Dalam bahasa aslinya Bajak Laut KaribiaKapten Jack Sparrow dan Will Turner melarikan diri dari Port Royal dengan berjalan ke kapal yang berlabuh. Mereka melakukannya dengan berjalan di dasar laut, menggunakan perahu dayung yang terbalik untuk menahan udara agar bisa bernapas. Itu sebuah pemandangan yang luar biasatapi apakah itu mungkin? Bisakah Anda melakukannya sendiri?
Tentu saja, hal hebat tentang film adalah bahwa film tidak harus realistis (dan itu Bajak laut waralaba memanfaatkan pengecualian itu sebaik-baiknya). Saya hanya menanyakan hal ini karena ini cara yang menyenangkan untuk mengerjakan ilmu fisika dan memahami cara kerja dunia. Jadi ambil kacamata Anda dan mari terjun!
Apa yang Mengambang Perahu Anda?
Kelihatannya tidak seperti itu, tetapi benda-benda di dalam air masih mempunyai gaya gravitasi yang bekerja padanya, sama seperti di darat. Lalu mengapa Anda merasa tidak berbobot di bawah air? Baiklah, mari kita mundur sejenak. Bayangkan Anda memiliki balok baja dan balok styrofoam, keduanya berukuran volume 1 kaki kubik. Masing-masing benda mempunyai massa yang sama dengan volumenya (V) kali kepadatannya (R). Maka gaya gravitasi (FG) pada masing-masing massa hanyalah kali medan gravitasi (G):
Namun anda sudah mengetahui hal ini, karena FG adalah apa yang disebut oleh orang normal sebagai “berat” suatu benda, dan untuk volume tertentu, berat hanya bergantung pada kepadatannya. Sekarang, jika Anda menjatuhkan balok-balok ini ke dalam danau, jelas styrofoamnya akan mengapung dan bajanya akan tenggelam. Jadi jelas ini ada hubungannya dengan kepadatan.
Bagaimana jika Anda mempunyai balok air yang volumenya sama? Jika Anda bisa menahan kubus air ini, beratnya akan terasa cukup berat, sekitar 62,4 pon. Nah, kalau ditaruh hati-hati di dalam danau, apakah akan tenggelam atau terapung di permukaan seperti styrofoam? Tidak juga, kan? Itu hanya akan duduk di sana.
Karena tidak bergerak ke atas atau ke bawah, gaya total pada balok air haruslah nol. Artinya harus ada gaya yang melawan gravitasi dengan cara mendorong ke atas dengan kekuatan yang sama. Kami menyebutnya kemampuan mengapungdan untuk benda apa pun, gaya apungnya sama dengan berat air yang dipindahkannya.
Jadi mari kita pikirkan hal ini. Balok baja memindahkan air dalam jumlah yang sama, sehingga mempunyai gaya apung yang mendorong ke atas sama seperti balok air. Tapi karena lebih padat dan massanya lebih banyak, maka ia turun.
Pada umumnya suatu benda akan tenggelam jika gaya gravitasi melebihi gaya apung, dan akan mengapung jika gaya apung melebihi gaya gravitasi. Cara lain untuk menyatakannya adalah, suatu benda akan tenggelam jika massa jenisnya lebih besar dari air dan akan mengapung jika massa jenisnya lebih kecil.
Dan tepat di tengah-tengah, sebuah benda tidak akan tenggelam atau naik ke permukaan—kita menyebutnya daya apung netral. Manusia mendekati netral karena 60 persen tubuh kita terdiri dari air. Itu sebabnya kamu merasa tanpa bobot di bawah air—gaya apungnya cukup mengimbangi gaya gravitasi.
Avast! Tunggu sebentar, sobat. Kapal induk terbuat dari baja dan berbobot 100.000 ton, jadi mengapa harus demikian mereka mengambang? Bisakah kamu menebak? Itu karena bentuknya. Berbeda dengan balok baja, lambung kapal berlubang dan berisi udara, sehingga memiliki volume yang besar dibandingkan dengan beratnya.
Tapi bagaimana jika Anda mulai mengisinya dengan kargo? Kapal menjadi lebih berat, yang berarti harus memindahkan lebih banyak air untuk mencapai titik keseimbangan tersebut. Secara umum, saat Anda meluncurkan perahu atau kapal ke dalam air, perahu tersebut akan tenggelam hingga berat air yang didorongnya sama dengan berat total perahu.
Keren, bukan? Ini semua diketahui oleh Archimedes lebih dari 2.000 tahun yang lalu, menurut legenda, ketika dia masuk ke dalam bak mandi dan melihat permukaan air naik.
Pasukan di Kapal Bawah Air
Jadi, apa yang Anda perlukan untuk menaiki perahu terbalik di dasar lautan? Mari kita mulai dengan diagram gaya:
Ada empat gaya pada perahu ini: Ada gaya apung yang mendorong ke atas (FB) dan gaya gravitasi yang mendorong ke bawah (massa kali medan gravitasi, mg). Akhirnya, Will dan Jack harus mendorong perahu ke atas agar perahu menekan mereka. Maksud saya, cukup sulit untuk berjalan di bawah saat Anda tidak berbobot. (Percayalah, saya sudah mencobanya.)
Jadi mari kita hitung. Kekuatan dari manusia sangatlah kecil; kita bisa mengabaikannya. Untuk daya apung, kita mencari berat air yang dipindahkan, menggunakan rumus yang sama dengan yang kita gunakan untuk gravitasi di atas, F = ρVg. Kepadatan (R) air adalah 1.000 kg/m3dan misalkan perahu berisi udara mempunyai volume 3 m3. Mengalikannya dengan medan gravitasi Gyaitu 9,8 newton per kilogram, diperoleh gaya apung sebesar 29.400 newton. Dalam satuan imperial, yang mungkin digunakan Jack dan Will, itu berarti 6.600 pon.
Apa artinya ini? Artinya, kapal tersebut harus memiliki berat setidaknya 6.600 pon—yang jelas-jelas tidak demikian—atau daya apungnya akan membuat kapal tersebut terlempar ke permukaan. Saya hanya melihat dua solusi: Mereka dapat mengeluarkan udara untuk mengurangi volume—yang jelas bukan pilihan pertama—atau mereka dapat menambahkan lebih dari 3 ton pemberat. Mungkin emas ganda? Bajak laut menyukai emas, dan sangat padat. Namun sulit untuk sembunyi-sembunyi ketika Anda sedang menjalankan gerobak emas menuju ke pantai.
Bagaimana dengan Kompresi Udara?
Saya melihat tangan di belakang. Bukankah udara di dalamnya akan terkompresi semakin dalam, yang akan mengurangi volume dan mengurangi daya apung? Pertanyaan cerdas. Ya, hal itu memang terjadi karena tekanan air meningkat seiring dengan kedalaman. Tapi apakah itu cukup?
Untuk mengetahuinya, kita dapat menggunakan hukum gas ideal. Ini memberi kita hubungan antara tekanan (P) suatu gas dan volumenya (V):
Dalam model ini, N adalah jumlah gas (dalam mol), dan T adalah suhu. (R hanyalah sebuah konstanta.) Saat perahu bergerak turun ke perairan yang lebih dalam, jumlah udara yang terperangkap di dalamnya tidak berubah, dan untuk mempermudah, mari kita asumsikan suhunya juga konstan.
Artinya seluruh ruas kanan persamaan adalah konstan. Artinya, tekanan dan volume berbanding terbalik: Jika P naik, V menyusut—dan sebaliknya. Itu hukum Boyle.
Sekarang, jika Anda terendam, tekanannya adalah jumlah tekanan atmosfer dan tekanan air. Hal ini mungkin tampak aneh, tetapi hal ini terjadi karena berat atmosfer di atas permukaan (1 atm) membebani Anda serta berat kolom air di atas Anda. Sebagai aturan praktis, tekanan total ini meningkat sekitar 1 atm untuk setiap 10 meter Anda turun.
Sebutkan tekanan dan volume pada permukaan P1 Dan V1dan untuk mempermudah misalkan volume awal udara di dalam perahu adalah 1 m33. Kita sebut tekanan dan volume bawah air P2 Dan V2. Sekarang, dengan asumsi kita, berlaku hukum Boyle P1V1 = P2V2. Jadi kita dapat dengan mudah mencari volume udara pada kedalaman, katakanlah, 5 meter: P1V1/P2 = 1/1.5, jadi V2 adalah 0,67m3.
Dengan kata lain, volumenya menurun sepertiganya. Tapi itu masih memberi kita kekuatan apung sebesar 4.400 pon. Jika Jack and Will menarik perahu ke kedalaman 30 meter (sekitar 100 kaki), volume dan daya apungnya akan berkurang sebesar 75 persen. Tapi itu tetap kekuatan apung sebesar 1.650 pon, dan itu terlalu dalam. Bahkan jika Anda bisa turun ke sana, menghirup udara bertekanan pada tekanan 4 atm akan memerlukan pendakian yang sangat lambat dan terkontrol untuk menghindari tikungan.
Intinya: Trik berjalan di bawah air ini murni fantasi—sama palsunya dengan emas orang bodoh—tapi, hei, ini hiburan 24 karat.
