Cara Menggunakan Simulasi Gaya Apung: Panduan Lengkap untuk Guru dan Murid

14 Agustus 20264 menit baca Unduh PDF

Tampilan awal Laboratorium Gaya Apung dengan panel kontrol, tangki, dan data gaya

Mengapa balok kayu dapat mengapung di air, tetapi tenggelam di cairan yang lebih renggang? Apakah benda yang tenggelam selalu tidak mengalami gaya apung? Pertanyaan-pertanyaan itu dapat diuji langsung melalui Simulasi Gaya Apung.

Buka Simulasi Gaya Apung, lalu pilih Buka Simulasi di Tab Baru agar area percobaan tampil penuh.

Mengenal layar simulasi

Layar simulasi terdiri atas tiga bagian:

Panel kontrol di sebelah kiri untuk memilih bahan, mengubah massa dan volume, memilih jenis fluida, serta menyalakan atau mematikan tampilan gaya dan nilai.
Tangki di bagian tengah untuk mengamati gerak benda. Benda juga dapat diseret ke kedalaman tertentu.
Data Real-time di sebelah kanan untuk membaca gaya gravitasi dan membandingkan massa jenis fluida dengan massa jenis benda.

Panah merah ke bawah menunjukkan gaya gravitasi, sedangkan panah biru ke atas menunjukkan gaya apung. Jika Tampilkan Nilai aktif, besar kedua gaya dapat dibaca langsung pada label panah.

Langkah 1 — Amati keadaan melayang

Tekan Reset Simulasi. Keadaan awal menggunakan massa $4\ \text{kg}$ , volume $4\ \text{L}$ , dan fluida Air dengan massa jenis $1{,}00\ \text{kg/L}$ . Massa jenis benda adalah

\rho_b=\frac{m}{V}=\frac{4\ \text{kg}}{4\ \text{L}}=1{,}00\ \text{kg/L}.

Karena massa jenis benda sama dengan massa jenis air, status yang tampil adalah Melayang. Benda tetap berada di dalam fluida tanpa bergerak terus ke atas atau ke bawah.

Saat benda terendam seluruhnya, beratnya ialah

F_g=mg=(4)(9{,}8)=39{,}2\ \text{N}.

Menurut prinsip Archimedes, gaya apung adalah

F_A=\rho_f gV_{\text{tercelup}}.

Untuk keadaan awal, $V_{\text{tercelup}}=4\ \text{L}$ sehingga $F_A=39{,}2\ \text{N}$ . Kedua gaya sama besar dan berlawanan arah; resultan gayanya nol.

Langkah 2 — Pilih Kayu di dalam air

Klik Kayu dan pertahankan fluida Air.

Kayu bermassa jenis 0,75 kilogram per liter mengapung di air — Massa jenis Kayu lebih kecil daripada massa jenis Air sehingga statusnya Mengapung.

Preset Kayu memiliki massa $3\ \text{kg}$ dan volume $4\ \text{L}$ , sehingga massa jenisnya $0{,}75\ \text{kg/L}$ . Nilai ini lebih kecil daripada massa jenis air, maka status berubah menjadi Mengapung.

Pada keadaan setimbang, hanya sebagian volume kayu yang tercelup. Fraksi yang tercelup dapat diperkirakan dengan

\frac{V_{\text{tercelup}}}{V_b}=\frac{\rho_b}{\rho_f}=\frac{0{,}75}{1{,}00}=0{,}75.

Jadi sekitar $75\%$ volume kayu berada di bawah permukaan air pada keadaan setimbang.

Langkah 3 — Tahan kayu seluruhnya di bawah air

Seret kayu ke bawah hingga terendam seluruhnya, lalu tahan sebentar.

Kayu yang ditahan terendam mengalami gaya apung lebih besar daripada gaya gravitasinya — Ketika Kayu ditahan terendam penuh, gaya apung $39{,}2\ \text{N}$ lebih besar daripada berat $29{,}4\ \text{N}$ .

Volume air yang dipindahkan kini sama dengan seluruh volume kayu. Gaya apung mencapai

F_A=(1{,}00)(9{,}8)(4)=39{,}2\ \text{N},

sedangkan gaya gravitasinya

F_g=(3)(9{,}8)=29{,}4\ \text{N}.

Resultannya $9{,}8\ \text{N}$ ke atas. Lepaskan benda dan amati kayu bergerak naik. Ketika sebagian kayu muncul di atas permukaan, volume tercelup berkurang, gaya apung mengecil, lalu kayu mendekati keadaan setimbang.

Langkah 4 — Bandingkan dengan Bata

Klik Bata dan tetap gunakan Air.

Bata bermassa jenis 2 kilogram per liter tenggelam di air — Massa jenis Bata lebih besar daripada Air sehingga Bata tenggelam.

Preset Bata memiliki massa $8\ \text{kg}$ dan volume $4\ \text{L}$ . Massa jenisnya $2{,}00\ \text{kg/L}$ , lebih besar daripada massa jenis air, sehingga statusnya Tenggelam.

Saat terendam seluruhnya, gaya apung maksimumnya tetap $39{,}2\ \text{N}$ , tetapi berat bata adalah $78{,}4\ \text{N}$ . Resultan selama bata bergerak di dalam air mengarah ke bawah. Setelah bata menyentuh dasar, dasar tangki juga memberikan gaya normal. Simulasi hanya menggambar panah gaya gravitasi dan gaya apung, jadi gaya normal tersebut perlu ditambahkan dalam pembahasan kelas.

Langkah 5 — Ubah fluidanya, bukan bendanya

Tekan Reset Simulasi, pilih Kayu, lalu pilih Bensin.

Kayu tenggelam dalam bensin karena massa jenis kayu lebih besar — Kayu tenggelam di dalam Bensin karena massa jenis Kayu sedikit lebih besar.

Massa jenis kayu tetap $0{,}75\ \text{kg/L}$ , sedangkan massa jenis bensin $0{,}70\ \text{kg/L}$ . Karena kayu sedikit lebih rapat daripada bensin, statusnya menjadi Tenggelam.

Tanpa mengubah kayu, klik Madu.

Kayu mengapung dalam madu yang bermassa jenis 1,42 kilogram per liter — Kayu yang sama mengapung di dalam Madu karena massa jenis Madu lebih besar.

Massa jenis madu adalah $1{,}42\ \text{kg/L}$ , jauh lebih besar daripada massa jenis kayu. Status kembali menjadi Mengapung. Perbandingan ini menunjukkan bahwa hasil tidak ditentukan oleh nama atau bahan benda saja, melainkan oleh perbandingan massa jenis benda dan fluida.

Konsep yang dibangun

Gaya apung berasal dari perbedaan tekanan fluida dan mengikuti $F_A=\rho_f gV_{\text{tercelup}}$ .
Benda mengapung jika massa jenis rata-ratanya lebih kecil daripada massa jenis fluida, melayang jika keduanya sama, dan tenggelam jika massa jenis benda lebih besar.
Benda yang tenggelam tetap mengalami gaya apung. Ia tenggelam karena gaya apungnya belum cukup untuk menyeimbangkan berat.
Untuk benda yang mengapung setimbang, $F_A=F_g$ walaupun hanya sebagian volumenya tercelup.
Mengganti fluida dapat mengubah hasil untuk benda yang sama.

Ide pemakaian di kelas

Prediksi–uji–jelaskan: sebelum memilih Kayu, Bata, Bensin, atau Madu, minta murid memprediksi status dan arah resultan gaya.
Tabel perbandingan: catat massa jenis benda, massa jenis fluida, status, $F_g$ , dan $F_A$ untuk setiap percobaan.
Uji massa dan volume: ubah salah satu penggeser, hitung $\rho_b=m/V$ , lalu cocokkan prediksi dengan status pada layar.
Cari keadaan melayang: atur massa dan volume hingga massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida.
Bahas gaya normal: gunakan Bata di dasar tangki untuk membedakan gaya selama benda tenggelam dan gaya setelah benda ditopang dasar.

Coba sekarang

Buka Simulasi Gaya Apung, pilih Buka Simulasi di Tab Baru, lalu lakukan percobaan dengan mengubah satu variabel setiap kali. Bandingkan massa jenis benda dan fluida, perhatikan kedua panah gaya, dan jelaskan mengapa benda mengapung, melayang, atau tenggelam.