Pernah bertanya-tanya bagaimana kapal selam yang berukuran besar dapat masuk ke dalam laut, bertahan pada kedalaman tertentu, lalu kembali naik ke permukaan? Kemampuan tersebut bukan hanya bergantung pada mesin, tetapi juga memanfaatkan konsep tekanan zat cair, massa jenis, dan gaya apung.
Tekanan zat sebenarnya dapat ditemukan dalam banyak peristiwa sehari-hari, mulai dari pisau yang tajam, dinding bendungan yang dibuat lebih tebal di bagian bawah, hingga telinga yang terasa tidak nyaman ketika menyelam. Dengan memahami konsep ini, Anda dapat mengetahui bagaimana gaya dan tekanan bekerja pada benda, termasuk alasan kapal selam bisa menyelam, melayang, dan mengapung.
Apa Itu Tekanan Zat?
Tekanan zat adalah besarnya gaya yang bekerja pada setiap satuan luas permukaan. Ketika suatu gaya diberikan pada permukaan yang lebih kecil, tekanan yang dihasilkan akan semakin besar. Sebaliknya, jika gaya yang sama bekerja pada permukaan yang lebih luas, tekanannya menjadi lebih kecil.
Secara matematis, tekanan dapat dirumuskan sebagai:
P = F/A
Keterangan:
- P = tekanan dengan satuan pascal (Pa)
- F = gaya tekan dengan satuan newton (N)
- A = luas permukaan dengan satuan meter persegi (m²)
Tekanan tidak hanya terjadi pada benda padat, tetapi juga pada zat cair dan gas. Pada zat padat, tekanan dipengaruhi oleh gaya dan luas bidang tekan. Sementara itu, tekanan zat cair dipengaruhi oleh kedalaman dan massa jenis cairan, sedangkan tekanan gas terjadi karena partikel-partikel gas bergerak dan menumbuk permukaan wadah.
Konsep tekanan dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Pisau yang tajam lebih mudah memotong karena memiliki bidang tekan kecil, sedangkan kaki meja dibuat cukup lebar agar tekanan pada lantai tidak terlalu besar. Dalam zat cair, tekanan dapat dirasakan ketika seseorang menyelam semakin dalam ke bawah permukaan air.
Kenapa Kapal Selam Bisa Menyelam dan Mengapung?
Kapal selam dapat menyelam dan mengapung karena mampu mengatur massa jenis rata-ratanya. Pengaturan ini dilakukan dengan bantuan tangki pemberat atau ballast tank yang dapat diisi air laut maupun udara bertekanan.
Ketika kapal selam akan menyelam, katup tangki pemberat dibuka sehingga air laut masuk. Bertambahnya air membuat massa kapal meningkat. Akibatnya, massa jenis rata-rata kapal menjadi lebih besar daripada massa jenis air laut sehingga kapal bergerak turun.
Saat kapal selam ingin bertahan pada kedalaman tertentu, jumlah air dan udara di dalam tangki diatur hingga berat kapal seimbang dengan gaya apung. Dalam kondisi ini, kapal tidak terus tenggelam atau naik, tetapi dapat melayang di dalam air.
Untuk kembali ke permukaan, udara bertekanan dimasukkan ke dalam tangki pemberat sehingga air laut terdorong keluar. Massa kapal menjadi lebih kecil dan massa jenis rata-ratanya berkurang. Gaya apung kemudian menjadi lebih besar daripada berat kapal sehingga kapal bergerak naik dan mengapung.
Secara sederhana, kondisi kapal selam dapat dibedakan menjadi:
- Menyelam, ketika berat kapal lebih besar daripada gaya apung.
- Melayang, ketika berat kapal sama dengan gaya apung.
- Mengapung, ketika gaya apung lebih besar daripada berat kapal.
Mesin dan sirip kendali juga membantu mengatur arah serta pergerakan kapal. Namun, kemampuan utama kapal selam untuk naik, turun, dan bertahan di kedalaman tertentu berkaitan erat dengan pengaturan air dalam tangki pemberat, massa jenis, serta gaya apung.
Tekanan Hidrostatis pada Zat Cair
Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang diberikan oleh zat cair dalam keadaan diam akibat berat cairan tersebut. Tekanan ini bekerja ke segala arah pada benda yang berada di dalam cairan. Karena itu, badan kapal selam menerima tekanan air dari bagian atas, bawah, maupun samping.
Besarnya tekanan hidrostatis dapat dirumuskan sebagai:
P = ρgh
Keterangan:
- P = tekanan hidrostatis dalam pascal (Pa)
- ρ = massa jenis zat cair dalam kg/m³
- g = percepatan gravitasi dalam m/s²
- h = kedalaman benda dari permukaan cairan dalam meter
Dari rumus tersebut, dapat diketahui bahwa tekanan hidrostatis dipengaruhi oleh massa jenis zat cair dan kedalaman. Semakin besar massa jenis cairan dan semakin dalam posisi suatu benda, semakin besar pula tekanan yang diterimanya.
Sebagai contoh, kapal selam yang berada pada kedalaman 100 meter menerima tekanan air lebih besar daripada ketika berada pada kedalaman 20 meter. Hal inilah yang membuat badan kapal selam harus dirancang kuat agar mampu menahan tekanan air yang terus meningkat selama kapal menyelam.
Tekanan hidrostatis berbeda dengan gaya apung. Tekanan hidrostatis menunjukkan besarnya tekanan air pada kedalaman tertentu, sedangkan gaya apung muncul karena tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan pada bagian atasnya. Perbedaan tekanan tersebut menghasilkan gaya ke atas yang membantu kapal selam melayang atau kembali menuju permukaan.
Hubungan Massa Jenis dengan Kondisi Benda di Dalam Air
Massa jenis menunjukkan banyaknya massa yang terdapat dalam setiap satuan volume suatu benda. Besarnya massa jenis dapat dihitung menggunakan rumus:
ρ = m/V
Keterangan:
- ρ = massa jenis dalam kg/m³
- m = massa benda dalam kilogram
- V = volume benda dalam meter kubik
Ketika benda dimasukkan ke dalam air, kondisinya ditentukan oleh perbandingan antara massa jenis rata-rata benda dan massa jenis air. Perbandingan tersebut menghasilkan tiga kondisi berikut:
- Benda tenggelam ketika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis air. Berat benda lebih besar daripada gaya apung yang diterimanya sehingga benda bergerak ke bawah.
- Benda melayang ketika massa jenis benda sama dengan massa jenis air. Berat benda dan gaya apung berada dalam keadaan seimbang sehingga benda bertahan pada kedalaman tertentu.
- Benda mengapung ketika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis air. Benda bergerak naik hingga sebagian permukaannya berada di atas air.
Konsep inilah yang digunakan kapal selam untuk mengatur posisinya. Kapal selam tidak mengubah ukuran badan utamanya, tetapi mengubah massa total dengan memasukkan atau mengeluarkan air dari tangki pemberat. Ketika air masuk, massa jenis rata-rata kapal meningkat. Sebaliknya, saat air dikeluarkan dan digantikan oleh udara, massa jenis rata-rata kapal menurun.
Dengan mengatur jumlah air dalam tangki secara tepat, kapal selam dapat memiliki massa jenis lebih besar, sama, atau lebih kecil daripada air laut. Karena itu, kapal selam dapat menyelam, melayang pada kedalaman tertentu, ataupun kembali mengapung.
Kapal selam dapat menyelam, melayang, dan kembali mengapung karena mampu mengatur massa jenis rata-ratanya melalui tangki pemberat. Proses tersebut berkaitan erat dengan tekanan hidrostatis, gaya apung, dan perbandingan antara massa jenis kapal dengan massa jenis air laut.
Semakin dalam kapal selam berada, semakin besar tekanan air yang diterimanya. Sementara itu, perubahan jumlah air dan udara di dalam tangki pemberat menentukan apakah berat kapal lebih besar, sama, atau lebih kecil daripada gaya apung. Dari cara kerja kapal selam, terlihat bahwa konsep tekanan zat tidak hanya dipelajari melalui rumus, tetapi juga diterapkan langsung dalam teknologi.
