Mekanika Fluida Simulasi Interaktif Prinsip Archimedes

Simulasi Gaya Apung pada Kubus

Ubah ukuran dan massa jenis kubus, pilih jenis fluida, lalu amati apakah kubus mengapung, melayang, atau tenggelam. Semua gaya dan hasil perhitungan diperbarui secara langsung.

Target Mahasiswa & Pelajar

Model Kubus 1-D Vertikal

Fokus Gaya Apung

Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, benda tersebut mengalami gaya ke atas yang disebut gaya apung. Besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Pada simulasi ini, Anda dapat melihat perubahan volume tercelup, gaya apung, gaya berat, gaya resultan, dan gerak vertikal kubus dalam satu tampilan.

F_B = ρ_fgV_t

Prinsip Archimedes: gaya apung bergantung pada massa jenis fluida dan volume benda yang tercelup.

1. Dasar perhitungan

Gaya berat

W = ρ_bVg ρ_b = massa jenis benda; V = volume kubus.

Gaya berat bekerja ke bawah dan tidak berubah selama ukuran, massa jenis benda, dan percepatan gravitasi tetap.

Gaya apung

F_B = ρ_fgV_t V_t = volume kubus yang berada di dalam fluida.

Gaya apung berubah mengikuti bagian kubus yang tercelup. Ketika kubus masuk lebih dalam, volume fluida yang dipindahkan bertambah.

Kondisi setimbang saat mengapung: apabila kubus tidak menyentuh dasar dan tidak bergerak, berlaku F_B = W. Untuk kubus yang mengapung, fraksi volume tercelup sama dengan ρ_b/ρ_f.

2. Jalankan simulasi

Laboratorium Virtual Gaya Apung

Tarik kubus dengan mouse atau jari, ubah parameter, kemudian tekan Jalankan.

HTML5 Mandiri

Kubus

Panjang sisi, L 20 cm

Preset bahan benda Bahan benda: Kustom Kayu ringan — 650 kg/m^3 Es — 917 kg/m^3 Plastik HDPE — 950 kg/m^3 Akrilik — 1.200 kg/m^3 Aluminium — 2.700 kg/m^3

Massa jenis benda, ρ_b 650 kg/m^3

Fluida dan gravitasi

Jenis fluida Air tawar 20°C — 998 kg/m^3 Air laut — 1.025 kg/m^3 Minyak ringan — 850 kg/m^3 Gliserin — 1.260 kg/m^3 Merkuri — 13.546 kg/m^3 Fluida kustom

Massa jenis fluida, ρ_f 998 kg/m^3

Percepatan gravitasi, g 9,81 m/s^2

Tampilan dan gerak

Tampilkan panah gaya Tampilkan label dan garis ukur

Kubus dapat ditarik secara vertikal. Lepaskan, lalu tekan Jalankan untuk melihat responsnya.

Prediksi Mengapung

Kecepatan 0,000 m/s

Percepatan 0,000 m/s^2

Waktu simulasi 0,00 s

Hasil perhitungan sesuai kondisi saat ini

Nilai di bawah mengikuti parameter dan posisi kubus pada kanvas. Tarik kubus secara vertikal untuk melihat volume tercelup, gaya apung, resultan gaya, dan percepatan berubah secara langsung.

Volume kubus 0,0080 m^3

Massa kubus 5,200 kg

Volume tercelup 0,0052 m^3

Fraksi tercelup 65,1 %

Gaya berat, W 51,01 N

Gaya apung, Fᵦ 51,01 N

Gaya resultan vertikal 0,00 N

Kedalaman tercelup 13,0 cm

Kedalaman setimbang 13,0 cm

Gaya normal dasar 0,00 N

Berat fluida dipindahkan 5,200 kg

Rasio massa jenis 0,651

Massa jenis kubus lebih kecil daripada massa jenis air. Kubus akan mencapai keseimbangan ketika sekitar 65,1% volumenya tercelup.

Hubungan gaya dan kedalaman tercelup

Garis biru bertambah linear sampai kubus tercelup penuh; garis merah adalah gaya berat yang tetap.

Gaya apung Gaya berat

3. Cara membaca hasil simulasi

Perbandingan massa jenis	Kondisi ideal	Apa yang terlihat?
ρb < ρf	Mengapung	Kubus hanya tercelup sebagian sampai gaya apung sama dengan gaya berat.
ρb = ρf	Melayang netral	Setelah tercelup penuh, kubus dapat berada di dalam fluida tanpa kecenderungan naik atau turun.
ρb > ρf	Tenggelam	Bahkan saat tercelup penuh, gaya apung maksimum masih lebih kecil daripada gaya berat.

Perhatikan istilah “melayang”. Benda yang massa jenisnya sama dengan fluida baru bersifat netral setelah seluruh volumenya masuk ke dalam fluida. Jika sebagian masih berada di atas permukaan, gaya apungnya belum cukup untuk menyeimbangkan berat.

4. Contoh perhitungan

Misalkan sebuah kubus kayu memiliki sisi 20 cm dan massa jenis 650 kg/m^3. Kubus diletakkan di air tawar dengan massa jenis 998 kg/m^3.

Volume

V = (0,20)³ = 0,008 m^3

Massa

m = 650 × 0,008 = 5,2 kg

Fraksi tercelup

V_t/V = 650/998 = 0,651

Karena bentuknya kubus, persentase volume tercelup sama dengan persentase tinggi yang tercelup. Kedalaman setimbangnya adalah:

h_t = L(ρ_b/ρ_f) = 0,20(650/998) = 0,130 m Sekitar 13,0 cm dari tinggi kubus berada di bawah permukaan air.

5. Asumsi dan keterbatasan simulasi

• Kubus selalu tegak dan hanya bergerak secara vertikal; rotasi dan oleng tidak dimodelkan.
• Massa jenis kubus dianggap seragam dan fluida dianggap homogen.
• Permukaan air dianggap tetap; kenaikan muka air akibat volume kubus diabaikan.
• Gaya hambat dipakai untuk memperhalus animasi, tetapi bukan model CFD atau analisis transien rinci.
• Tegangan permukaan, gelombang, turbulensi, kebocoran, dan penyerapan air oleh benda tidak dihitung.
• Saat kubus mencapai dasar, gaya normal dari dasar menahan sisa gaya ke bawah.

6. Latihan singkat

Coba ubah massa jenis benda menjadi 950 kg/m^3 dan pilih air tawar. Sebelum menjalankan simulasi, perkirakan berapa persen kubus akan tercelup.

Lihat jawaban

Fraksi tercelup adalah 950/998 ≈ 0,952. Jadi sekitar 95,2% tinggi kubus berada di bawah permukaan, sedangkan hanya sekitar 4,8% yang muncul di atas air.

Pertanyaan lanjutan

Mengapa mengubah gravitasi tidak mengubah fraksi tercelup pada kondisi setimbang? Karena gaya berat dan gaya apung sama-sama sebanding dengan g, sehingga g saling menghilangkan ketika kedua gaya disetarakan.

Kesimpulan

Keadaan mengapung, melayang, atau tenggelam terutama ditentukan oleh perbandingan massa jenis benda dan fluida. Ukuran kubus mengubah massa serta besar gaya, tetapi tidak mengubah fraksi tercelup selama massa jenis keduanya tetap.

Simulasi edukasi orisinal berbasis HTML5 • Dapat dijalankan langsung di Blogger