Mengapakah Kapal Keluli Boleh Terapung?

Jika seketul keluli dijatuhkan ke dalam air, ketulan itu biasanya tenggelam. Namun, kapal kargo yang dibina daripada beribu-ribu tan keluli boleh terapung di laut sambil membawa kontena, kenderaan dan pelbagai barangan. Perbezaan ini kelihatan menghairankan, kerana keluli yang digunakan untuk membina kapal tetap lebih tumpat daripada air.

Jadi, apakah yang membolehkan kapal terapung? Jawapannya berkait dengan daya apungan.

Air mengenakan daya ke atas objek

Apabila sesuatu objek dimasukkan ke dalam air, air mengenakan tekanan pada permukaannya. Tekanan air bertambah apabila kedalaman meningkat, jadi bagi objek yang terendam, tekanan pada bahagian bawah biasanya lebih tinggi daripada tekanan pada bahagian atas. Perbezaan tekanan ini menghasilkan daya paduan yang bertindak ke atas, iaitu daya apungan.

Daya apungan wujud pada semua objek yang terendam sebahagian atau sepenuhnya dalam bendalir, termasuk objek yang akhirnya tenggelam. Sebongkah keluli yang tenggelam masih mengalami daya apungan, tetapi daya itu tidak cukup untuk mengimbangi beratnya. Kapal yang terapung pula mencapai keseimbangan apabila daya apungan ke atas sama dengan berat keseluruhan kapal yang bertindak ke bawah.

Apakah maksud air yang disesarkan?

Apabila kapal memasuki air, bahagian badan kapal yang terendam mengambil ruang yang sebelumnya diisi oleh air, dan air itu dikatakan telah disesarkan. Jumlah air yang disesarkan bergantung pada isi padu bahagian badan kapal yang berada di bawah permukaan. Menurut prinsip Archimedes, daya apungan yang bertindak ke atas sesuatu objek sama dengan berat bendalir yang disesarkan oleh objek itu.

Bagi kapal yang terapung dalam keadaan seimbang, berat kapal bersama muatan sama dengan berat air yang disesarkan. Sebagai contoh, kapal yang mempunyai jumlah jisim 5000 tan metrik perlu menyesarkan air berjisim 5000 tan metrik untuk terapung seimbang. Ini tidak bermakna kapal mengandungi 5000 tan air. Air yang disesarkan ialah air di luar badan kapal, yang ruangnya telah diambil oleh bahagian kapal yang terendam.

Mengapakah bentuk kapal begitu penting?

Bayangkan sebongkah keluli pejal dan sebuah badan kapal berongga yang dibina daripada keluli dengan jisim yang sama. Ketulan pejal mempunyai isi padu yang agak kecil, jadi apabila tenggelam sepenuhnya, air yang dapat disesarkannya terhad kepada isi padunya sendiri. Oleh sebab keluli lebih tumpat daripada air, daya apungan maksimum bagi ketulan itu tidak cukup untuk mengimbangi beratnya.

Badan kapal pula lebar dan berongga, jadi badan kapal itu boleh menyesarkan isi padu air yang jauh lebih besar berbanding isi padu keluli yang digunakan untuk membinanya. Ruang di dalam badan kapal biasanya berisi udara, dan apabila keseluruhan struktur kapal, muatan serta ruang berisi udara dipertimbangkan, ketumpatan puratanya boleh menjadi lebih rendah daripada ketumpatan air. Kapal itu kemudian mencapai keseimbangan sebelum seluruh badannya tenggelam. Kapal tidak terapung kerana keluli menjadi lebih ringan apabila dibentuk, kerana jisim keluli tidak berubah hanya kerana bentuknya berubah. Yang berubah ialah hubungan antara berat keseluruhan kapal dengan isi padu air yang boleh disesarkannya.

Apakah yang berlaku apabila kapal menerima muatan tambahan?

Apabila kontena atau barangan dimuatkan, jumlah berat kapal meningkat. Pada kedudukan terapung yang asal, daya apungan tidak lagi cukup untuk mengimbangi berat baharu itu, jadi kapal turun sedikit lebih dalam. Apabila lebih banyak bahagian badan kapal terendam, lebih banyak air disesarkan dan daya apungan turut meningkat sehingga keseimbangan baharu tercapai.

Namun, kapal tidak boleh menerima muatan tanpa had. Jika beratnya melebihi kemampuan badan kapal untuk menyesarkan air dengan selamat, keapungan yang cukup boleh hilang. Muatan berlebihan juga boleh menjejaskan kestabilan, dan cara muatan disusun turut penting supaya kapal tidak mudah terbalik.

Adakah kapal terapung lebih tinggi di laut berbanding di sungai?

Dalam keadaan biasa, air laut lebih tumpat daripada air tawar kerana mengandungi garam terlarut, jadi satu meter padu air laut biasanya berjisim lebih besar daripada satu meter padu air tawar. Oleh sebab daya apungan bergantung pada berat air yang disesarkan, kapal yang sama berat biasanya perlu menyesarkan isi padu air laut yang lebih kecil berbanding air tawar. Akibatnya, kapal yang sama lazimnya terapung sedikit lebih tinggi di laut berbanding di sungai. Perbezaan sebenar bergantung pada ketumpatan air, yang turut dipengaruhi suhu dan kemasinan.