Daya Apungan dan Prinsip Archimedes

Kapal keluli boleh terapung walaupun keluli lebih tumpat daripada air. Kuncinya bukan bahan kapal semata-mata, tetapi daya yang bertindak pada keseluruhan kapal dan jumlah air yang disesarkannya. Bendalir mengenakan tekanan pada semua permukaan objek, dan tekanan bertambah apabila kedalaman meningkat.

Tekanan menghasilkan daya bersih ke atas

Pada objek yang terendam, bahagian bawah biasanya berada lebih dalam daripada bahagian atas. Oleh sebab tekanan bendalir lebih tinggi pada kedalaman yang lebih besar, tolakan ke atas pada bahagian bawah melebihi tolakan ke bawah pada bahagian atas. Perbezaan ini menghasilkan daya bersih ke atas yang dinamakan daya apungan.

Prinsip Archimedes menyatakan bahawa magnitud daya apungan pada objek sama dengan berat bendalir yang disesarkan oleh objek itu. Maka, objek yang tenggelam masih mengalami daya apungan walaupun daya tersebut tidak cukup besar untuk mengatasi berat objek. Jika ketumpatan bendalir ialah ρ, isi padu bendalir yang disesarkan ialah V dan pecutan graviti ialah g, berat bendalir tersesar ialah ρVg. Maka daya apungan juga bernilai ρVg bagi keadaan yang memenuhi andaian prinsip tersebut. Isi padu V di sini ialah isi padu objek yang benar-benar berada di dalam bendalir, bukan semestinya keseluruhan isi padu objek.

Terapung, tenggelam atau terampai

Jika daya apungan melebihi berat objek, daya bersih menghala ke atas dan objek akan naik. Jika daya apungan lebih kecil daripada berat objek, objek akan turun. Jika kedua-duanya seimbang, objek boleh kekal terampai atau terapung dalam keadaan keseimbangan.

Bagi objek yang terapung pegun, daya apungan akhirnya sama dengan berat objek. Hanya sebahagian objek perlu terendam jika isi padu bahagian yang terendam sudah menyesarkan bendalir yang beratnya sama dengan berat objek.

Bentuk mengubah isi padu bendalir yang disesarkan

Ketulan keluli padat biasanya tenggelam dalam air kerana ketumpatannya lebih tinggi daripada air. Kapal pula mempunyai badan berongga yang merangkumi banyak udara. Bentuk ini membolehkan keseluruhan kapal menyesarkan isi padu air yang besar sebelum tenggelam sepenuhnya, sambil menjadikan ketumpatan purata kapal bersama ruang udaranya cukup rendah untuk terapung.

Prinsip yang sama membantu menerangkan kapal selam dan belon. Kapal selam mengubah keadaan apungannya melalui tangki balast, manakala belon boleh mengalami daya apungan dalam udara kerana udara juga ialah bendalir.

Mengapa kapal sarat tenggelam lebih dalam

Kapal yang menerima tambahan muatan mempunyai berat lebih besar. Untuk terapung dalam keseimbangan, kapal itu perlu memperoleh daya apungan yang sama besar dengan berat baharunya. Ia lalu tenggelam sedikit lebih dalam sehingga isi padu air yang disesarkan cukup besar untuk menghasilkan daya apungan yang diperlukan.

Daya apungan mengurangkan berat ketara

Apabila objek digantung pada neraca lalu dicelup ke dalam air tanpa menyentuh dasar, bacaan daya tegangan berkurang. Perbezaan antara berat objek di udara dan berat ketaranya ketika terendam sama dengan daya apungan, selepas pembetulan kecil seperti apungan udara diambil kira jika ketepatan tinggi diperlukan. Kaedah ini boleh digunakan untuk menguji prinsip Archimedes atau menganggar isi padu dan ketumpatan objek.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?