LONCATAN HIDROLIK
Penelitian pertama tentang loncatan hidrolik dilakukan oleh Bidone tahun 1818. Penggunaan loncatan hidrolik untuk untuk peredaman energi dibawah pelimpah, waduk, dan pintu sehingga penggerusan yang tidak diharapkan di hilir saluran dapat dihindari. Loncatan hidraulik juga digunakan untuk menaikkan muka air di hilir untuk menyediakan tinggi tekan untuk menambahkan berat air pada lantai lindung (Apron) untuk menetralkan tekanan angkat (Uplift Pressure) sehingga mengurangi ketebalan lantai lindung Loncatan hidrolik juga digunakan untuk sistem pengaliran air bersih perkotaan untuk mencampur bahan kimia dan juga mengeluarkan gelembung-gelembung udara. Secara praktis penggunaan loncatan air antara lain adalah sebagai peredam energi aliran di bawah pelimpah, waduk, pintu dan lain-lain, sehingga penggerusan yang tidak diharapkan diharapkan di hilir saluran dapat dihindari. Selain itu telah pula digunakan untuk menaikkan permukaan air di hilir untuk menyediakan kebutuhan tinggi tekan pengaliran ke dalam saluran dan juga untuk menambah muatan berat air pada lantai lindung (apron), dengan demikian dapat menetralisir tekanan angkat (uplift pressure) sehingga dapat mengurangi ketebalan lantai lindung dari beton yang diperlukan dalam bangunan pada pondasi tak kedap air (permeable fondations). Loncatan air juga digunakan pada sistem pengaliran air bersih perkotaan untuk mencampur bahan kimia dan juga mengeluarkan gelembung-gelembung udara. Fenomena loncatan air ini terjadi akibat adanya perubahan aliran dari superkritis
tiba-tiba
menjadi
subkritis,
oleh
karena
itu
permukaan
air
menyesuaikan diri terhadap pengurangan kecepatan dan penambahan kedalaman aliran dalam bentuk keunikannya yang disebut loncatan air.
1
Lj garis energi
EL V b V a
2
2 g
2
2 g
Ea
E b Wsin
y b P b
Wcos
ya
Pa
W Fs
aliran superkritis
loncatan air
aliran subkritis
a
b
Gambar 1. Loncatan air.
Jika kita tinjau ruang tilik yang dibatasi oleh penampang (a) dan penampang (b), dengan menerapkan persamaan Momentum pada kedua penampang tersebut : F x M b M a P a P b F S W sin M b M a
dimana : 1
b ya
2
b yb
gaya hidrostati s pada penampang (a)
gaya hidrostati s pada penampang (b)
P b
F s
gaya geser antara badan saluran dengan air yang mengalir
W
berat air pada control volume yang dibatasi oleh penampang (a) dan (b)
1
2
2
P a
2
M a
flux momentum aliran pada penampang (a )
M b
flux momentum aliran pada penampang (b)
Untuk
dasar
saluran
horizontal,
a Q V a b Q V b
0, maka W sin
0 dan F s
0
sehingga
persamaan momentum di atas menjadi sebagai berikut : 1
2
b y a
2
1
2
b yb
2
a Q V a
b Q V b
2
Anggap distribusi kecepatan merata di penampang (a) maupun penampang (b), maka
a
b
lebar saluran 1
q
2 y a
1
V a y a
2
, dan terapkan persamaan kontinuitas bahwa debit persatuan
V b yb 2
1 2 y b
2
2
( y b y a )
, sehingga :
q V a
q V b
2 q 2 1
1 g y a y b
y a y b ( y a y b )
2 q2 g
2 y c 3
y b y b 2 q2 2 1 2 Fr a y a y a g y a 3 Keterangan : Fr a = bilangan Froude pada penampang (a) sama dengan
Fr a
V a g y a
sehingga didapat hubungan antara ya (kedaman awal loncatan) dan yb (kedalaman akhir loncatan), sebagai berikut : y b y a y a y b
1
1
2
2
1
1 8 Fr a
2
1
1 8 Fr b
2
atau :
1. Peredaman Energi
Peredaman energi
( E L ) pada peristiwa loncatan air dapat diperoleh
dengan menerapkan persamaan energi antara penampang (a) dan penampang (b) sebagai berikut : E L
E a
E b (untuk dasar saluran horisontal )
Gambar 2. Peredaman energi akibat loncatan air.
3
E L E a E b ( dasar saluran horisontal )
q 2 q 2 y a y b 2 2 2 g y a 2 g y b 2 y b 2 y a 2 q ( y a y b ) 1 2 g y a 2 y b 2 padahal :
q2 g
( y b y a ) 2
sehingga : E L
2
2 q2 g
( y b y a ) 3 4 ( y a y b )
Peredaman energi relatif terhadap kedalaman awal : Peredaman energi relatif terhadap energi awal : Padahal : E a / y a 1 E L / E a
Fr a
E L y a
( y b / y a 1) 3 4 ( y b / y a )
E / y L a E a E a / y a
E L
2
2 ( y b / y a 1) 3
Fr a 2 4 ( y b / y a ) 1 2
2. Panjang loncatan Air.
Karena lokasi terjadinya loncatan air tidak menetap, maka susah untuk menentukan panjang loncatan air (Lj). Teori mengenai panjang loncatan air juga belum ada. Sehingga panjang loncatan air dikemukakan dengan percobaan oleh masing-masing penyelidik sebagai berikut : Penemuan Bliss dan Chu = Lj/yb Smetana = Lj
4 s/d 5.
6 ( yb – ya)
USBR juga telah membuat lengkung hubungan antara Lj/yb dan Fr a dari hasil eksperimennya
(lihat Gambar 2). Lengkung Gambar 2 ini dibuat dari
penyelidikan dalam saluran dengan penampang empat persegi panjang dan dasar horizontal. Untuk pendekatan dapat juga dipakai untuk saluran dengan penampang trapisium.
4
Gambar 3 Kurva panjang loncatan air pada saluran Epp dengan dasar horizontal.
3 Tipe Loncatan Air
Loncatan air pada dasar saluran horizontal, terdiri dari beberapa tipe yang berbeda-beda sesuai hasil penelitian yang dilakukan oleh Biro Reklamasi Amerika Serikat (USBR), tipe-tipe tersebut dapat dibeda-bedakan dari berdasarkan bilangan Froude (Fr a) aliran di awal loncatan, adalah sebagai berikut :
1) Loncatan berombak (undular jump), untuk Fr a = 1 – 1,7 2) Loncatan lemah (weak jump), untuk Fr a = 1,7 – 2,5 3) Loncatan berisolasi (oscillating jump), untuk Fr a = 2,5 – 4,5 4) Loncatan tetap (steady jump), untuk Fr a = 4,5 - 9 5) Loncatan kuat (strong jump), untuk Fr a > 9.
Gambar 4 Visualisasi tipe-tipe Loncatan air.
5
Aplikasi Loncatan Hidrolik Penggunaan Loncatan Air Sebagai Peredam Energi
Dari pandangan pemakaian praktis, loncatan air sangat berguna sebagai peredam energi pada aliran superkritis. Peredam ini sangat berguna untuk mencegah erosi yang mungkin terjadi pada saluran pelimpah, saluran curam, dan pintu geser vertikal, dengan cara memperkecil kecepatan aliran pada lapisan pelindung hingga pada suatu titik dimana aliran tidak mempunyai kemampuan untuk mengkikis dasar saluran di bagian hilir. Loncatan air yang dipergunakan sebagai peredam energi, biasanya meliputi sebagian atau seluruh kolam kanal saluran dan dinamakan kolam olakan. Bagian hilir kolam olakan diratakan, untuk menahan pengikisan. Pada umumnya, jarang sekali kolam olakan dirancang untuk menahan seluruh panjang loncatan bebas, karena kolam olakan demikian sangat mahal biayanya. Akibatnya, peralatan-peralatan untuk mengontrol loncatan biasanya dipasang pada kolam olakan. Kegunaan utama peralatan control ini ialah memperpendek selang terjadinya loncatan, sehingga akan memperkecil ukuran dan biaya kolam olakan. Pengontrolan mempunyai beberapa keuntungan, yakni memperbaiki fungsi peredam kolam olakan, menstabilkan gerakan loncat, dan pada beberapa kasus juga memperbesar factor keamanan. Dalam perancangan kolam olakan dengan menggunakan air loncat sebagai peredam energi, harus diperhatikan hal-hal praktis berikut : a) Posisi loncatan ada 3 buah pola loncatan air yang mempunyai kemungkinan (Gambar.2 ) terbentuk pada daerah hilir dari sumbernya (misalnya saluran limpah, saluran curam, atau pintu air geser vertikal). K asus 1:
Menggambarkan pola dimana kedalaman air hilir y2’ sama dengan kedalaman y2 yakni lanjutan dari y1. Harga-harga F 1 , y1 , dan y2 (= y2’ ) akan memenuhi persamaan (8-1), dan loncatan terjadi pada lapisan keras segera setelah melewati y1. Untuk perlindungan pengikisan, maka keadaan di atas adalah kondidi idealnya. Akan tetapi salah satu persoalan dalam pola tersebut adalah sedikit perbedaan antara harga sebenarnya dan harga asumsi, dapat menyebabkan
6
pergeseran loncatan ke
arah hilir dari posisi yang diduga. Akibatnya
diperlukan beberapa peralatan pengontrol posisi. K asus 2:
Menggambarkan pola dimana kedalaman air bawah y2’ lebih kecil dari pada y2. Hal ini berarti kedalaman air bawah dalam kasus 1 berkurang. Akibatnya, loncatan air akan menyusut ke hilir ke suatu titik dimana persamaan (8) dipenuhi kembali. Jika mungkin, maka kasus ini harus dihindarkan pada rancangan, karena loncatan terjadi di luar lapisan yang tahan pengkikisan, dan berada pada daerah yang tak dilindungi lapisan pengeras, sehingga terjadi erosi yang hebat. Perbaikan yang dapat dikemukakan ialah pemakaian pengontrol pada dasar saluran, yang akan menaikkan kedalaman air bawah yang menjaga agar loncatan terjadi pada daerah yang diberi lapisan pelindung. K asus 3: menyatakan
pola dimana kedalaman air y2’ lebih besar dari pada y2.
Hal ini berarti kedalaman air bawah pada kasus 1 bertambah besar. Akibatnya loncatan didorong ke arah hulu, dan akhirnya hilang pada sumber, berubah menjadi loncaatan teredam. Rancangan ini merupakan rancangan paling aman yang mungkin untuk dibuat. Hal itu disebabkan posisi loncatan teredam, sangat mudah untuk dapat ditentukan. Tetapi ada kekurangan dari rancangan ini, yakni tidak efisien untuk meredam energi yang kecil. b)
Kedalaman air bawah. Pada pembahasan di atas, posisi air bawah diasumsikan tetap untuk kedalaman y2 sama lebih kecil, atau lebih besar dari pada kedalaman lanjutan y2. Akan tetapi pada kebanyakan persoalan yang ditemui, kedalaman air bawahnya berubah-ubah akibat perubahan debit aliran pada saluran. Pada kasu-kasus demikian, kurva air bawah biasan dapat dipergunakan untuk menunjukkan hubungan antara kedalaman air bawah y2 dan debit Q. Dengan cara yang sama, dapat dibuat suatu kurva loncatan air, untuk menunjukkan hubungan antara kedalaman lanjutan y2 dan debit Q. Karena terdapat perbedaan posisi relatif antara kedua kurva di atas, Leliavsky mengajukan usul dalam 5 kondisi yang saling berlainan ditunjukkan secara berurutan pada Gambar 3
7
Gambar 5 Pengaruh kedalaman air bawah pada pembentukan loncatan air. di
bawah pintu air geser vertikal.
Gambar
6 Klasifikasi
kondisi
air
bawah
untuk
merancang
bangunan
perlindungan erosi.
8
KESIMPULAN
Berdasarkan makalah ini, terdapat beberapa kesimpulan yang di ambil yaitu :
Loncatan air adalah fenomena permukaan air menyesuaikan diri terhadap pengurangan kecepatan dan penambahan kedalaman aliran dalam bentuk keunikannya
Fenomena loncatan air ini terjadi akibat adanya perubahan aliran dari superkritis tiba-tiba menjadi subkritis
Tipe-tipe tersebut dapat dibeda-bedakan dari berdasarkan bilangan Froude (Fr a) aliran di awal loncatan, adalah sebagai berikut : Loncatan berombak (undular jump), Loncatan lemah (weak jump), Loncatan berisolasi (oscillating jump), Loncatan tetap (steady jump), Loncatan kuat (strong jump)
Penggunaan loncatan air antara lain adalah sebagai peredam energi aliran di bawah pelimpah, waduk, pintu dll, untuk menaikkan permukaan air di hilir, untuk menyediakan kebutuhan tinggi tekan pengaliran ke dalam saluran dan juga untuk menambah muatan berat air pada lantai lindung (apron).
9
