Buoyancy

 

Buoyancy (Daya Apung)

Adalah gaya ke atas yang diberikan oleh air terhadap kapal yang terapung, yang besarnya sama dengan berat air yang dipindahkan oleh bagian kapal yang terendam.

Artinya, ketika kapal dimasukkan ke dalam air, kapal akan menekan air ke bawah dan menggantikan sejumlah volume air. Air yang tergantikan itu akan memberikan gaya ke atas pada kapal.
Jika gaya ke atas (buoyancy) sama besar dengan berat kapal, maka kapal akan terapung seimbang di permukaan air.

Prinsip Dasar (Hukum Archimedes)

“Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.”

Secara matematis: Fb = ρ × g × V

Keterangan:

• $F_b$ = gaya apung (N)

• $\mathrm{\rho =\; kerapatan\; air\; (kg/m³)}$

• $\mathrm{g =\; percepatan\; gravitasi\; (9.81\; m/s²)}$

• $\mathrm{V =\; volume\; air\; yang\; dipindahkan\; (m³)}$

Makna Operasional bagi Perwira Kapal

Dalam konteks STCW Code Table A-II/1, pemahaman tentang buoyancy diperlukan agar perwira navigasi tingkat operasional dapat:

• Menjelaskan mengapa kapal dapat terapung dan tetap seimbang.

• Menghubungkan berat kapal (weight) dengan gaya apung (buoyancy).

• Mengerti bagaimana perubahan muatan, ballast, atau kerapatan air memengaruhi draft dan stabilitas kapal.

• Memastikan kapal memiliki trim dan stabilitas yang aman selama operasi pelayaran dan pemuatan.

Kesimpulan Singkat

Buoyancy adalah gaya ke atas dari air yang menahan berat kapal sehingga kapal dapat terapung. Besarnya gaya apung sama dengan berat air yang dipindahkan oleh kapal.

Gaya buoyancy atau daya apung adalah gaya ke atas yang bekerja pada benda (termasuk kapal) yang terapung atau tercelup di dalam air.
Gaya ini terjadi karena tekanan fluida (air) yang bekerja dari segala arah pada permukaan benda yang tercelup.

Ketika suatu benda berada di dalam air:

• Tekanan air di bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan air di bagian atas,
  karena tekanan fluida bertambah seiring kedalaman.

• Perbedaan tekanan ini menghasilkan gaya total ke atas yang disebut gaya apung (buoyant force).

Dengan kata lain:

Gaya apung adalah gaya ke atas yang dihasilkan oleh tekanan fluida pada benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya di dalam air. 

Hubungan dengan Kapal yang Terapung

Pada kapal:

• Tekanan air yang bekerja di bawah bagian lambung kapal lebih besar daripada tekanan di atasnya.

• Akibatnya timbul gaya ke atas yang menahan berat kapal.

• Kapal akan terapung stabil bila gaya ke atas (buoyancy) sama besar dan berlawanan arah dengan berat kapal (weight).

$$W = F_b$$

Contoh Sederhana

Bayangkan sebuah kapal menekan air laut:

• Semakin besar bagian kapal yang terendam, semakin besar volume air yang dipindahkan.

• Tekanan air di bawah kapal semakin besar → gaya ke atas semakin besar.

• Kapal akan berhenti tenggelam ketika gaya ke atas dari air = berat kapal.

​Ketika sebuah kapal terapung di air, kapal menekan air ke bawah dan menggantikan sejumlah volume air. Air yang tergantikan ini akan memberikan gaya ke atas (buoyancy) pada kapal.

Menurut Hukum Archimedes: Gaya Apung (Buoyancy) = Berat air yang dipindahkan

Dalam istilah kelautan, berat air yang dipindahkan oleh kapal disebut Displacement (Δ).

Sehingga:

$$F_b=\mathrm{\Delta }$$

Keterangan:

• $F_b$ = Gaya apung (Buoyancy Force)

• $\Delta$ = Displacement = Berat air yang dipindahkan = Berat kapal

Makna Fisiknya:

• Jika gaya apung lebih kecil dari berat kapal, kapal akan tenggelam.

• Jika gaya apung lebih besar dari berat kapal, kapal akan naik.

• Jika gaya apung sama dengan berat kapal, kapal akan terapung seimbang.

Kondisi ini dikenal sebagai equilibrium floating condition, dan menjadi dasar dari keseimbangan vertikal kapal.

Hubungan dalam Operasi Kapal:

• Displacement kapal berubah sesuai dengan berat total muatan, bahan bakar, air tawar, dan ballast.

• Karena gaya apung = displacement, setiap perubahan berat kapal harus diimbangi dengan perubahan volume terendam agar tetap terapung.

• Oleh karena itu, ketika kapal memuat atau membongkar muatan, draft kapal akan berubah sesuai dengan perubahan displacement.

Reserve buoyancy (cadangan daya apung) adalah volume bagian kapal di atas permukaan air (di atas garis air) yang belum terendam dan masih dapat memberikan daya apung tambahan apabila kapal mengalami penambahan berat atau kebocoran.

Dengan kata lain:

Reserve buoyancy adalah daya apung cadangan yang dimiliki kapal karena adanya struktur kedap air di atas garis air seperti geladak utama (main deck), sekat kedap air (watertight bulkheads), dan superstruktur.

Prinsip Dasarnya

• Saat kapal dalam kondisi normal, hanya sebagian lambung kapal yang terendam air untuk menyeimbangkan berat kapal.

• Bagian di atas garis air (yang tidak terendam) tetap berisi udara — bagian inilah yang menjadi reserve buoyancy.

• Bila kapal terkena gelombang besar, kemasukan air, atau kehilangan sebagian daya apung di bawah garis air, maka bagian atas inilah yang memberikan tambahan gaya apung agar kapal tetap mengapung lebih lama.

Faktor yang Menentukan Besarnya Reserve Buoyancy

1. Bentuk dan ukuran lambung kapal
   – Kapal dengan lambung tinggi di atas air memiliki cadangan daya apung lebih besar.

2. Ketinggian freeboard (jarak antara garis air dengan geladak utama)
   – Semakin besar freeboard, semakin besar reserve buoyancy.

3. Kedap airnya ruang di atas garis air
   – Superstructure, forecastle, poop deck, dan deckhouse yang kedap air menambah cadangan daya apung.

Peran Reserve Buoyancy terhadap Keselamatan Kapal

• Menambah kemampuan kapal untuk tetap terapung saat sebagian ruang bawah air kemasukan air.

• Meningkatkan stabilitas cadangan (reserve stability).

• Memberi waktu lebih lama bagi awak kapal untuk melakukan tindakan darurat (pumping, sealing, atau abandon ship).

Contoh:
Kapal dengan freeboard tinggi memiliki kemungkinan lebih besar untuk bertahan dari kerusakan lambung daripada kapal dengan freeboard rendah.

Pentingnya Reserve Buoyancy bagi Kapal

1. Menjamin kapal tetap terapung saat terjadi kebocoran

   • Bila air masuk ke ruang bawah garis air, sebagian daya apung hilang.

   • Cadangan daya apung dari ruang kedap air di atas garis air dapat mengimbangi kehilangan daya apung, sehingga kapal masih dapat bertahan terapung.

2. Meningkatkan keselamatan dan stabilitas kapal

   • Reserve buoyancy membantu menjaga keseimbangan dan mencegah kapal tenggelam terlalu cepat.

   • Memberi waktu bagi awak kapal untuk melakukan tindakan penyelamatan atau perbaikan sementara (damage control).

3. Memberi waktu reaksi dalam keadaan darurat

   • Kapal dengan cadangan daya apung yang besar akan lebih lambat tenggelam bila rusak, memberi kesempatan untuk evakuasi penumpang dan awak kapal.

4. Menentukan batas aman muatan (Load Line)

   • Freeboard yang ditetapkan oleh Load Line Convention secara langsung berkaitan dengan jumlah reserve buoyancy.

   • Semakin kecil freeboard (sem akin dalam muatan), semakin kecil cadangan daya apung → risiko keselamatan meningkat.

5. Meningkatkan kemampuan kapal menghadapi cuaca buruk

• Saat kapal menghadapi gelombang besar, bagian atas lambung (freeboard tinggi) membantu menolak masuknya air dan menambah daya apung cadangan.

Contoh Sederhana

Kapal dengan freeboard tinggi akan tetap terapung lebih lama setelah menabrak benda di laut, karena masih memiliki ruang kedap air di atas garis air yang berfungsi sebagai cadangan daya apung. Sebaliknya, kapal dengan freeboard rendah lebih mudah tenggelam karena volume cadangan di atas air lebih kecil.

1. Freeboard adalah jarak vertikal antara garis air (waterline) dengan geladak utama kapal (main deck line).

   • Semakin besar freeboard → semakin tinggi posisi geladak dari permukaan air.

   • Semakin kecil freeboard → kapal lebih dalam tenggelam ke dalam air.

2. Reserve Buoyancy (Cadangan Daya Apung) adalah volume bagian kapal di atas permukaan air yang masih belum terendam, dan dapat memberikan tambahan daya apung bila kapal kehilangan sebagian daya apung di bawah air.

Hubungan antara Freeboard dan Reserve Buoyancy

Keduanya berkaitan langsung dan berbanding lurus:

Semakin besar freeboard, semakin besar reserve buoyancy. Semakin kecil freeboard, semakin kecil reserve buoyancy.

Penjelasannya:

• Freeboard menentukan volume lambung di atas air (superstructure dan deck area).

• Volume tersebut adalah cadangan ruang udara yang bisa menahan air masuk dan memberikan tambahan daya apung bila kapal miring, trim berlebih, atau bocor.

• Jika freeboard kecil (kapal bermuatan berat), maka bagian atas lambung hampir menyentuh permukaan air — cadangan daya apung berkurang dan risiko tenggelam meningkat.

Contoh Praktis dalam Operasi Kapal

• Saat kapal memuat muatan hingga mendekati garis muat (Load Line), freeboard berkurang → reserve buoyancy juga berkurang.

• Oleh karena itu, Load Line Convention menetapkan batas maksimum muatan untuk memastikan cadangan daya apung minimum tetap terjaga.

• Pengawasan freeboard adalah bagian penting dari keselamatan kapal agar tidak kehilangan kemampuan untuk mengapung jika terjadi kebocoran.

Agar sebuah kapal dapat terapung di air, berat kapal (massanya) harus seimbang dengan berat air yang dipindahkan oleh bagian kapal yang terendam.
Inilah yang disebut kondisi keseimbangan daya apung (buoyancy equilibrium).

Prinsip ini berasal dari Hukum Archimedes, yang menyatakan: 

“Suatu benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.”

Ketika kapal ditempatkan di air:

1. Kapal akan menekan air ke bawah dan menggantikan sejumlah volume air (V).

2. Air yang tergantikan menimbulkan gaya ke atas (buoyancy force, $F_b$).

3. Kapal akan terus tenggelam hingga berat kapal (W) sama dengan berat air yang dipindahkan (displacement, Δ).

$$W=\mathrm{\Delta }=\rho \times g\times V$$

Keterangan:

• $\mathrm{W =\; berat\; kapal}$

• $\mathrm{\Delta =\; berat\; air\; yang\; dipindahkan\; (displacement)}$

• $\mathrm{\rho =\; kerapatan\; air}$

• $\mathrm{g =\; percepatan\; gravitasi}$

• $\mathrm{V =\; volume\; bagian\; kapal\; yang\; terendam}$

Contoh Sederhana

Sebuah kapal dengan berat 10.000 ton akan terapung hanya jika volume bagian kapal yang terendam memindahkan air laut seberat 10.000 ton. Jika kapal memuat muatan tambahan, kapal akan tenggelam lebih dalam (draft bertambah) untuk memindahkan lebih banyak air, hingga tercapai keseimbangan baru.

Ketika massa kapal berubah — misalnya karena muatan ditambahkan atau dikurangi, atau karena pengisian maupun pembuangan ballast — maka massa air yang dipindahkan (displaced) oleh kapal juga berubah dengan jumlah yang sama.

• Jika massa kapal bertambah (misalnya karena memuat kargo atau bahan bakar), maka kapal akan tenggelam lebih dalam sehingga memindahkan lebih banyak air.
  ➜ Dengan kata lain, massa air yang dipindahkan bertambah sebesar massa tambahan yang diterima kapal.

• Sebaliknya, jika massa kapal berkurang (misalnya karena membongkar muatan atau mengosongkan tangki), maka kapal akan terapung lebih tinggi di atas permukaan air dan memindahkan lebih sedikit air.
  ➜ Massa air yang dipindahkan berkurang sebesar massa yang dikeluarkan dari kapal.

Prinsip Dasar yang Digunakan:

Prinsip ini berdasarkan Hukum Archimedes, yang menyatakan bahwa:

“Sebuah benda yang terapung di dalam fluida akan mengalami gaya ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.”

Dengan demikian, setiap perubahan berat kapal akan selalu diikuti oleh perubahan berat air yang dipindahkan dalam jumlah yang sama agar keseimbangan apung (floating equilibrium) tetap terjaga.

Contoh Sederhana:

• Kapal memiliki berat 10.000 ton dan mengapung dengan memindahkan 10.000 ton air laut.

• Ketika kapal memuat 500 ton kargo tambahan, berat kapal menjadi 10.500 ton. ➜ Maka, kapal akan tenggelam lebih dalam hingga memindahkan 10.500 ton air laut, sama dengan berat total kapal yang baru.

Displacement (perpindahan) adalah massa total kapal pada saat mengapung di air. Dengan kata lain, displacement menunjukkan berat kapal beserta seluruh isinya, yang sama dengan berat air yang dipindahkan oleh kapal tersebut.

Poin-Poin Penting:

1. Displacement = Massa kapal (berat kapal total)

   • Termasuk berat struktur kapal, muatan, bahan bakar, air ballast, air tawar, proviant, dan awak kapal.

   • Dalam keadaan kosong (tanpa muatan dan persediaan), nilai ini disebut Light Displacement.

   • Dalam keadaan penuh muatan dan perlengkapan, disebut Load Displacement.

2. Satuan pengukuran:
   Displacement diukur dalam satuan massa, yaitu ton (tonnes metrik).
   1 tonne = 1.000 kilogram.

3. Hubungan dengan gaya apung:
   Karena kapal terapung dalam keseimbangan, maka displacement kapal (dalam ton) sama dengan massa air laut yang dipindahkan oleh bagian kapal yang terbenam di bawah permukaan air.

Contoh Sederhana:

Sebuah kapal ketika berlayar penuh muatan memiliki displacement sebesar 15.000 ton. Artinya, kapal tersebut:

• Memiliki massa total sebesar 15.000 ton, dan

• Memindahkan air laut dengan massa 15.000 ton pula.

Dalam ilmu hidrostatik kapal, displacement atau perpindahan kapal dilambangkan dengan simbol Yunani huruf delta (∆).

Simbol ∆ (Delta) digunakan untuk mewakili massa total kapal atau berat air yang dipindahkan oleh kapal saat terapung.

Makna Simbol ∆:

• ∆ (Delta) = Displacement (massa kapal total)

• Diukur dalam ton (tonnes)

• Nilainya tergantung pada draft kapal (kedalaman terbenam kapal di air)

Semakin besar draft kapal, maka semakin besar pula volume bagian kapal yang terbenam dan semakin besar nilai ∆ (displacement).

Hubungan dengan Hukum Archimedes:

Menurut prinsip Archimedes:

“Sebuah benda yang terapung di dalam fluida akan menggantikan volume fluida yang beratnya sama dengan berat benda tersebut.”

Oleh karena itu, ∆ = Berat kapal = Berat air yang dipindahkan

Contoh:

Jika pada suatu kondisi kapal memiliki displacement sebesar 12.500 ton, maka:

• Dapat ditulis sebagai ∆ = 12.500 ton

• Artinya, kapal tersebut memindahkan air laut seberat 12.500 ton

Penjelasan Hubungan antara Displacement dan Mean Draught

1. Definisi singkat

   • Draught (draft) adalah kedalaman bagian kapal yang terbenam di air diukur dari dasar kapal (lunas) hingga garis air. 

   • Mean draught atau draught rata-rata adalah rata-rata antara draught kapal di haluan dan di buritan (serta sering dilengkapi koreksi untuk trim dan kondisi lainnya). 

   • Displacement (∆) adalah massa total kapal (berat kapal + muatan + ballast + lain-lain) yang sama dengan massa air yang dipindahkan. 

2. Hubungannya secara grafis / skala

   • Banyak kapal mempunyai “kurva hidrostatik” (hydrostatic curve) atau “displacement curve” di buku stabilitas / trim & stability booklet-nya, yang menunjukkan kedalaman draught vs displacement. 

   • Dengan menggunakan kurva ini, jika diketahui mean draught kapal, maka dapat dibaca langsung dari skala atau grafik berapa besar displacement kapal pada draught tersebut. Sebaliknya, jika diketahui displacement maka dapat diketahui approximate draught dengan melihat grafik atau tabel.

   • Misalnya, ketika kapal memuat muatan sehingga draught naik (kapal tenggelam lebih dalam), maka volume terbenam bertambah → kapal memindahkan lebih banyak air → displacement meningkat.

   • Sebaliknya, jika kapal dikurangi muatan atau ballast dikurangi sehingga draught berkurang (kapal terapung lebih tinggi), maka volume terbenam berkurang → kapal memindahkan lebih sedikit air → displacement menurun.

3. Mengapa penting

• Pemahaman hubungan ini sangat membantu dalam draft survey, yaitu untuk memperkirakan perubahan berat/muatan kapal hanya dengan mengukur draught kapal. 

• Juga penting untuk memastikan kapal tidak melebihi garis muat (load line) dan tetap aman dari segi stabilitas dan cadangan daya apung (reserve buoyancy).

• Memungkinkan kapal mengukur secara praktis berat kapal saat kondisi tertentu tanpa harus melakukan timbangan berat langsung, cukup dengan membaca draught dan menggunakan tabel/kurva.

Semakin dalam kapal tenggelam (mean draught naik) → semakin besar volume air yang dipindahkan → sehingga displacement kapal semakin besar. Sebaliknya, semakin ringan muatan atau ballast → draught turun → volume air yang dipindahkan berkurang → displacement lebih kecil.

Gambar-gambar di atas menunjukkan contoh kurva yang mengaitkan draught (kedalaman terbenam) dengan displacement (massa kapal/air yang dipindahkan).

Ketika diberikan kurva Displacement/Draught (juga disebut Hydrostatic Curve), pelaut harus dapat menentukan besar displacement kapal untuk draught rata-rata (mean draught) tertentu dengan membaca grafik atau tabel tersebut.

Langkah-langkah Penjelasan:

1. Pahami isi kurva Displacement/Draught:

   • Sumbu horizontal (X) biasanya menunjukkan draught kapal (kedalaman bagian kapal yang terbenam di air).

   • Sumbu vertikal (Y) menunjukkan displacement, yaitu berat total kapal (dalam ton) pada draught tersebut.

2. Menentukan displacement untuk draught tertentu:

   • Ukur atau ketahui mean draught kapal (rata-rata antara draught di haluan dan di buritan).

   • Temukan nilai mean draught itu pada sumbu horizontal (X) grafik.

   • Dari titik tersebut, tarik garis vertikal ke atas hingga memotong kurva displacement/draught.

   • Dari titik potong itu, tarik garis horizontal ke kiri hingga mencapai sumbu vertikal (Y).

   • Nilai pada sumbu vertikal itulah displacement kapal pada mean draught tersebut.

3. Jika menggunakan tabel (bukan grafik):

   • Cari draught yang sesuai dalam kolom tabel hydrostatic data.

   • Jika mean draught yang dicari berada di antara dua nilai dalam tabel, maka lakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai displacement yang tepat.

Ketika diberikan kurva Displacement/Draught (atau disebut juga Hydrostatic Curve), pelaut harus mampu menentukan mean draught (rata-rata sarat kapal) jika diketahui nilai displacement (berat kapal total).

Artinya, dari berat kapal (dalam ton) yang diketahui, pelaut dapat menemukan berapa dalam kapal akan tenggelam (draught-nya) dengan menggunakan grafik atau tabel hidrostatik.

Langkah-langkah Penjelasan:

1. Pahami isi kurva Displacement/Draught:

   • Sumbu horizontal (X) menunjukkan draught (kedalaman terbenam kapal di air).

   • Sumbu vertikal (Y) menunjukkan displacement (berat kapal total dalam ton).

   • Garis lengkung di antara keduanya disebut Displacement Curve.

2. Menentukan draught untuk displacement tertentu:

   • Temukan nilai displacement yang diketahui pada sumbu vertikal (Y).

   • Dari titik tersebut, tarik garis horizontal ke kanan hingga memotong kurva displacement/draught.

   • Dari titik potong itu, tarik garis vertikal ke bawah hingga mencapai sumbu horizontal (X).

   • Nilai pada sumbu horizontal itulah mean draught kapal untuk displacement tersebut.

3. Jika menggunakan tabel (bukan grafik):

• Lihat kolom displacement pada tabel data hidrostatik kapal.

• Temukan nilai displacement yang mendekati nilai yang dicari.

• Jika berada di antara dua nilai dalam tabel, lakukan interpolasi untuk mendapatkan draught yang tepat.

Ketika sejumlah massa (berat) dimuat ke dalam kapal (loaded) atau dikeluarkan dari kapal (discharged), maka draft rata-rata (mean draught) kapal akan berubah. Perubahan ini terjadi karena berat kapal total (displacement) berubah, dan sesuai dengan hukum Archimedes, kapal harus selalu menggantikan air dengan berat yang sama dengan beratnya sendiri.

Prinsip Dasar:

• Jika massa ditambahkan ke kapal (loading) → kapal akan tenggelam lebih dalam → mean draught bertambah.

• Jika massa dikeluarkan dari kapal (discharging) → kapal akan naik ke permukaan → mean draught berkurang.

Perubahan mean draught dapat dihitung dengan menggunakan nilai TPC (Tonnes per Centimetre Immersion) atau dengan membaca kurva Displacement–Draught.

Menggunakan Kurva Displacement/Draught:

Jika TPC tidak diketahui, perubahan mean draught dapat ditentukan dengan membaca selisih displacement pada kurva hidrostatik:

1. Catat displacement awal kapal dari mean draught awal.

2. Tambahkan atau kurangi berat muatan untuk mendapatkan displacement baru.

3. Dari kurva Displacement–Draught, cari draught baru yang sesuai dengan displacement baru.

4. Selisih antara draught baru dan draught awal = perubahan mean draught.

Prinsip Dasar:

Kapal akan mengganti berat air yang sama dengan berat totalnya (displacement).
Karena itu, setiap perubahan berat kapal (muatan yang dimuat/dibongkar) akan menyebabkan perubahan displacement, dan akibatnya perubahan mean draught.

Hubungan antara berat muatan (massa) dan perubahan draught ditentukan oleh TPC (Tonnes per Centimetre Immersion), yaitu jumlah ton yang dibutuhkan untuk mengubah draught sebesar 1 cm.

Referensi 

• STCW Code Table A-II/1: “Knowledge of the principles of ship construction, stability and factors affecting trim and stability.”

• Rawson & Tupper, Basic Ship Theory

• Danton, The Theory and Practice of Seamanship

• IMO Model Course 7.03 – Officer in Charge of a Navigational Watch (Operational Level)