KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis penjatkan kehadirat Alloh SWT, yang atas rahmat-Nya maka penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul “Aliran Fluida Pada Saluran Terbuka”.Penulisan makalah adalah merupakan salah satu tugas dan persyaratan untuk menyelesaikan tugas mata kuliah Mekanika Fluida. Dalam Penulisan makalah ini penulis merasa masih banyak kekurangan-kekurangan baik pada teknis penulisan maupun materi, mengingat akan kemampuan yang dimiliki penulis. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak sangat penulis harapkan demi penyempurnaan
pembuatan
makalah
ini..Dalam
penulisan
makalah
ini
penulis
menyampaikan ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada pihak-pihak yang membantu dalam menyelesaikan penelitian ini, khususnya kepadaBapak pembimbing. Akhirnya penulis berharap semoga Allah memberikan imbalan yang setimpal pada mereka yang telah memberikan bantuan, dan dapat menjadikan semua bantuan ini sebagai ibadah, Amiin Yaa Robbal ‘Alamiin.
Padang, 25 Desember 2011
Penulis
BAB I PENDAHULUAN
I.1.Latar Belakang
Hidrolika adalah bagian dari hidromekanika (hydro mechanics) yang berhubungan dengan gerak air.Untuk mempelajari aliran saluran terbuka mahasiswa harus menempuh mata kuliah kalkulus dan mekanika fluida lebih dulu. Dengan bekal mata kuliah kalkulus dan mekanika fluida mahasiswa akan mampu memehami penurunan persamaan-persamaan dasar dan fenomena aliran yang pada prinsipnya merupakan fungsi dari tempat (x,y,z) dan waktu (t). Suatu aliran dikatakan tergolong aliran saluran terbuka apabila tekanan dipermukaan air berada pada level yang sama dengan tekanan atmosfer.Secarasederhana, aliran di saluran terbuka diasumsikan bersifat paralel,memiliki distribusi kecepatan yang sama di setiap segmen di sepanjang aliran saluran, dan memiliki kemiringan dasar saluran yang kecil. Namun pada kenyataannya, ada faktor yang mempengaruhi aliran sehingga kondisi tersebut dapat berubah.Faktor-faktor yang dapat merubah kondisi aliran bergantung pada ruang danwaktu. Aliran pada saluran yang memiliki penampang yang irregular, misalnya sungai akan menghasilkan kecepatan yang tidak seragam pula di setiap segmen.Oleh karenanya, untuk saluran terbuka, tidak dapat dilakukan generalisasi untuk keseluruhan saluran. Kondisi aliran dalam saluran terbuka yang rumit berdasarkan kenyataan bahwa kedudukan permukaan yang bebas cendrung berubah sesuai waktu dan ruang,dan juga bahwa kedalaman aliran, debit, kemiringan dasar saluran dan permukaan bebas adalah tergantung satu sama lain. Kondisi fisik saluran terbuka jauh lebih bervariasi dibandingkan dengan pipa. Kombinasi antara perubahan setiap parameter saluran akan mempengaruhikecepatan yang terjadi. Disisi lain perubahan kecepatan tersebut akan menentukankeadaaan dan sifat aliran. Hal ini lah yang ingin diketahui untuk menentukan pengaruh ketinggian terhadap kecepatan yang terjadi. Sungai sangat penting peranannya bagi kehidupan manusia. Kenyataan inidapat dilihat dari pemanfaatan sungai yang makin lama makin komplek, mulai darisarana transportasi,sumber air baku, sumber tenaga listrik dan sebagainya. MenurutChow (1992:17),
Saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebasdisebut saluran terbuka. Menurut asalnya saluran dapat digolongkan menjadi saluran alam (natural ) dan saluran buatan (artificial). Saluran alam meliputi semua alur air yang terdapat secara alamiah di bumi, mulai dari anak selokan kecil di pegunungan,selokan kecil, sungai kecil dan sungai besar sampai ke muara sungai. Sungai
merupakan
yangmempunyai
fungsi
suatu
saluran
drainase
sebagai
saluran.
Air
yang
yang
terbentuk
mengalir
di
secara dalam
alami sungai
akanmengakibatkan proses penggerusan tanah dasarnya. Penggerusan yang terjadi secaraterus menerus akan membentuk lubang-lubang gerusan di dasar sungai. Prosesgerusan dapat terjadi karena adanya pengaruh morfologi sungai yang berupatikungan atau adanya penyempitan saluran sungai.
I.2.Tujuan Agar mahasiswa dapat menjelaskan karakteristik umum aliran saluran terbuka dalam hubungannya dengan perubahan terhadap waktu dan perubahn terhadap tempat,hubungannya dengan elemen geometri saluran dimana aliran terjadi,serta hubungannya dengan dengan viskositas (viscosity) cairan dan gaya gravitasi (effect of gravity)
I.3.Batasan Teori
Mekanika fluida merupakan cabang ilmu teknik mesin yang mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda-benda disekitarnya atau yang dilalui saat mengalir. Istilah lain adalah HYDROMECHANIC ; sedangkan HIDROLIKA merupakan penerapan dari ilmu tersebut yang menyangkut kasuskasus teknik dengan batas tertentu, dan semua cara penyelesaiannya. Jadi, hidrolika membahas hukum keseimbangan dan gerakan fluida serta aplikasinya untuk hal-hal yang praktis.Sasaran pokok dari hidrolika adalah aliran fluida yang dikelilingi oleh selubung; seperti misalnya aliran didalam saluran terbuka & tertutup. Sebagai ncontoh : aliran pada sungai, terusan, cerobong dan juga pipa saluran; nozzle dan komponen-komponen mesin hidrolik.Dan pada makalah ini pembahasannya tentang ‘Aliran Fluida pada Saluran Terbuka’.
BAB II TEORI DASAR
II.1. PENGERTIAN Mekanika fluida adalah suatu ilmu yang memelajari prilaku fluida baik dalam keadaan diam (static) maupun bergerak (dynamic) serta akibat interaksi dengan media disipilin ilmu lainnya, mekanika fluida mempunyai sejarah panjang dalam pencapaian hasil-hasil pokok hingga menuju ke era modern seperti sekarang ini. Definisi dari Fluida Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan selalu mengikuti bentuk dari saluran pembawanya. Ketika dalam persamaan, fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya gesek. Seluruh fluida mempunyai sedikit kemampuan untuk dimampatkan dan dapat menghilangkan sedikit tahanan dengan merubah bentuk. Fluida dapat dibagi menjadi cairan dan gas. Dimana perbedaan antara cairan dan gas adalah : (a) Cairan secara praktis tidak dapat dimampatkan, sedangkan gas dapat dimampatkan dan selalu harus diperlakukan demikian dan (b) Cairan memakai volume tertentu dan mempunyai permukaan bebas, sedangkan suatu massa gas akan mengembang sampai gas tersebut memenuhi seluruh ruangan yang ditempatinya. Sifat-sifat fluida Pengembangan prinsip-prinsip mekanika fluida, beberapa sifat fluida berperan dalam prinsip-prinsip aturan, yang lainnya hanya aturan-aturan minor atau tidak mempengaruhi sama sekali. Dalam statika fluida, berat merupakan sifat yang penting, tetapi dalam aliran fluida dimana sifat yang kuat adalah rapat massa (densitas) dan kekentalan (viscousitas). Apabila terjadi kondisi tertekan, maka prinsip termodinamika harus diperhitungkan. Tekanan uap menjadi penting ketika tekanan negative terjadi dan tegangan permukaan mempengaruhi kondisi statis dan aliran dalam saluran kecil. Kerapatan Massa (MASS DENSITY) (ρ ) Kerapatan massa dari substansi merupakan massa dari setiap unit volume substansi. Untuk cairan dimana rapat massanya dapat diambil untuk perubahan praktis dari tekanan. Kerapatan massa dari air adalah sebesar 1000 kg/m3 pada 40C.
Kekentalan Fluida (VISCOSITY) Kekentalan dari fluida adalah merupakan sifat yang menggambarkan besarnya tahanan terhadap gaya gesek. Kekentalan terutama akibat interaksi antara molekul fluida.
Pengertian Aliran Fluida Terbuka Aliran Fluida pada Saluran terbuka adalah zat yang dapat mengalir dan selalu mengikuti bentuk dari saluran pembawanya pada bentuk saluran yang sisi bagian atasnya terbuka ke atmosfer. Pergerakan pada saluran terbuka disebabkan oleh gaya grafitasi,dan umumnya mempunyai daya hidrostatis yang terdistribusi dan selalu turbulen. Karakteristik aliran fluida terbuka adalah : ◦
Aliran dengan permukaan bebas
◦
Mengalir dibawah gaya gravitasi, dibawah tekanan udara atmosfir.
◦
Mengalir karena adanya slope dasar saluran
MenurutChow (1992:17), Saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebas disebut saluran terbuka. Menurut asalnya saluran dapat digolongkan menjadi : a.saluran alam (natural ) ◦
Geometri saluran tidak teratur
◦
Material saluran bervariasi – kekasaran berubah-ubah
◦
Lebih sulit memperoleh hasil yang akurat dibandingkan dengan analisis aliran saluran buatan.
◦
Perlu pembatasan masalah, bila tidak analisis menjadi lebih kompleks (misal erosi dan sedimen)
b.saluran buatan (artificial ) ◦
Dibuat oleh manusia
◦
Contoh: Saluran irigasi, kanal, saluran pelimpah, kali, selokan, gorong-gorong dll
◦
Umumnya memiliki geometri saluran yang tetap (tidak menyempit/melebar)
◦
Dibangun menggunakan beton, semen, besi
◦
Memiliki kekasaran yang dapat ditentukan
◦
Analisis saluran yang telah ditentukan memberikan hasil yang relatif akurat
Distribusi Kecepatan Aliran Fluida Terbuka Dipengaruhi oleh : Bergantung banyak faktor antara lain ◦
Bentuk saluran
◦
Kekasaran dinding saluran
◦
Debit aliran
Kecepatan minimum terjadi di dekat dinding batas, membesar dengan jarak menuju permukaan Pada saluran dengan lebar 5-10 kali kedalaman, distribusi kecepatan disekitar bagian tengah saluran adalah sama. Dalam praktek saluran dianggap sangat lebar bila lebar > 10 x kedalaman
PERSAMAAN ALIRAN DALAM SALURAN TERBUKA 1. Persamaan Chezy Oleh seorang insinyur Perancis Antoin Chezy pada tahun 1769 yang dikenal dengan persamaan persamaan Chezy
V = C √R.S
dimana : C = koefisien resistan Chezy. S = kemiringan dari garis energi gradien (m/m)
Dengan catatan bahwa aliran harus uniform,Sf harus sama dengan kemiringan dasar saluran.
2.Persamaan Strickler
V = k str . R1/6 . √R.S = k str .R2/3 . S1/2
Sehingga C = kstr . R1/6 3.Persamaan Manning Persamaan berikut oleh Robert Manning,seorang insinyur Inggris tahun 1889 :
V = k str .R2/3 . S1/2
Dimana : C = koefisien dari de Chezy k = koefisien dari Strickler = 1 /n
Untuk menghitung kapasitas aliran kalikan persamaan Manning dengan luas penampang saluran sehingga diperoleh :
Q = 1/n A .R2/3 .S1/2
Dimana : Q = debit aliran m3/s A = Luas penampang aliran m2 n = koefisien kekasaran manning Kecepatan aliran ditentukan oleh radius hydraulis dan tidak tergantung oleh bentuk dari profile saluran. Hukum Bernoulli Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli; yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible flow), dan yang lain adalah untuk fluida termampatkan (compressible flow). Aliran Tak-termampatkan Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-
termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:
di mana: v = kecepatan fluida g = percepatan gravitasi bumi h = ketinggian relatif terhadap suatu referensi p = tekanan fluida ρ = densitas fluida
Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut: Aliran bersifat tunak (steady state) Tidak terdapat gesekan (inviscid) Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:
Aliran Termampatkan Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida termampatkan adalah: udara, gas alam, dll. Persamaan Bernoulli untuk aliran termampatkan adalah sebagai berikut:
di mana: = energi potensial gravitasi per satuan massa; jika gravitasi konstan maka = entalpi fluida per satuan massa
Catatan: , di mana adalah energi termodinamika per satuan massa, juga disebut sebagai energi internal spesifik.
BAB III KASUS
Debit aliran adalah laju aliran air yang melewati suatu penampang melintang pada sungai persatuan waktu. Fungsi dari pengukuran debit aliran adalah untuk mengetahui seberapa banyak air yang mengalir pada suatu sungai dan seberapa cepat air tersebut mengalir dalam waktu satu detik. Cara mengetahui aliarn tersebut laminar atau turbulen yaitu dengan melihat bagaiman air tersebut mengalir apakah dia membentuk benang atau membentuk gelombang. Hal-hal yang akan mempengaruhi aliran antar lain besar kecilnya aliran dalam sungai itu dapat dilihat apakah aliran tersebut membentuk benang-benang atau membentuk gelembung yang tidak beraturan. Praktikum yang telah kami lakukan aliran yang terjadi adalah aliran laminar dimana daun tersebut berjalan lurus tanpa naik turun di permukaan air. Selain faktor besar kecilnya debit aliran juga dapat dipengaruhi oleh basah atau keringnya daun tersebut. Semakin basah daun tersebut maka laju aliran akan semakin lambat, hal ini terjadi karena kadar air yang dikandung daun tersebut banyak sehingga akan lebih berat. Sedangkan pada daun kering laju aliran akan semakin cepat hal ini juga dipengaruhi oleh kandungan air yang terkandung didalamnya. Selain dua faktor diatas juga dapat dipengaruhi oleh faktor alam antara lain angin yang bertiup yang akan menyebabkan daun tersebut mengalir tidak pada tengah aliran tersebut, faktor lain yang mempengaruhi adalah hujan yang menyebabkan aliran. tersebut dapat berubah dari aliran laminar menjadi turbulen serta dapat membuat gerak menjadi tidak teratur. Pada praktikum yang kami lakukan kami mendapat data dimana ketiga debit aliran tersebut perbedaan nilainya tidak terlalu besar yaitu debit aliran dengan waktu laju 9,93 detik yaitu sebesar Q1 = 8,41 x 10-4 m3/ s. Pada aliran kedua waktu yang dibutuhkan untuk melaju sepanjang satu meter adalah 11,73 detik dimana debit yang dihasilkan dari perhitungan sebesar Q2 = 7,395 x 10-4 m3 / s. Pada aliran ketiga laju aliran agak lama ini dapat terlihat dari waktu tempuh dari satu ujung keujung yang lain yaitu sebesar 10,44 detik, debit aliran yang dihasilkan dari laju aliran yang membutuhkan waktu 10,44 detik adalah Q3 = 8,12 x 104 m3 / s. Praktikum yang telah kami lakukan hasil yang didapat cukup relevan hal ini dapat dilihat dari selisih ketiga debit tersebut yang tidak terlalu besar. Selisih tersebut dapat berbeda karena dapat dipengaruhi oleh angin yang bertiup sehingga daun yang mengalir agak kepinggir-pinggir. Debit air pada aliran terbuka sangat penting dalam pertanian yang biasanya dimanfaatkan untuk irigasi pesawahan, mengerakan turbin pada generator listrik serta dapat dimanfaatkan untuk kegiatan transportasi jika debit air yang dibutuhkan dapat memenuhi standar transportasi. Seperti kita ketahui bersama dihutan Kalimantan yang mempunyai aliran debit air yang besar bahwa bebit aliran ini digunakan masyarakat didekat hulu sungai untuk menghanyutkan batang pohon kayu yang sudah ditebang dihutan sehingga memudahkan masyarakat untuk mengangkut kayu-kayu tersebut.
BAB IV PENUTUP
IV. Kesimpulan 1. Suatu aliran dapat dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain angin, besar kecilnya aliran, hujan, dan lain sebagainya 2. Pemanfaatan debit aliran saluran terbuka dibidang pertanian yaitu irigasi, mengerakan turbin dan digunakan sebagai sarana transportasi. 3. Karakteristik dari aliran fluida terbuka adalah : a. Aliran dengan permukaan bebas b. Mengalir dibawah gaya gravitasi, dibawah tekanan udara atmosfir. c. Mengalir karena adanya slope dasar saluran 4. Menurut asalnya saluran dapat digolongkan menjadi : a.saluran alam (natural ) b.saluran buatan (artificial )
