Apabila objek diletakkan dalam air, ia menolak sebahagian air ke tepi. Air menolak balik dengan daya ke atas yang dipanggil daya apungan, dan menurut Prinsip Archimedes daya ini sama dengan berat air yang disesarkan.
Bongkah keluli pejal menyesarkan hanya sedikit air, yang beratnya jauh kurang daripada berat keluli itu sendiri, jadi ia tenggelam. Kapal dibina sebagai badan berongga yang besar. Ketika ia menenggelam ke dalam laut, ia menolak isipadu air yang amat besar, dan sebaik sahaja berat air yang disesarkan itu sama dengan jumlah berat kapal, daya apungan ke atas mengimbangi graviti dan kapal terapung.
Inilah sebabnya kapal berada lebih rendah apabila dimuat kargo, kerana ia mesti menyesarkan lebih banyak air untuk menyokong berat tambahan. Garisan Plimsoll menandakan had selamat.
Dalam SPM, anda patut menerapkan Prinsip Archimedes untuk menerangkan keterapungan dan peranan air yang disesarkan.
Salah faham biasa
- Objek berat sentiasa tenggelam dan yang ringan sentiasa terapung -> Yang penting ialah sama ada daya apungan daripada air disesarkan sama dengan berat objek, bukan berat semata-mata.
- Kapal terapung kerana keluli terapung -> Keluli tenggelam; bentuk berongga menyesarkan air yang cukup untuk membekalkan daya apungan.
- Daya apungan bergantung pada sedalam mana air -> Ia bergantung pada berat air yang disesarkan, bukan pada jumlah kedalaman laut.
Fizik di sebaliknya
Kapal terapung kerana daya tujah ke atas, iaitu daya menegak ke atas yang dikenakan oleh bendalir pada apa sahaja yang diletakkan di dalamnya. Prinsip Archimedes menyatakan bahawa daya tujah ke atas sama dengan berat bendalir yang disesarkan oleh objek.
Bagi bendalir berketumpatan ρ, daya tujah ialah F = ρVg, dengan V ialah isi padu bendalir yang ditolak ke tepi dan g ialah kekuatan medan graviti. Objek terapung dalam keseimbangan apabila daya tujah mengimbangi beratnya, jadi ia tenggelam cukup dalam untuk menyesarkan air seberat dirinya.
Keluli lebih tumpat daripada air, tetapi kapal bukan bongkah keluli pejal; badannya berongga dan kebanyakannya udara, jadi ketumpatan puratanya kurang daripada air. Andaikan sebuah kapal seberat 2 × 10⁶ N. Untuk terapung, ia mesti menyesarkan air seberat 2 × 10⁶ N. Isi padu yang diperlukan ialah V = W/(ρg) = 2 × 10⁶ N ÷ (1000 kg m⁻³ × 9.81 m s⁻²) ≈ 204 m³.
Badan kapal yang lebar tenggelam sehingga sebanyak itu air ditolak ke tepi, dan kemudian ia terapung dalam keseimbangan.
Lihat dalam kehidupan harian
Anda boleh menguji idea ini di singki dapur. Seketul tanah liat yang dijatuhkan ke dalam air terus tenggelam, kerana ia hanya menyesarkan isi padu air yang kecil dan daya tujahnya terlalu sedikit.
Ratakan tanah liat yang sama menjadi bentuk mangkuk dan ia terapung, kerana rongga itu kini menolak lebih banyak air ke tepi, jadi daya tujah naik untuk menyamai beratnya. Kapal ialah versi gergasi mangkuk tanah liat itu.
Prinsip yang sama menjelaskan garisan Plimsoll yang dicat pada sisi kapal: apabila muatan dinaikkan, kapal berada lebih rendah, menyesarkan lebih banyak air, sehingga garisan air mencapai had selamat. Kapal juga terapung sedikit lebih rendah dalam air tawar berbanding air laut yang lebih tumpat, kerana air tawar memberi daya tujah lebih sedikit bagi isi padu yang sama.
Apabila anda terapung terlentang di dalam kolam renang, badan anda melakukan tepat apa yang dilakukan kapal, tenggelam sehingga ia menyesarkan air seberat dirinya.
Bagaimana ia muncul dalam SPM
Dalam Kertas 2 ini diperiksa menggunakan kata perintah seperti Nyatakan, Terangkan dan Hitung, dalam bab tekanan bersama prinsip Pascal dan tekanan dalam cecair. Soalan lazim meminta anda menyatakan prinsip Archimedes, kemudian menerangkan mengapa kapal keluli terapung walaupun keluli lebih tumpat daripada air, mengharapkan anda berhujah daripada ketumpatan purata dan air yang disesarkan.
Pengiraan sering menggunakan daya tujah F = ρVg, memberi ketumpatan bendalir dan satu isi padu lalu meminta daya tujah, atau isi padu yang diperlukan untuk sesuatu berat terapung, jadi kekalkan ketumpatan dalam kg m⁻³, isi padu dalam m³ dan daya dalam N. Anda mungkin diminta menerangkan prinsip keapungan, iaitu objek terapung menyesarkan bendalir seberat dirinya, atau menjelaskan hidrometer, kapal selam atau garisan Plimsoll.
Bersedialah untuk membandingkan keapungan dalam air laut dan air tawar menggunakan ketumpatan, dan menyatakan bahawa daya tujah timbul kerana tekanan lebih besar di bahagian bawah objek yang lebih dalam berbanding di bahagian atasnya.
Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)