Gaya apung

Gaya apung, atau buoyancy, adalah gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida yang melawan berat dari benda yang direndam. Pada sebuah kolom fluida, tekanan meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman sebagai hasil dari akumulasi berat air di atasnya. Sehingga benda yang tenggelam ke dalam fluida akan mengalami tekanan yang besar di dasar kolom fluida dibandingkan dengan ketika berada di dekat permukaan. Perbedaan tekanan ini merupakan gaya resultan yang cenderung mempercepat pergerakan benda ke atas atau menjadikan percepatan ke bawah dari suatu benda berkurang hingga nol dan mencapai kelajuan terminal. Besarnya gaya apung sebanding dengan besarnya beda tekanan antara permukaan dan dasar kolom, dan setara dengan berat fluida yang terpindahkan (displacement) yang seharusnya mengisi ruang yang ditempati oleh benda. Sehingga benda yang memiliki massa jenis lebih besar dari fluida akan tenggelam, dan benda yang memiliki massa jenis lebih rendah dari fluida akan mengapung.

Prinsip Archimedes

Archimedes dari Syracuse, Sicily, menemukan prinsip ini pada tahun 212 sebelum masehi.^[1] Untuk benda yang mengapung maupun tenggelam, di cairan maupun gas, prinsip Archimedes dapat dinyatakan sebagai:

Setiap objek, keseluruhan atau sebagian tenggelam di dalam fluida, akan selalu terangkat oleh gaya yang setara dengan gaya berat fluida yang dipindahkan akibat keberadaan objek tersebut
— Archimedes

Benda yang tenggelam memindahkan fluida setara dengan volume objek, tetapi benda mengapung hanya sebagian.

Prinsip Archimedes tidak memperhitungkan tegangan permukaan (kapilaritas) yang bekerja pada benda,^[2] namun gaya tambahan ini hanya mengubah jumlah fluida yang terpindahkan, sehingga prinsip "gaya apung = berat fluida yang terpindahkan" tetap sesuai.

Berat dari fluida yang terpindahkan setara dengan volume dari fluida yang terpindahkan dengan syarat fluida memiliki massa jenis yang seragam. Dan gaya apung yang bekerja setara dengan berat fluida yang terpindahkan, atau mssa jenis dari fluida dikalikan dengan volume benda yang tenggelam dikalikan percepatan gravitasi.

Misal batu memiliki berat 10 Newton (N) ketika digantung oleh benang dalam ruang vakum dengan gaya gravitasi bekerja padanya. Ketika batu ditenggelamkan ke air, batu memindahkan air seberat 3 N, sehingga gaya yang bekerja pada benang akan berkurang 3 N menjadi 7 N. Gaya apung mengurangi berat objek yang tenggelam seluruhnya ke dalam fluida. Umumnya lebih mudah mengangkat objek yang tenggelam dibandingkan mengangkatnya di udara.