HAMBATAN KAPAL Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Tugas Akhir
Disusun Oleh: Andri Firardi Utama L0G 007 010
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK PERKAPALAN PROGRAM STUDI DIPLOMA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2012
HAMBATAN KAPAL Andri Firardi Utama Jurusan Program Studi Diploma III Teknik Perkapalan Universitas Diponegoro
Tahanan adalah gaya yang terjadi (dialami kapal), berbanding pangkat dua dengan kecepatan kapal. Satuannya (SI) adalah Newton , lambang N. Dalam bidang penerbangan istilah tahanan disebut drag, sementara di laut sebagai resistance. Dalam merancang kapal, bentuk badan kapal diusahakan mempunyai tahanan kapal yang rendah bila kapal bergerak diatas air. Sistem propeller kapal /pendorong, mesin penggerak dan lambung kapal harus dirancang yang paling efisien, yaitu jumlah energi yang diperlukan untuk propulsi untuk propulsi kapal harus sekecil mungkin tapi harus mampu memenuhi kecepatan kapal rancang. Kecepatan kapal harus sesuai dengan daya mesin (penggerak) utama. Perkiraan daya (besar)mesin adalah berdasarkan (gaya) tahanan kapal. Rumus Tahanan Kapal 2 .rho R=0,5.C T T .A.v
Dimana :
R C T T A v rho
= Hambatan Kapal (N) = Koefisien Tahanan Total = Luas Bidang Basah = Velocity / Kecepatan Kapal (m/s) = massa jenis air (kg/m3 )
Hambatan Kapal di Laut Tenang Hambatan badan kapal yang bergerak di fluida berpermukaan bebas. Badan kapal bila bergerak di suatu fluida berpermukaan bebas pada kondisi tenang tidak terganggu, maka pada saat bergerak akan menimbulkan gelombang sehingga badan kapal akan mengalami hambatan kapal/ tahanan kapal laut.
Gambar Pergerakan Kapal yang Memicu Gelombang
2
RESISTENCE OF SHIP
Fluida dalam ilmu fisika dibagi menjadi dua, yaitu: 1. Fluida ideal adalah fluida anggapan (penyederhanaan), misalnya kekentalan diabaikan untuk kemudahan dalam penyelesaian masalah. Sering juga aliran fluida dianggap partikel air tidak mampu mampat (incompressible) dan tak berotasi (irrotational). 2. Fluida real adalah fluida yang sebenarnya, air laut dan air sungai memiliki kekentalan, Dalam perhitungan gaya fluida terhadap benda, dengan memperhitungkan kekentalan maka perhitungan (persamaan) lebih panjang / rumit, akan tetapi hasil akan lebih teliti dibanding dengan fluida ideal. Komponen Hambatan Kapal
Hambatan Gesekan (R F) merupakan hambatan kapal yang ditimbulkan oleh media fluida berviskositas yang ikut terseret badan kapal, sehingga terjadi frictional force. Hambatan Gelombang (RW) merupakan hambatan kapal yang timbul akibat bergeraknya kapal. Dapat terjadi meskipun fluidanya ideal, gaya yang terlibat adalah potential force. Hambatan tekanan (R P) merupakan hambatan kapal yang timbul akibat gerakan kapal atau benda pada fluida non-ideal (fluida yang berviskositas) akan menimbulkan gaya pressure forces. Hambatan Udara (R A) merupakan hambatan kapal yang timbul akibat bangunan atas kapal (superstructure) yang tinggi dengan bentuk tidak streamline. Hambatan Apendix (RAPP) merupakan hambatan kapal yang timbul akibat adanya appendages pada lambung kapal di bawah garis air antara lain lunas sayap (bilge keels), penumpu poros propeller , lubang Bow Thruster .
Hambatan Kapal dengan Beberapa Kondisi: 1. Bergerak di dalam fluida (Air Laut) Fluida ideal → hambatan total = 0 Fluida berviskositas → hambatan total = hambatan gelombang + hambatan tekanan 2. Bergerak di permukaan bebas (Gelombang dan Udara) Fluida ideal → hambatan total = hambatan gelombang + hambatan udara Fluida berviskositas → hambatan total = hambatan gelombang + hambatan gesekan + hambatan tekanan + hambatan udara Hambatan Total (R T) dan Hambatan Sisa (R R)
RT = RF + RR
RR = RW+RP+RA+RAPP
Pengelompokan Tahanan Tahanan kapal, sebagai kapal permukaan memiliki lebih banyak komponen dibandingkan pesawat terbang maupun kapal selam karena kapal dipengaruhi oleh air (laut) dan udara. Dalam
3
RESISTENCE OF SHIP
perkiraan besarnya gaya tahanan, kapal lebih rumit dari pada pesawat terbang dan kapal selam. Terkait ketelitian perhitungan, tingkat ketepatan tahanan kapal lebih rendah dari keduanya. Gambar di bawah menunjukkan aliran sekitar kapal, turbulen dan laminar, yang ikut dipertimbangkan dalam evaluasi komponen tahanan, karena kapal ukuran besar aliran disekitarnya adalah turbulen.
Gambar Aliran Transisi Air Sekitar Kapal pada LWL
Secara umum dikenal dua komponen, yaitu komponen tahanan gesek, d an komponen tahanan sisa. Komponen pertama adalah tunggal (tanpa sub komponen), sementara tahanan sisa yang komponen utamanya adalah komponen tahan ombak, oleh gerak kapal (wave making resistance) yang terjadi pada kecepatan tinggi, terdiri atas banyak subkomponen. Tahanan total berdasarkan tahanan per displasemen dan kecepatan per akar dari panjang kapal.
4
RESISTENCE OF SHIP
Gambar Komponen Tahanan Gesek dan Tahanan Sisa
5
RESISTENCE OF SHIP
Gambar Komponen Tahanan Kapal Lengkap
Kurva Koefisien Tahanan Kapal
6
RESISTENCE OF SHIP
Perkiraan Perhitungan Tahanan Kapal 1. Metode Koefisien Admiralty
2. Metode Froude Pada tahun 1868, William Froude mengirim memorandum perihal “ Observation an Suggestion on the Subyek of Determining by Experiment the Resistance of Ship” (Pengamatan dan Saran Mengenai Penentuan Tahanan Kapal Melalui Percobaan) Kapal Chief Constructor Angkatan Laut Inggris ( Froude, 1955 ). Tahanan suatu kapal terdiri dari tahanan gesek (R F) dan tahanan sisa (RR), dimana: 1. Tahanan gesek (RF) disebabkan karena pengaruh viskositas dan gaya inersia. 2. Tahanan sisa (RR) disebabkan karena pengaruh gaya grafitasi dan gaya inersia. Jadi tahanan sisa tidak tergantung pada tahanan gesek. Maka tahanan total kapal adalah: RTs = RFs + RRs Froude menganggap bahwa tahanan gesek benda berbentuk kapal sama dengan tahanan gesek pelat segi empat yang mempunyai luas bidang basah dan panjang yang sama dengan luas bidang basah dari kapal tersebut. Ini berarti permukaan basah kapal (S) dihitung sebagai perkalian antara panjang kapal dengan panjang lengkung sisi badan kapal (girth) rata-rata.
7
RESISTENCE OF SHIP
Gambar Sketsa Model Konversi Froude
Angka Froude (Froude Number)
Angka Fr dapat menjadi tolak ukur dalam menentukan jenis kapal apakah dalam kategori kapal cepat dan kapal non-cepat yang tentunya pemilihan koefisien bentuk kapal dalam perancangan. Angka Fr tinggi akan masuk kategori kapal cepat, sedangkan bila nilai Fr rendah, maka kapal tersebut masuk dalam kategori kapal non-cepat. Untuk kapal cepat, hambatan yang dominan adalah hambatan gelombang R W sehingga RR > RF. Untuk kapal non-cepat hambatan yang dominan adalah hambatan gerekan R F sehingga pada komposisi RT, RF > RR Angka Fr dan angka Rn juga terkait dengan komponen-komponen hambatan kapal, yakni Rn terkait dengan komponen hambatan gesekan, sedangkan Fr terkait dengan hambatan gelombang atau hambatan sisa.
V
Fr
g . L Dimana:
Fr = Angka Froude V = Kecepatan Kapal (m/s) G = Percepatan Gravitasi (9,81 m/s2) L = Panjang Kapal (m)
Foude Number Ideal
0 – 0.18
0.20 – 0.23 foude number untuk kapal sedang
0.30 – 0.35 foude number untuk kapal cepat
> 0.5
8
foude number untuk kapal noncepat
foude number untuk kapal super cepat
RESISTENCE OF SHIP
Angka Reynold (Reynold Number)
Rn
V . L v
Dimana
Rn = Angka Reynold V = Kecepatan Kapal (m/s) L = Panjang Kapal (m) v = Viskositas Kinematis Fluida = 1,1883 x 10 -6 m 2 /s
3. Metode Tefler
Pada tahun 1972 E.V Tefler menerbitkan makalah mengenai tahanan kapal dan model, gambar 28 yang kemudian menguraikan salah satu model yang diperkenalkanya untuk menggabungkan hukum mengenai kesamaan tahanan total spesifik (resistance similarity) diberikan oleh Froude dan Reynolds, dan merupakan fungsi serentak dari angka Reynold dan angka Froude, yaitu :
V v F ρ . A 2 g . L V . L R
Gambar Metode Menurut Tefler
Selanjutnya tahanan kapal dapat dihitung dengan rumus
1 RTs C Ts ρ s .V S . S s 2 Dimana :
9
Vs = kecepatan kapal, Ss = permukaan basah kapal Ps = Massa jenis air laut.
RESISTENCE OF SHIP
4. MetodeYamagata Metode perhitungan tahanan kapal ini diperkenalkan oleh Dr. Yamagata. Pada metode ini banyak menggunakan diagram. Metode Yamagata hanya diperhitungkan tahanan gesek dan tahanan sisa, Koefisien tahanan sisa kapal sesungguhnya kemudian digambarkan pada diagram, dan merupakan koefisien tahanan sisa kapal dengan ratio B/L = 0,1350 dan B/T + 2,25. Jika harga B/L dan B/T tidak sesuai maka rasio B/L dan B/T harus dikoreksi. Urutan perhitungan Metode Yamagata adalah sebagai berikut: 1. Koefisien tahanan sisa (Cro) ditentukan dari diagram yang merupakan fungsi dari angka Froude (Fn) dan koefisien Blok (Cb). 2. Apabila rasio B/L tidak sama dengan rasio kapal standar (B/L=0,1350) , maka koefisien resistance hasil pembacaan diagram harus dikoreksi dengan menggunakan diagram. 3. Apabila rasio B/T tidak sama dengan rasio kapal standar (B/T = 2,25), maka koefisien resistance hasil pembacaan diagram harus dikoreksi dengan menggunakan diagram.
10
RESISTENCE OF SHIP
Gambar Koefisien Tahanan Sisa Untuk Standar Hull
11
RESISTENCE OF SHIP
Gambar Koreksi Nilai B/L
Gambar Koreksi Nilai B/T
12
RESISTENCE OF SHIP
Koreksi Lain Koreksi Appendages (ΔC) Pertambahan Resistance (%)
4. Residual resintance coefficient diperoleh dari penjumlahan point 1, 2, 3, dan 4 yaitu : Cr = kr (Cro + ( Cr)B/L + ( Cr)B/T (1 +ΔC%) Dimana :
kr = 1 untuk single screw kr = 1,1 - 1,2 untuk twin screw
5. Tahanan sisa (Residual Resistance) diperoleh dengan persamaan: R = Cr . ½ ρ.V 2/3 .V 2 .10-3 (KN) 6. Koefisien tahanan gesek (Frictional Resistance Coeffisient) ditentukan dengan rumus Schoenherr: Cf = 0,463 (10 log Rn) -2,6 Dimana : Rn = V.L/ν
Akibat kekasaran permukaan badan kapal, maka Cf’ Cf’ = 1,04 Cf
Hambatan gesek diperoleh dari persamaan : Rf = ½ ρ S V 2 10-3 Cf’ (KN) Dimana:
S = Luas bidang basah kapal = 1,053L B (1,22 T/B + 0,46) Cb + 0,765)
7. Tahanan total kapal Rt = Rr + Rf (KN) 8. Daya efektif kapal (HP) EHP = Rt V / 75 (HP)
13
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 4,0
14
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 4,5
15
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 5,0
16
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 5,5
17
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 6,0
18
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 6,5
19
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 7,0
20
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 7,5
21
RESISTENCE OF SHIP
Koefisien Tahanan Sisa Untuk Harga Koefisien Prismatik 8. 0
5. Perhitungan Tahanan Dengan Metode Holtrop-Mennen 22
RESISTENCE OF SHIP
Pada beberapa metode perhitungan hambatan kapal terdapat peninjauan yang berdasarkan suatu kesepakatan, seperti pada pengestimasian nilai hambatan haluan gembung yang hanya meninjau haluan genbung tersebut secara terpisah. Atas dasar itulah J.Holtrop dan G.G.J.Mennem membuat suatu metode yang mengandalkan ketepatan perhitungan dengan pengambilan data dan pengolahannya secara statistic yang kemudian dikenal dengan “Metode Prediksi Daya Efektif Statistik” atau disingkat “Metode Tahanan Kapal Statistik” . Berdasarkan buku resistance and propulsion of ship, tahanan total yang terjadi pada sebuah kapal dapat dihitung dengan memakai rumus ;
RT = ½ ρ V 2 S C T (kg) Dimana ;
RT = tahanan total kapal (kg) C T = koefisien tahanan total ρ f = massa jenis fluida (kg/m 3 ) V = kecepatan kapal (m/s) S = luas bidang basah (m 2 )
Koefisien tahanan total sebuah kapal dapat diuraikan sebagai berikut ;
C T = C F + C R + C A Dimana :
C T = koefisien tahanan total C F = koefisien tahanan gesek C R = koefisien tahanan sisa C A = koefisien tahanan tambahan
Langkah dalam perhitungan tahanan kapal dengan metode Holtrop adalah sebagai berikut : 1. Penentuan Tahanan Gesek (RF) a.
Penentuan harga koefisien gesek (CF) Harga koefisien gesek ditentukan berdasarkan persamaan ITTC 1957 sebagai berikut (Harvald, 1992) :
C F
0.75
log10 Rn 22
Dimana:
b.
C F = koefisien tahanan gesek Rn = angka Reynolds Vs = kecepatan kapal (m/s) v = viskositas kinematis fluida = 1,1883 x 10 -6 (m 2 /s)
Perhitungan panjang bagian kapal yang mengalami tahanan langsung (length of run) ditentukan dengan persamaan:
1 C P 0,06 C P LCB 4 C P 1
L R L PP
Dimana :
23
LR = panjang bagian kapal yang menngalami tahanan langsung (m)
RESISTENCE OF SHIP
LPP = panjang kapal (m) C P = koefisien prismatic horizontal %LCB = presentase letak titik tekan
c.
Perhitungan harga faktor lambung (1 + K 1) Faktor lambung yang memperlihatkan hubungan tahanan viskositas bentuk Lambung dengan tahanan gesek dapat dicari dengan persamaan: 0,36486 1,06806 0,46106 0,121563 LWL 3 B T LWL 0,604247 L R 0,93 0,487118 / 1 C P Δ LWL LWL L R
2. Perhitungan tahanan gesek (RF) ditentukan dengan persamaan :
R F
ρ 2 V S S C F (1 K 1 ) 2
Dimana :
ρ f = massa jenis fluida = 104,51 kg/m3 (air laut) = 101,96 kg/m3 (air tawar) S = luas permukaan basah (m 2 ) (1+K 1 ) = harga faktor lambung
3. Penentuan Tahanan Bagian Tambahan (RAP) a.
Perhitungan harga tahanan bagian tambahan (R AP) dapat ditentukan dengan rumus:
R AP
ρ 2
Dimana :
V S A S C F (1 K 2 ) 2
As = luas bagian – bagian tambahan (m 2 ) (1+K 2 ) = harga faktor bagian tambahan
b. Perhitungan harga faktor bagian tambahan (1 + K2 ) dengan persamaan sebagai berikut :
1 K 2
24
E 2 E 1
RESISTENCE OF SHIP
Tabel Penentuan Harga Faktor Bagian Tambahan
4. Penentuan Tahanan Akibat Gelombang (RW) Perhitungan tahanan akibat gelombang (RW) dapat dihitung dengan persamaan:
Rw C 1 C 2 P 5 Δ ρ f g e
M 1 M 2Cos P 5 F n x 0,9
Dimana : RW = tahanan akibat gelombang (Ton) 3,78613
B T 2223105 B LWL C 1 90 α
1,07961
α = sudut kemiringan ( entrance) = 125,67 x B/LWL – 162,25 x (C P ) 2 + 234,3 x (C P ) 3 + 0,155x %LCB
C 2
e
1 1,89 10
P 5 1
25
0,8 ATS B T C M
RESISTENCE OF SHIP
5. Perhitungan tahanan tekanan tambahan dari haluan gembung dekat permukaan air (RB) dapat dihitung dengan persamaan: 2 3 ABT Fni 3 R B 0,11 ρ g 3 2 1 Fn e pb
6. Perhitungan tahanan tambahan akibat adanya transform yang terbenam(R TR), dapat dihitung dengan persamaan:
RTR 0,5 ρf V 2 ATS 1 0,2 C K Dimana : C K
V S 2 g ATS B (B C WL )
7. Perhitungan tahanan akibat korelasi model kapal (R M) Penentuan harga tahanan akibat korelasi model (R M) dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan:
RM
ρ f 2
2 V s S C a
Dimana : RM = tahanan korelasi model ρ f = massa jenis fluida (kg/m 3 ) Vs = kecepatan kapal (m/s S = luas bidang basah kapal (m 2 ) C a = koefisien korelasi model
8. Penentuan tahanan total (RT) Setelah kesemua tahanan diatas sudah diperoleh maka harga tahanan total dapat diperoleh dengan menjumlahkan keseluruhan tahanan yang sudah diperoleh dengan persamaan:
RT =RF +R AP +RW +RB +RTR+ RM
26
RESISTENCE OF SHIP
