APLIKASI MEKANIKA FLUIDA PADA INSTALASI SALURAN AIR DI RUMAH Riky Tarnando 12010210085 Program Studi Pendidikan Fisika Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan (STKIP) Surya Jalan Scientia Boulevard Blok U no. 7 Gading Serpong, Tangerang 15810
Abstract Selain memberikan banyak manfaat, air juga dapat memberikan dampak yang negatif jika pengolahannya tidak dilakukan secara baik. Hal ini lebih terfokus pada sistem instalasi pengairan atau lebih dikenal dengan istilah drainase yang dilakukan oleh manusia, baik pada instalasi drainase di tempat umum maupun instalasi drainase di rumah-rumah. Pengairan yang kurang baik membuat air terbuang secara tidak baik sehingga menyebabkan kerugian misalnya kerusakan bahan bangunan oleh tetesan air yang merembes di pipa. Oleh sebab itu, pemasangan instalasi drainase harus menggunakan perhitungan yang baik untuk mengurangi dampak negatif yang terjadi. Dalam ilmu fisika, cabang ilmu yang cocok untuk mengevaluasi apakah instalasi drainase telah dikatakan baik adalah Mekanika Fluida. Hal ini karena mekanika fluida merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda di sekitarnya yang dilalui saat mengalir serta membahas hukum keseimbangan dan gerakan fluida dan aplikasinya untuk hal-hal yang praktis. Adapun sasaran pokok dari cabang ilmu ini adalah aliran fluida yang dikelilingi oleh selubung, seperti misalnya aliran di dalam saluran-terbuka dan tertutup. Oleh sebab itu, penulis akan memaparkan bagaimana pengaplikasian ilmu mekanika fluida dalam memasang dan mengurangi dampak negatif terhadap pemasangan saluran air yang ada di rumah kita. ∗ Key Words : Aliran air, Saluran, Hidrolika, Percabangan pipa
1
Pendahuluan
hingga bermanfaat untuk keperluan penelitian dan aplikasi. Yang paling menarik dari penemuan Joukowski adalah teori tentang WATER HAMMER yang menyebabkan saluran-saluran pecah karena alat-alat ditutup mendadak (VALVE ; TURBINE GATES ; FAUCET) dan berbagai kasus dalam bangunan air; seperti teori aliran airtanah ( GROUND WATER = PERCO-
Dasar teori mekanika fluida dan hidrolika kemudian menjadi baku setelah Daniel Bernoulli dan Leonhard Euler memperkenalkan ilmunya dalam abad XVIII. Kemudian Nikolai Joukowski yang interest dalam hidrolika berhasil menggabungkan hasil-hasil experimen dengan teori-teori yang telah ada se1
LATION THEORY ). Oleh sebab itu, Mekanika fluida dijadikan sebagai objek dan media yang memiliki partikelpartikel dengan berbagai ragam gerakan relatifnya untuk meneliti baik atau tidaknya aliran fluida yang terjadi pada instalasi drainase yang dibuat di rumah.
pakan Aliran Saluran Tertutup (Pipe Flow) yang cenderung memiliki aliran yang jauh lebih cepat dari Aliran Saluran Terbuka (Open Channel Flow) karena memiliki luas penampang yang berbeda sesuai dengan asas Bernoulli. Ini menyebabkan rentannya instalasi drainase yang dibuat untuk mengalami kerusakan seMelihat sejarah dan pemanfaatan- hingga dalam skala yang besar akan nya, Mekanika Fluida merupakan cabang merugikan masyarakat, terutama untuk ilmu fisika yang tepat karena pada ca- instalasi drainase di tempat umum. bang keilmuan ini terdapat percabangan Dalam skala kecil, ketidakakuratan lagi yang membahas secara spesifik mengenai fluida, yakni Hidromekanika dan pada perhitungan saat instalasi mengakHidrolika. Hidromekanika mempelajari ibatkan air tidak mengalir secara makkeseimbangan dan gerakan gas maupun simal karena berkurang oleh kebocozat cair serta gaya tarik dengan benda ran yang terjadi. Kebocoran tersebut di sekitarnya yang dilalui saat mengalir, mengakibatkan ketidaknyamanan bagi sedangkan Hidrolika membahas hukum penghuni karena air akan merembes dan keseimbangan dan gerakan fluida dan ap- merusak barang-barang yang tidak tahan likasinya untuk hal-hal yang praktis. Ke- air. Bahkan, kesalahan dalam perhitundua percabangan Mekanika Fluida ini gan untuk memasang saluran drainase memiliki sasaran pokok yakni aliran flu- juga mengakibatkan dampak yang besar ida yang dikelilingi oleh selubung, seperti dalam skala yang lebih besar. Ini karena aliran di dalam saluran-terbuka dan ter- jika saluran drainase mampet akan mentutup. Contohnya yaitu aliran pada sun- gakibatkan air buangan tidak terbuang gai, terusan, cerobong dan pipa saluran, secara lancar bahkan cenderung terhambat sehingga akan mengakibatkan bannozzle serta komponen mesin hidrolik. jir dan sumber penyakit bagi manusia. Meskipun para fisikawan telah men- Dalam hal ini, kita memerlukan pengapemukan metode dan alat yang tepat, likasian mekanika fluida dalam mengevalkendala dalam pengaplikasian instalasi uasi instalasi yang dibuat. drainase tetap saja ditemukan. Ini karena air merupakan fluida yang tentunya memiliki sifat khas fluida, yakni zat cair cenderung untuk mengumpul dan membentuk tetesan ( apabila jumlahnya sedikit ) dan jika dalam volume yang banyak ia akan membentuk muka bekas ( FREE SURFACE ). Sifat penting lainnya dari zat-cair, perubahan tekanan dan temperatur hampir atau sama sekali tak berpengaruh terhadap volume; sehingga dalam praktek zat cair dianggap bersifat INCOMPRESSIBLE. Ditambah lagi, aliran air dalam pipa meru-
2
Metode Penyusunan Jurnal
Pemaparan materi pada jurnal ini murni menggunakan metode studi pustaka. Ide dan pemaparan dari tiap materi yang ada dikembangkan melalui beberapa referensi, baik melalui jurnaljurnal yang telah dipublikasikan di internet maupun melalui situs yang tersedia di search engine sehingga materi yang disampaikan merupakan rangkuman dari 2
beberapa penelitian yang dikumpulkan lalu diikhtisarkan dalam sebuah kesatuan materi yang berkesinambungan. Oleh sebab itu, jurnal ini merupakan pengembangan aplikasi terhadap materi yang berasal dari teori dan penelitian yang telah ada sehingga data yang dirangkumkan telah teruji.
belokkan atau membagi aliran menjadi bercabang. Pembagian aliran fluida pada percabangan sendiri adalah suatu proses irreversibel dimana irreversibilitas ini di dalam aplikasi teknik akan menurunkan unjuk kerja dari sistem. Selama fluida mengalir melalui pipa banyak terjadi rugi tekanan yang disebut rugi tekanan Major (Major Head loss) dan rugi tekanan Minor (Minor Head loss) (Mechanical 3 Hasil dan Pemba- Engineering Laboratory Spring Quarter, 2003). Kerugian major adalah rugi hasan tekanan yang terjadi karena gesekan fluMenurut teori hidrolika, fluida ida dengan dinding pipa dan kerugian miadalah suatu kontinyum (CONTIN- nor adalah kerugian akibat fluida meleUUM) yakni suatu bahan yang bersifat wati sambungan. kontinyu, berusaha menempati seluruh Aliran fluida yang terjadi pada inruangan, dan tanpa ada yang kosong. Oleh karena itu, struktur molekuler stalasi ini adalah aliran turbulen. Alidapat diabaikan sehingga fluida dengan ran turbulen mempunyai koefisien gesek partikel yang sangat kecil sekalipun yang lebih tinggi dibandingkan dengan mesti terbentuk dari molekul-molekul aliran laminar, tingginya koefisien gesek yang sangat banyak jumlahnya. Karena berpengaruh secara langsung pada befluida selalu berusaha molor (YIELDS) sarnya penurunan tekanan dan pada walaupun tegangannya sangat kecil, ia akhirnya besarnya energi yang dipertak bisa menimbulkan gaya yang ter- lukan untuk mengalirkan fluida (Inpusat. Semua gaya-gaya yang diberikan dartono, 2006). Aliran ini mengalami repadanya akan didistribusikan merata gangan yang sebanding dengan VELOCdalam seluruh volume (massa) atau ITY GRADIENT dalam arah ⊥ aliran searah dengan permukaannya. Jadi fluida, yang dapat ditulis secara matemgaya luar yang bisa bekerja pada setiap- atis melalui persamaan : volume fluida hanyalah gaya inersia dv Kg (BODY FORCE) atau gaya permukaan · τ =µ· dy m2 (SURFACE FORCE). Dalam kehidupan sehari-hari, diperlukan instalasi yang tepat sehingga pada saat digunakan dapat meminimalkan terjadinya kebocoran yang disebabkan oleh sifat unik dari fluida. Berikut adalah salah satu contoh gambar untuk instalasi drainase yang dapat diaplikasikan di rumah. Figure 1: contoh instalasi pipa ukuran Pada instalasi ini, banyak dipakai besar sambungan yang berfungsi untuk mem3
Apabila fluida mengalir melalui suatu percabangan maka akan terjadi separasi yang mengakibatkan terjadinya kerugian tekan. Menurut (Dwiyantoro, 2004), Adanya percabangan pada aliran fluida incompressible berakibat terganggunya aliran karena adanya separasi yang menyebabkan kerugian dari tekanan total. Kerugian ini terjadi karena adanya tegangan geser pada luas penampang. Bila tegangan geser merata pada luas penampang (S) maka regangan geser total (gaya gesek) yang bekerja padaluasan tersebut adalah :
V : kecepatan rata-rata aliran l : Panjang aliran tertutup 2 v : Viskositas kinematik ( ms ). Kekasaran pipa juga mempengaruhi aliran yang dialami oleh fluida pada saluran yang dinotasikan dengan : hf = λ ·
L·V2 D · 2g
Untuk mempermudah mengetahui kerugian akibat percabangan pipa, kita dapat menggunakan penelitian terhadap dividing derajat pipa sebagai acuan penilaian. Adapun penelitian koefisien kerudv gian yang dilakukan pada pipa berdivid·S T =µ· ing 45 tersaji dalam tabel 1. Pada bagian dy ini juga, terlampir contoh perhitungan Untuk Separasi dan Head loss pada untuk menentukan nilai k yakni sebagai pipa bengkok (Study of the Separated berikut. and Total Losses in Bend) telah diteliti Peneliti Dividing 45 oleh (Salem et-all, 2003): Bahwa keruDonal S Miller K3-1 (0,9-0,5) gian gesek mayor mempunyai pengaruh K3-2 (0,04-0,4) signifikan pada kerugian gesekan total Thomas Krist K3-1 (0,9-0,48) ketika perbandingan bend curvatur raK3-2 (0,04-0,33) dius (r) dibanding bend diameter (D) Sularso dan Haruo Tahara K3-1 (0,89-0,47) diatas 0,92 dan koefisien kerugian dan K3-2 (0,04-0,33) separasi paling besar jika arah aliran Teoritis K3-1 (1-0,337) berubah secara tajam dan radius curvaK3-2 (0-0,5) ture sama dengan nol. Hasil Penelitian K3-1 (0,95-0,60) K3-2 (0,06-0,37) Separasi yang terjadi pada percabangan pipa mengakibatkan aliran menjadi turbulen, sehingga koefisien gesek menjadi tinggi dan menyebabkan penuKteoritis − Kaktual runan tekanan yang akan berpengaruh = × 100 Kteoritis pada energi yang dibutuhkan untuk 1, 00 − 0, 95 Pompa. Seberapa besar pengaruh variasi = × 100 1, 00 sudut terhadap koefisien kerugian pada = 5∗∗ percabangan pipa. Dalam hal ini juga, terdapat perbandingan gaya-gaya yang ∗ ∗ (dalam persen) disebabkan oleh gaya Inersia, gravitasi, dan kekentalan yang dikenal sebagai biKoefisien kerugian total adalah penlangan Reynolds (Re) yang dinotasikan jumlahan antara koefisien kerugian tiap dengan : cabang. Dari hasil penelitian menunV ·D Re = jukan hasil yang sedikit berbeda, tetapi v 4
tren grafik sudah menyerupai. Koefisien kerugian total paling besar diperoleh pada dividing 90◦ , kemudian 60◦ dan 45◦ . Hal ini disebabkan besarnya sudut percabangan yang mengakibatkan semakin besar tahanannya.
berusaha menjaga kekekalan massa, laju perubahan terhadap waktu dari massa kandungan volume atur ditambah dengan laju netto aliran massa melalui permukaan atur sehingga nilainya harus sama dengan nol. Adapun persamaan matematis yang menganalisa kecepatan volume atur fluida, yakni: R A · ρV · ndA v¯ = ρ·A
Semakin besar sudut percabangan mengakibatkan semakin besar kerugian tekanan yang mengakibatkan nilai koefisien akan bertambah besar. Dari hasil penelitian sebelumnya juga menunjukan Sesungguhnya, hasil yang sama pernyataan yang sama. Bahkan dalam tabel kedua, hasil yang diperoleh dari mungkin dapat diperoleh secara lebih penelitian yang dilakukan nilainya sudah langsung dengan menyamakan laju aliran massa ke dalam dan keluar volume mendekati. atur dengan penumpukan atau pengurangan massa di dalam volume atur. Peneliti Dividing 45 Donal S Miller Ktot (0,827-0,933) Namun demikian, fakta bahwa teorema transport Reynolds berlaku dalam kaThomas Krist Ktot (0,94-0,68) sus sederhana yang mudah dimengerti Sularso Ktot (0,93-0,8) ini kembali menambah keyakinan kita. dan Haruo Tahara Keyakinan ini akan sangat membantu Teoritis K3-1 (1-0,837) kita dalam mengembangkan pernyataan Hasil Penelitian Ktot(1,02-0,96) volume atur untuk prinsip-prinsip penting lainnya. Dalam hal ini, tujuan yang ingin dicapai dalam penciptaan instalasi drainase ini adalah menciptakan suatu Meskipun data yang ditampilkan volume atur yang tepat untuk digunakan akurat, tak dapat dipungkiri bahwa akan adalah yang tetap dan tidak berdeforterjadi perbedaan ketika dilakukan kedua masi. Dalam matematika, keadaan ini kalinya. Adapun perbedaan yang terjadi dapat dinotasikan dengan kombinasi perdisebabkan oleh : samaan sehingga didapat : Z Z • Jenis pipa uji yang digunakan dalam ∂ · cvρd∀ + csρV · ndA = 0 penelitian. ∂t • Jenis fluida
4
• Pengukuran yang kurang presisi akibat dari fluktuasi tekanan.
Simpulan
Melalui paparan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa konsep Mekanika Fluida sangat tepat untuk diterapkan guna memasang dan mengurangi dampak negatif terhadap pemasangan saluran air yang ada di rumah kita. Oleh sebab itu, perancang model instalasi drainase harus menguasai kon-
• Variasi bilangan Re Meskipun telah mengetahui tingkat kerugian dalam percabangan pipa, kita harus tetap memperhatikan sifat volmue atur pada fluida. Ini karena fluida 5
sep Mekanika Fluida dalam mengevaluasi baik atau tidaknya sebuah instalasi drainase yang telah ia buat. Ini dimaksudkan agar meminimalisasi kesalahan pada pemasangan instalasi drainase serta cabang keilmuan ini dapat diaplikasikan dalam skala yang lebih besar, baik untuk keilmuan teknik seperti perpabrikan maupun dalam konservasi alam seperti saluran irigasi yang tidak mencemari lingkungan.
5
Daftar Pustaka
References [1] Ichwan Ridwan Nasution, 2005. ”Aliran Seragam pada Saluran Terbuka pada Teori dan Penyelesaian Soal-soal”, e-USU Repository Universitas Sumatera Utara [2] Modul mengenai Hukum Dasar Mekanika Fluida (diunduh pada situs http://www.google.com) [3] Bar-Meir, Genick, 2013 . Fundamental of Compressible Mechanic Fluid, North Washtenaw Ave Chicago, IL 60645 [4] Muchsin dan Rachmat Subagyo. 2011. Kaji Eksperimental Koefisien Kerugian pada Percabangan Pipa dengan Sudut 45◦ , 60◦ , dan 90◦ , Jurnal Mekanikal, Vol. 2 No. 2: 181-188 [5] Modul mengenai Pengenalan Hidromekanik dan Hidrolika (diunduh pada situs http://www.google.com)
6
