat yang disebut Gaya Apung (Fa). Hukum Archimedes menyatakan: "Gaya apung yang bekerja pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut."
Rumus hitungannya adalah:
Keterangan:
Fa = Gaya ke atas (Newton)
ρcair = Massa jenis air (1000 kg/m3)
g = Gravitasi (m/s2)
Vcelup = Volume bagian kapal yang tercelup (m3)
Semakin besar lambung kapal (semakin besar volume yang tercelup), semakin besar air yang dipindahkan, dan semakin besar pula gaya dorong ke atas yang diterima kapal. Gaya inilah yang melawan berat kapal (w) sehingga kapal tidak tenggelam.
Kapan Kapal Tenggelam?
Kapal akan tenggelam (seperti Titanic) jika lambung kapal bocor. Saat air masuk, udara di dalam lambung terdesak keluar. Akibatnya:
- Massa total kapal bertambah drastis (karena massa air > massa udara).
- Massa jenis rata-rata kapal naik melebihi massa jenis air.
- Gaya berat kapal akhirnya menang melawan gaya apung.