LAPORAN PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA I – TL TL 2101 MODUL 01 H Y D R A UL UL I C B E N CH CH
Nama Praktikan
: Farisah Inarah Rahmat Hasby
NIM
: 15316066
Kelompok/Shift
: K02/9
Tanggal Praktikum
: 7 September 2017
Tanggal Pengumpulan
: 14 September 2017
PJ Modul
: 1. Lailatus Syifa (15314091) 2. Nurashila Dhiyani (15315006)
Asisten yang bertugas
: 1. Nurul Rohim (15314042) 2. Widyastuti (15315008)
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2017
A. Tujuan
Tujuan praktikum hydraulic bench pada bench pada percobaan ini yaitu: a. Menentukan debit aktual berbasis massa menggunakan hydraulic bench b. Menentukan faktor penentu debit air melalui percobaan hydraulic bench. bench.
B. Prinsip Percobaan
Pada percobaan ini, mekanisme yang digunakan pada alat hydraulic bench yaitu tuas keseimbangan yang menerapkan konsep keseimbangan torsi. Pada percobaan ini, massa beban diketahui, perbandingan massa beban dan massa fluida diketahui, sehingga volume fluida dapat diketahui. Dengan memperhitungkan waktu air mengalir hingga tuas terangkat kembali, maka dapat diperoleh debit air. Pada percobaan ini dikaitkan dengan perbandingan panjang lengan beban dan lengan air yang kemudian akan menghasilkan perbandingan massa beban dan massa air 1:3.
Gambar 1 Ilustrasi Hydraulic Ilustrasi Hydraulic Bench Sumber: Modul Praktikum Mekanika Fluida I Teknik Lingkungan ITB
C. Teori Dasar
Hydraulic Bench merupakan Bench merupakan alat yang digunakan untuk mengukur debit aliran air (Qaktual) dengan memanfaatkan konsep keseimbangan torsi (torque). “ Torque, yang datang dari bahasa Latin yang berarti “untuk memuntir” bisa diartikan secara bebas sebagai aksi memutar atau memuntir dari gaya F. Torque merupakan kuantitas vektor. Namun karena hanya mempertimbangkan rotasi terhadap sumbu tunggal, notasi tersebut dapat diganti dengan positif (berlawanan arah jarum jam) dan negatif (searah jarum jam). Torque juga mengikuti prinsip superposisi : Jika beberapa torque bekerja pada sebuah benda, torque net (atau torque resultan) adalah jumlah torque masing-masing masing-masing ” (Halliday (Halliday : 2010).
Dari pengertian diatas keseimbangan torsi dapat diartikan dengan gaya yang diberikan pada ujung tuas satu sama dengan gaya yang diberikan pada ujung tuas lainnya. Hal ini kemudian dituangkan melalui persamaan
= × 1 = − 2 1 × 1 = −( −(2 × 2) Tanda minus ( – ) menandakan arah
Hydraulic Bench sendiri Bench sendiri terdiri dari beberapa unit misalnya valve, weight tank, dan cam lever. Valve Valve berfungsi sebagai tempat pengaturan penyaluran air dan dapat mengatur cepat atau tidaknya aliran fluida mengalir. Cam Lever berfungsi untuk membuang (Drain)/menampung air dari tempat penampungan (Weight Tank). Keterangan lebih lanjut dijelaskan melalui gambar di bawah ini.
Diagram Hydraulic Bench Gambar 2 Representasi Diagram Hydraulic Sumber: Modul Praktikum Mekanika Fluida I Teknik Kelautan ITB
Keterangan gambar A : Tempat pemasangan beban B : Kran pengatur debit air (valve) C : Pompa D : Tuas pengungkit (cam lever)
E : Bak penimbang air F : Bak penyimpan air G : Pipa pengaruh ke bak penampung H : Selang dari pompa I : Batang antara beban dan bak penimbang J : Engsel
Gambar 3 Hydraulic Bench Sumber: Dokumen Pribadi
Air disuplai dari pompa C melalui selang penghubung menuju katup B. Suplai air diatur dengan mengatur bukaan katup B. Air kemudian masuk ke dalam alat percobaan dan kemudian keluar melalui corong H dan terus ke pipa G. Air tersebut masuk kedalam bak penimbang air E. Bak penampung ini ditahan dengan bak penimbang. Pada ujung balok lainnya lainnya terdapat pemberat yang digantung. digantung. Pada saat bak penampung kosong, maka berat bak dikali lengan beban bak sama dengan berat pemberat dikali lengan beban pemberat. pemberat. Perhitungan yang dapat digunakan untuk mencari Qaktual pada Hydraulic Bench antara lain :
= × = × () − Sehingga dapat disederhanakan,
=
() −
=
× () −
Keterangan :
= (kg/m3) ; = (m3 /detik ) ; = (m (m3) D. Data Awal Massa beban = 2,5 kg
Massa air
= 3 x 2,5 = 7,5 kg
Suhu awal
= 26oC
Suhu akhir
= 25,4oC
Densitas air
= 997 kg/m3
dengan Hydraulic Bench Tabel 1 Data Awal Pengukuran Waktu dengan Hydraulic t(s)
Variasi
t1
t2
t3
1
12.95
13.5
12.21
2
13.62
13.8
13.57
3
16.58
17.06
17
4
35.81
33.75
32.66
5
40.19
42.29
42.57
Tabel 2 Data Awal Pengukuran Waktu dengan Ember
Variasi
t (s)
3
V (m ) t1
t2
t3
3
1000
1.62
1.78
1.92
4
1000
3.4
3.29
3.54
5
1000
4.72
4.89
4.88
E. Pengolahan Data Untuk memperoleh debit aktual dilakukan beberapa tahap perhitungan berikut 1. Menghitung massa air Massa air dapat diperoleh melalui persamaan Massa air = 3 x Massa beban Karena massa beban yang digunakan adalah 2,5 kg maka dengan menggunakan persamaan di atas Massa air = 3 x 2,5 = 7,5 kg 2. Menghitung volume air Melalui hasil perhitungan sebelumnya yaitu massa air, dilanjutkan dengan menghitung volume air melalui persamaan massa jenis.
=
ρ air
Tabel 3 Data Densitas Berdasarkan Suhu Sumber: Fluid Mechanics with Engineering Applications 10th Edition
Densitas (kg/m3)
Suhu(oC)
999.8
0
1000
5
999.7
10
999.1
15
998.2
20
997
25
995.7
30
992.2
40
988
50
983.2
60
977.8
70
971.8
80
965.3
90
958.4
100
Data di atas kemudian ditransfer ke dalam bentuk grafik di bawah ini.
1005
y = -0.0036x 2 - 0.06 0.0675x 75x + 1000.6 1000.6 R² = 0.9992
1000
) 995 m 990 / g k ( 985 r i A s 980 i n e 975 J a s s 970 a M 965
3
960 955 0
20
40
60
80
100
Suhu (oC)
Gambar 4 Grafik Hubungan Massa Jenis dan Suhu Air
120
Massa jenis air diperoleh dari persamaan y = -0.0036x2 - 0.0675x + 1000.6. Dengan mensubstitusi rata-rata suhu di awal dan akhir percobaan yaitu 25,7 oC diperoleh y=996.47485 sehingga ρ air = 996.47485 kg/m 3.Melalui persamaan sebelumnya dapat diperoleh volume air melalui persamaan V air
=
,5 6,445
= 0,00753 m 3 3. Menghitung waktu rata-rata untuk setiap variasi data t rata-rata =
++
Sebagai contoh untuk memperoleh waktu rata-rata pada variasi pertama, dapat digunakan persamaan di atas
− =
,5+ ,5+,
3
= 12.88666667 s 4. Menghitung debit aktual Untuk memperoleh debit aktual, dapat digunakan hasil perhitungan volume air dan waktu rata-rata melalui persamaan
=
−
Sebagai contoh memperoleh debit aktual pada variasi pertama, dapat digunakan persamaan di atas
=
,5 .66666
= 0.000584056 m 3/s
Tahap-tahap Tahap-tahap di atas diterapkan pada masing-masing variasi debit yang dilakukan.
F. Data Akhir Dengan menerapkan persamaan di bagian sebelumnya pada setiap variasi diperoleh data berikut
Menggunakan Hydraulic Bench Tabel 4 Data Akhir Perhitungan Debit Menggunakan Hydraulic
Variasi
Massa Beban (kg)
Trata-rata (s)
Qhydraulic (m3/s)
volume ( m3)
1
2.5
12.88666667
0.00058
0.00753
2
2.5
13.66333333
0.00055
0.00753
3
2.5
16.88
0.00045
0.00753
4
2.5
34.07333333
0.00022
0.00753
5
2.5
41.68333333
0.00018
0.00753
Tabel 5 Data Akhir Perhitungan Debit Menggunakan Ember
Variasi
Volume
Trata-rata (s)
Air (m3)
Qember (m3/s)
3
0.001
1.77333
0.00056
4
0.001
3.41
0.00029
5
0.001
4.83
0.00021
Debit Hydraulic Bench dan Ember Tabel 6 Data Akhir Perbandingan Debit Hydraulic Q hydraulic hydrauli c bench
Q ember
(m3/s)
(m3/s)
3
0.000445885
0.00056
4
0.000220892
0.00029
5
0.000180565
0.00021
Variasi
G. Analisis A Pada percobaan yang dilakukan, debit air dicari melalui dua metode yaitu metode berbasis massa mass a dan berbasis volume. Metode berbasis massa dilakukan dil akukan menggunakan hydraulic bench bench sedangkan metode berbasis volume menggunakan ember dan gelas ukur. Percobaan diawali dengan mengukur suhu terlebih dahulu menggunakan thermometer raksa. Pengukuran suhu awal ini dimaksudkan untuk mengetahui massa jenis yang dapat dilihat pada Tabel 2 dan Gambar 4 . Setelah mengukur suhu air, alat disambungkan pada sumber listrik 110 V. Valve bench ditutup, lalu pompa dinyalakan agar air mengalir ke bench. Kondisi pada perpipaan diperiksa apakah terdapat kebocoran ataupun tidak. Cam lever diputar diputar untuk menutup drain di bak dalam weight tank. Air dialirkan dengan membuka valve di bench. bench. Ketika lengan beban terangkat, waktu
stopwatch stopwatch dijalankan bersamaan dengan peletakan beban yang menyebabkan lengan beban turun. turun. Saat lengan beban kembali terangkat, waktu pada stopwatch pada stopwatch dihentikan. dihentikan. Pada percobaan ini pengukuran debit dilakukan sebanyak lima variasi debit air. Untuk masing-masing variasi, pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali (triplo) agar memperkecil kemungkinan terjadinya error pada pada data yang diperoleh. Pada metode hydraulic bench, bench, waktu dihitung berdasarkan terangkatnya tuas beban. Sedangkan pada metode ember dan gelas ukur, waktu diukur berdasarkan tercapainya volume air sebanyak satu liter. Metode ini dilakukan dengan cara mengalirkan air melalui selang ke dinding gelas ukur. Dialirkan melalui dinding gelas agar tidak terbentuk gelembung dan pembacaan pada garis gelas ukur lebih akurat dan tepat. Setelah diperoleh debit dari hydraulic bench dan bench dan ember, debit keduanya kemudian dapat dilihat perbandingannya melalui grafik berikut 0.0005 0.00045 0.0004 y = 0.7913x R² = 0.9901
) 0.00035 s / 3
0.0003
m ( r e 0.00025 b m 0.0002 e Q0.00015
0.0001 0.00005 0 0
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0006
Q hydraulic bench (m3/s)
Gambar 5 Grafik Hubungan Q hydraulic bench dan Qember
Dengan memperhatikan percobaan yang telah dilakukan, seharusnya debit yang dihasilkan dengan kedua metode tersebut menunjukkan angka yang sama sebab dilakukan pada kondisi yang sama. Namun berdasarkan grafik linear di atas, dapat dilihat bahwa y=0,7913x bukan menunjukkan angka satu. Hal yang disebut galat ini terjadi akibat adanya kesalahan-kesalahan yang terjadi selama berlangsungnya percobaan. Nilai galat dapat ditentukan melalui perhitungan berikut berikut
=
2− 1 - x 100% 2
= 1− 0,7913 x 100% 1 =20.87% Pada grafik di atas ditunjukkan pula nilai R 2 atau yang disebut dengan koefisien determinasi. Menurut Kuncoro (2004), koefisien determinasi (R2) pada intinya mengukur seberapa jauh kemampuan model dalam menerangkan variasi variabel terikat. Koefisien ini menunjukkan keterkaitan antar variabel yaitu Q 1 dan Q 2. Semakin mendekati angka satu maka semakin dekat keterkaitan antar keduanya. Pada percobaan ini, diperoleh nilai R 2= 0,9901. Nilai ini sangat mendekati angka satu sehingga keterkatiannya pun dapat dikatakan mendekati dan data tergolong baik. Melalui percobaan ini, diperoleh beberapa variabel yang saling berkaitan satu sama lain yaitu
Keterkaitan antara massa air dengan volume air Hubungan keduanya dapat diketahui melalui persamaan ber ikut
ρ=
massa air volume air
Melalui persamaan di atas diperoleh bahwa massa air berbanding lurus dengan volume air. Semakin besar massa airnya maka semakin besar pula volume air.
Keterkaitan antara debit aktual dan waktu Hubungan keduanya dapat diketahui melalui persamaan berikut
Q=
volume air waktu
Melalui persamaan di atas diperoleh bahwa debit berbanding terbalik dengan waktu. Semakin lama waktunya maka semakin kecil debit air yang mengalir.
Keterkaitan antara volume dan waktu
Q=
volume air waktu
Melalui persamaan di atas ata s diperoleh bahwa volume berbanding lurus dengan waktu. Semakin lama waktunya maka semakin besar bes ar volume yang mengalir.
Hydraulic bench bench menerapkan prinsip keseimbangan tuas yang menyangkut sistem keseimbangan torsi. Agar mencapai tahap keseimbangan, maka torsi beban dan air haruslah sama. Hal ini dapat ditunjukkan melalui persamaan berikut Στ = 0 ………………………………………………………………………. (1) τ = F x r .……………………………………………………………………. (2)
F1 × r 1 = F2 × r 2……………………….………………………………………(3 ……………………….………………………………………(3)) F = m x g …………………………………………………………………….(4 …………………………………………………………………….(4)) Persamaan (4) disubstitusikan ke persamaan (3) F1 × r 1 = F2 × r 2 m1 × g × r 1 = m2 × g × r 2 Berdasarkan Gambar 1 diperoleh bahwa panjang lengan beban adalah 3 kali dari panjang lengan air. m1 × g × 3 = m 2 × g × 1 m1 × 3 = m 2 × 1
=
Pada persamaan ini, massa beban ditunjukkan oleh m 1 sedangnkan m2 menunjukkan massa air. Sehingga perbandingan massa air dan massa beban adalah 3:1. Sebelumnya telah diketahui bahwa terdapat galat atau error pada data yang diperoleh. Hal ini dipengaruhi oleh kesalahan dalam melakukan percobaan antara lain
Pembacaan suhu yang tertera di termometer raksa kurang tepat sehingga berpengaruh pada massa jenis air.
Waktu peletakan beban pada lengan beban kurang bertepatan dengan naiknya lengan dan dimulainya waktu pada stopwatch. Hal ini berdampak berdampak pada kurang akuratnya waktu yang akan berdampak pada perolehan debit air.
Volume air yang diukur pada gelas ukur tidak sepenuhnya tepat 1 L sehingga mendapatkan data waktu yang kurang akurat.
H. Analisis B Hydraulic Bench Bench digunakan untuk memperoleh debit aktual fluida. Dalam penerapannya, hydraulic bench bench dapat diterapkan untuk mengukur debit pergerakan fluida pada suatu sistem saluran seperti perpipaan. Selain itu, hydraulic bench bench dapat digunakan dalam bidang pengelolaan air limbah dengan membandingkan debit air limbah yang dialirkan secara aktual dengan debit air limbah yang dialirkan secara teoritis.
Gambar 5 Contoh sistem perpipaan Sumber :http://uc.blogdetik.com
I.
Kesimpulan 1. Melalui percobaan ini diperoleh debit aktual dari hydraulic bench yaitu: Q1 = 0.00058 m 3/s Q2 = 0.00055 m 3/s Q3 = 0.00045 m 3/s Q4 = 0.00022 m 3/s Q5 = 0.00018 m 3/s 2. Pada percobaan ini, faktor-faktor yang menentukan debit air yaitu massa air, suhu, volume air, dan waktu.
Daftar Pustaka Finnemore, E. John and Joseph B. Franzini . 2002 . Fluid Mechanics with Engineering Applications 10th Edition. New Edition. New York : McGraw-Hill Giles, Ranald V. 196. Seri Buku Schaum. Mekanika Schaum. Mekanika Fluida dan Hidraulika. Guildford . Jakarta:Erlangga. Halliday, D, Jearl Walker and Robert Resnick . 2010 . Fisika Dasar Edisi 7 . Jakarta : Erlangga.
Lampiran a. Sumber Tabel Massa Jenis
b. Sumber Teori Dasar
