Hukum Archimedes & Logika Kapal Bocor tak Langsung Tenggelam

tirto.id - Prinsip Fisika hukum Archimedes turut bekerja di atas kapal melalui gaya apung yang dihasilkan. Ruang kedap air ikut mencegah penyebaran air ke bagian yang lain ketika mengalami kebocoran. Alhasil, kapal tidak langsung tenggelam.

Berdasarkan hukum Archimedes, setiap benda terendam sebagian atau seluruhnya di dalam air diam, maka akan mendapatkan gaya ke atas atau gaya apung. Besar gaya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Jika gaya apung lebih besar daripada berat benda, maka benda mengarah ke atas. Apabila gaya apung lebih kecil daripada berat benda, benda akan tenggelam saat dilepaskan. Andai gaya apung sama dengan berat benda, benda dapat tetap melayang pada kedalaman tertentu.

Guna menjaga gaya apung, kapal didesain memiliki ruang kedap air (watertight compartments) untuk mencegah penyebaran air ke bagian yang lain. Dengan begitu, saat terjadi kebocoran atau kecelakaan, kapal diharapkan tidak oleng dan tenggelam.

Prinsip Fisika Hukum Archimedes

Hukum Archimedes dicetuskan oleh matematikawan Yunani bernama Archimedes. Asumsi dasar hukum Archimedes adalah suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam air akan memberikan dorongan ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat air yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Saat kapal berada di laut, gravitasi menarik ke bawah, sehingga air di sekitarnya tergeser. Proses ini disebut perpindahan air (displacement). Air berpindah akibat keberadaan kapal dan menciptakan tekanan ke segala arah.

Perbedaan tekanan di bagian bawah yang lebih besar dibanding bagian atas inilah yang mendorong kapal terapung. Dengan begitu, selama gaya apung mampu menahan berat total kapal, kapal tetap mengapung.

Secara sederhana, jika menekan bola pantai ke dalam air, Anda akan merasakan air mendorong bola tersebut kembali ke atas. Semakin kuat tenaga menekan ke bawah, semakin kuat pula dorongan ke atas yang dihasilkan. Inilah gaya apung yang sedang bekerja.

Pada prinsip Archimedes, agar suatu benda dapat mengapung, gaya apung harus sama dengan berat benda tersebut. Sebuah kapal dapat mengapung karena kapal memindahkan volume air yang beratnya sama dengan total berat kapal itu sendiri.

Melansir laman National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), gayang apung dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu volume, bentuk, dan massa jenis. Volume merupakan ruang tiga dimensi yang ditempati oleh suatu benda.

Semakin besar volume, semakin banyak air yang dipindahkan, kemudian meningkatkan gaya apung. Berikutnya, bentuk yang lebar atau berongga cenderung bisa memindahkan lebih banyak air dibandingkan bentuk yang padat atau ringkas.

Selain itu, massa jenis (densitas) juga menjadi kunci suatu benda bisa mengapung atau tenggelam. Massa jenis adalah massa dibagi dengan volume. Jika dua benda memiliki ukuran yang sama, benda yang lebih berat memiliki massa jenis yang lebih besar.

Apabila benda memiliki massa jenis yang lebih kecil daripada air, benda itu akan mengapung. Sebaliknya, jika massa jenis benda lebih besar dari air, maka benda tersebut akan tenggelam.

Secara umum, baja sebagai bahan dasar kapal modern cenderung memiliki massa jenis yang lebih besar dari pada air. Dengan begitu, baja seharusnya tenggelam di dalam air. Namun, baja yang berbentuk kapal berongga akan menciptakan volume tertutup yang besar.

Dengan begitu, kapal bisa memindahkan air dalam jumlah yang sangat besar, sementara berat baja tetap sama. Pada objek kapal, lambung memerangkap udara di dalam, menciptakan volume perpindahan air yang jauh lebih besar daripada yang bisa dicapai oleh baja padat.

Agar kapal dapat mengapung seimbang, maka berat kapal harus sama dengan berat air yang dipindahkan. Selain itu, titik berat kapal dan titik pusat gaya apung harus berada dalam satu garis vertikal.

Dalam kehidupan sehari-hari, prinsip Fisika hukum Archimedes mudah dijumpai. Sebagai contoh, saat membuat es lemon tea. Es batu yang dimasukkan ke dalam gelas tidak pernah benar-benar tenggelam. Es akan tetap mengapung di atas hingga mencair.

Secara Archimedes, massa jenis es sedikit lebih kecil dari pada air cair. Volume air yang disingkirkan oleh es batu menghasilkan gaya ke atas yang cukup untuk menahan tetap di permukaan.

Contoh lain ialah penggunaan ban karet untuk berenang. Ban karet berisi udara yang memiliki volume besar dan massa sangat ringan. Ketika digunakan di kolam, ban mendesak air dalam jumlah besar dan menghasilkan gaya dorong ke atas yang sangat kuat, sehingga mampu menahan beban tubuh manusia untuk tetap mengapung.

Peran Ruang Kedap Air di Kapal

Kapal modern dirancang memiliki beberapa ruangan khusus yang disebut kompartemen kedap air (watertight compartments). Salah satu fungsi ruang kedap air kapal adalah memastikan kapal tidak langsung tenggelam saat bocor di tengah laut.

Ruang kedap air merupakan sekat dinding vertikal berupa ruangan di dalam interior kapal dan lambung kapal. Bagian ini telah dibagi menjadi beberapa ruangan yang terpisah. Menurut dokumen bahan ajar Maritime Education Program University of Cebu dengan topik Watertight Integrity, watertight compartments terbagi menjadi dua jenis, yaitu melintang dan memanjang.

Sekat melintang membentang tegak lurus terhadap garis tengah kapal dan membagi kapal menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Sekat memanjang membentang sejajar dengan garis tengah dan memberikan kekakuan tambahan pada lambung kapal.

Ruangan kedap ini berfungsi meningkatkan ketahanan kapal saat terjadi kebocoran atau banjir. Ruang yang sama memberi penguatan ekstra pada lambung kapal, yang dapat meningkatkan stabilitas dan karakteristik penanganan kapal.

Saat terjadi kerusakan di lambung kapal karena kandas atau kecelakaan, air akan masuk terlebih dahulu ke area kompartemen. Ruangan kedap inilah yang akan mengisolasi air agar tidak menyebar hingga menyebabkan kebanjiran.

Studi Damage Stability of Ships (2023) yang ditulis Pekka Ruponen dan Apostolos Papanikolaou di Journal of Marine Science and Engineering menguji efektivitas penggunaan ruang kedap untuk mengatasi kebocoran kapal.

Hasilnya, mitigasi ruang kedap ini terbukti meningkatkan kemampuan kapal untuk mengapung dalam dua skenario kerusakan yang diuji. Saat gelombang rendah, mitigasi sering kali tidak diperlukan, sementara pada kondisi gelombang tinggi, efektivitas tidak selalu cukup untuk menjamin keselamatan kapal.

Namun, untuk kondisi gelombang dengan ketinggian sedang, pemanfaatan ruang kedap dapat meningkatkan kemampuan kapal tidak terbalik dan tenggelam secara signifikan.

Kapan Kapal Akhirnya Bisa Tenggelam?

Meski berbagai mitigasi telah dilakukan, kebocoran kapal bisa menyebabkan kapal tenggelam. Studi A Review of Methods for Modelling Flooding, Its Progression and Outcome in Damaged Ships (2024) karya Jose Miguel Rodrigues yang dimuat di Journal of Marine Science and Engineering menemukan, sangat mungkin terjadi efek domino ketika ruang kedap air telah terisi air akibat kebocoran.

Temuan ini menjelaskan bahwa masuknya air laut ke dalam kompartemen yang sebelumnya kosong, ditambah dengan potensi pergeseran atau pergerakan muatan, secara mendasar mengganggu sistem gaya yang telah diperhitungkan dengan cermat dalam desain kapal.

Dengan kata lain, saat ruangan kedap terisi air, maka dapat memicu ketidakstabilan yang menyebabkan kapal terbalik atau tenggelam. Bahkan bisa terjadi peningkatan beban struktural yang ekstrem dan melampaui kapasitas ketahanan kerangka kapal.

Mengacu National Standard for Commercial Vessels Part C, kompartemen yang dipenuhi air dapat menghilangkan daya apung bersih (net buoyancy) ruang tersebut. Sebab volume ruang kedap yang mulanya berisi udara untuk menjaga daya apung, kini berganti menjadi air.

Ketika daya apung mulai terganggu, dapat menggeser posisi titik berat kapal, hingga memicu kapal oleng dan keseimbangan terganggu. Terlebih jika ruang yang terendam penuh berada di sisi lambung atau bagian ujung haluan/buritan kapal.

Selain kapal tenggelam secara bertahap, ruangan kedap yang terpenuhi air juga menyebabkan sistem darurat tidak berfungsi. Pada titik tertentu, kondisi ini dapat menyebabkan penumpang kapal terjebak hingga paparan risiko evakuasi bagi orang-orang di atas kapal.