Makalah PROPERTI SALURAN TERBUKA DAN PERSAMAAN DASAR

PROPERTI SALURAN TERBUKA DAN PERSAMAAN DASAR

Tujuan pembuat materi ini untuk memenuhi tugas mata kuliah Mekanika Teknik IV yang dibimbing oleh:

Nur Robbi ,ST .MT

Oleh:

DONY PRAYOGI SANTOSO

AHMAD KHOIRON

UNIVERSITAS ISLAM MALANG

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI MESIN

MARET 2015

PRAKATA

Puji dan syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas selesainya makalah yang berjudul "PROPERTI SALURAN TERBUKA DAN PERSAMAAN DASAR". Atas dukungan moral dan materi yang diberikan dalam penyusunan makalah ini, maka kami selaku penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada :

1.      Bapak Nur Robbi ,ST .MT selaku guru Pembimbing kami, yang memberikan arahan, masukan kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa makalah ini belumlah sempurna. Oleh karena itu, saran dan kritik yang membangun dari rekan-rekan sangat dibutuhkan untuk penyempurnaan makalah ini.

                                              Malang, 10 Maret 2015            

           

                                                    Penulis                    

Daftar Isi

Halaman judul ................................................................................................................................. 1
Prakata ………................................................................................................................................. 2
Daftar Isi .......................................................................................................................................... 3

BAB I PENDAHULUAN ………………………………………......………………………….… 4

BAB II ISI ………………………………………………………......………………………….… 5

A.    JENIS ALIRAN FLUIDA

     1.      Definisi …………………....……………………………………........………....……………... 5

     2.      Klasifikasi ……………………………………………………………………….......……..…. 5

     3.       Geometri penampang melintang ……………………………………………………………............…….. 6

     4.       Distribusi, koefisien kecepatan dan pengukuran kecepatan ……………………………...............……..... 9

B.      PERSAMAAN DASAR

     1.       Persamaan kontiunitas …………………………………………………………………..............………… 10

     2.       Persamaan energy ……………………………………………………………………….............………… 12

     3.       Persamaan momentum …………………………………………………………………….............………. 12

     4.       Transpormasi system ke volume control …………………………………………………..............……… 12

BAB III KESIMPULAN ……………………………………………………………………….………….…… 14

Daftar pustaka …………………………………………………………………………………….....………..… 15

Bab I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

    Dalam era yang serba teknologi saat ini, kemajuan bidang pendidikan sangatlah bertambah dari waktu ke waktu. Kemajuan yang dicapai oleh umat manusia, baik itu bidang sosial, bidang informasi maupun bidang pendidikan. Salah satunya dalam makalah ini akan dipaparkan elemen-elemen mekanika fluida yang memungkinkan kita untuk memecahkan rnasaIah-masalah yang kita temui sehari-hari yang relatif sederhana seperti misalnya aliran melalui pipa, saluran dan aliran di sekitar bola dan silinder. Aliran-aliran yang lebih kompleks yang biasanya disebabkan oleh geometri-geometri, yang lebih kompleks tidak akan dipaparkan di dalam makalah ini. Walaupun demikian ini merupakan informasi baru bagi Anda. Marilah kita mulai.

1.2 Ruang Lingkup Penelitian

    Penelitian ini mencakup sebagian kecil dari Mekanika Fluida, yakni tentang saluran terbuka dan persamaan-persamaan dasar yang bias dijadikan salah satu referensi.

1.3 Tujuan dan manfaat

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah :

     1. Mampu memahami materi ini dengan baik

Manfaat :

1.      Memberikan pembaca pengetahuan baru

Bab II

     A.    JENIS ALIRAN TERBUKA

1.      Definisi

Aliran Saluran terbuka adalah saluran yang mengalirkan air dengan permukaan bebas. saluran terbuka dapat terjadi dalam bentuk yang bervariasi cukup besar, mulai dari aliran di atas permukaan tanah yang terjadi pada waktu hujan, sampai aliran dengan kedalaman air konstan dalam saluran prismatis. Masalah aliran saluran terbuka banyak dijumpai dalam aliran sungai, aliran saluran-saluran irigasi, aliran saluran pembuangan dan saluran-saluran lain yang bentuk dan kondisi geometrinya bermacam-macam.

             Mekanika aliran saluran terbuka lebih sulit dibanding dengan mekanika saluran tertutup. Pada aliran saluran tertutup tidak terdapat permukaan bebas sehingga tidak terdapat pengaruh langsung dari tekanan atmosfer, pengaruh yang ada hanyalah tekanan hidraulik yang besarnya dapat lebih besar atau lebih kecil daripada tekanan atmosfer. Sedangkan pada aliran saluran terbuka terdapat permukaan bebas yang berhubungan dengan atmosfer dimana permukaan bebas tersebut merupakan suatu batas antara dua fluida yang berbeda kerapatannya yaitu cairan dan udara, dan pada permukaan ini terdapat tekanan atmosfer. Dalam hal ini hubungannya dengan atmosfer perlu adanya pertimbangan bahwa kerapatan udara jauh lebih rendah daripada kerapatan air.

2.      Klasifikasi

Klasifikasi saluran terbuka berdasarkan asal-usul:

-          Saluran alam (natural channel)

Contoh: sungai-sungai kecil di daerah hulu (pegunungan) hingga sungaibesar di muara.

-          Saluran buatan (artificial channel)

Contoh: saluran dreinase tepi jalan, saluran irigasi untuk mengairi persawahan, saluran pembuangan, saluran untuk membawa air ke pembangkit listrik tenaga air, saluran untuk supply air minum, saluran banjir.

Klasifikasi saluran terbuka berdasarkan konsistensi bentuk penampang dan kamiringan dasar:

-          Saluran prismatic (prismatic channel)

Yaitu saluran yang berbentuk penampang melintang dan kemiringan dasarnya tetap.

Contoh: saluran drainase, saluran irigasi

-          Saluran non prismatic (non prismatikc channel)

Yaitu saluran yang berbentuk penampang melintang dan kemiringan dasarnya berubah-ubah.

Contoh: sungai

Dilapangan, saluran buatan (artificial channel) bisa berupa:

-          Canal: semacam parit dengan kemiringan dasar yang landau, berpenampang segi empat,segi empat, segi tiga, trapezium maupun lingkaran. Terbuat dari galian tanah, pasangan batu, beton ataukayu maupun logam.

-          Talang (flume): semacam selokan kecil yang terbuat dari logam, beton atau kayu yang melintas di atas permukaan tanah dengan suatu penyanggah.

-          Got Miring (chute): semacam selokan dengan kemiringan dasar yang relative curam.

-          Bangunan Terjun (drop structure): semacam selokan dengan kemiringan yang tajam. Perubahan muka air terjadi pada jarak yang sangat dekat.

-          Gorong-gorong (culvert): saluran tertutup yang melintasi jalan atau menerobos gundukan tanah dengan jarak yang relatif pendek.

-          Terowongan (tunnel): saluran tertutup yang melintasi gundukan tanah atau bukit dengan jarak yang relatif panjang.

    3.      DISTRIBUSI DAN PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN

-          Kecepatan aliran v adalah jarak yang ditempuh aliran pada saluran dalam satuan waktu. Biasanya kecepatan vdinyatakan dalam satuan m/dt.

-          Kecepatan aliran pada saluran adalah tidak merata. Kecepatan maksimum aliranterjadi pada kisaran 0.05 hingga 0.25 kedalamannya.

-          Makin mendekati tepi saluran maupun dasar saluran, kecepatan aliran adalah mengecil.

-          Koefisien distribusi kecepatan α berkisaran Antara 1.03 sampai 1.36.

-          Untuk masalah-masalah dalam praktek, besaran koefisien distribusi kecepatan dianggap sama dengan1.

-          Distribusi kecepatan pada penampang saluran tergantung pada beberapa faktor antara lain:

-          Bentuk penampang

-          Kekerasan saluran

-          Adanya tekukan-tekukan

-     Pengukukran kecepatan aliran dilakukan dengan cara antara lain:

-          Menggunakan alat pengukur aliran (current meter) mengukur kecepatan rata-rata pada segmen-segmen penampang dengan membagi-bagi penampang saluran secara vertikal.

-          Menggunakan pelampung yang di hanyutkan ke dalam aliran dengan mencatat laju pelampung pada jarak tertentu.

-          Distribusi kecepatan secara umum dinyatakan pada gambar berikut:  

4.      GEOMETRI PENAMPANG MELINTANG SALURAN

Geometri penampang saluran biasanya seperti berikut:

-          Saluran alam (natural channel)                           : tidak beraturan, bervariasi mulsi dari bentuk parabola hingga trapezium.

-          Saluran buatan (artificial channel) terbuka           : beraturan, berpenampang segi empat, segi tiga, trspezium, trapezium ganda, lingkaran hingga parabola.

-          Saluran buatan (artificial channel) tertutup        : lingkaran, bujur sangkar, elips.

   -         Kedalaman aliran (y)               : jarak vertical titik terendah dasar saluran hingga permukaan air (depth of flow).

   -          Taraf (stage)                            : elevasi dari muka air terhadap bidang persamaan.    

   -          Lebar dasar (B)                       : lebar penampang melintang bagian bawah/dasar (bed width).

  -      Kemiringan dinding (m)         : angka penyebut pada perbandingan Antara sisi vertical terhadap horizontal (side slope).

   -          Lebar puncak (T)                     : lebar penampang saluran pada permukaan air (top width).

   -          Luas basah (A)                        : luas penampang melintang yang tegak lurus aliran (water area).

   -          Kelliling basah (P)                   : panjang garis perpotongan dari permukaan basah saluran dengan bidang penampang melintang yang tegak lurus arah aliran (wetted perimeter).

  -      Jari-jari hidraulik (R)               : perbandingan antara luas basah A dengan keliling basah P. (hydraulic radius).

   -          Kedalaman hidraulik (D)        : perbandingan antara luas basah A dengan keliling lebar puncak T. (hydraulic depth).

   -          Factor penampang (Z)             : perkalian antara luas basah A dengan akar kuadrat dari kedalam hidraulik D. (section factor).

     Untuk penampang melintang berbentuk segi empat maupun segi tiga, maka unsur geometrinya adalah identik. Hanya saja yang berbeda aadalah harga B dan m. Untuk penampang segi empat harga m = 0, untuk penampang segi tiga harga B = 0.

          B.    PERSAMAAN DASAR

1.      Persamaan Kontiunitas

Persamaan kontiunitas adalah memperlihatkan suatu tabung yang pendek, yang bisa diasumsikan untuk maksud-maksud praktek, sebagai suatu kumpulan stream line-stream line. Dikarenakan tabung aliran dibatasi pada semua sisi-sisinya oleh streamline-streamline dan dikarenakan tidak ada kecepatan yang normal terhadap suatu streamline, maka tiada fluida yang dapat meninggalkan atau memasuki tabung aliran terkecuali pada ujung- ujungnya. Volume diam/tak bergerak di antara kedua penampang tetap dari tabung aliran dinamakan sebagai volume atur (control volume) dan besarnya akan didefinisikan sebagai volume. Jika masa fluida yang terisi di dalam volume aiur dari volume (disingkat vol) pada waktu t adalah massa, maka fluida yang terisi di dalam vol pada waktu (t + dt) akan merupakan:

yang menyatakan bahwa laju bersih aliran massa keluar dari volume kendali itu harus nol.di penampang 1 laju bersih aliran massa keluar adalah PIVIdA1 dan dipenampang 2

adalah persamaan kontinuitas yang diterapkan pada dua penampang di sepanjang sebuah

tabung aIiran dalam aIiran steadi.

2.      Persamaan Energi

Hukum  pertama termodinamika, atau singkatnya, persamaan energi, memiliki

kegunaan pada saat perpindahan  kalor  atau  usaha ingin  diketahui. Jika pada intinya tidak terjadi  perpindahan  kalor  dan  tidak  ada  usaha  eksternal dari pompa atau alat lainnya,  persamaan  energi memungkinkan  kita  menghubungkan tekanan, kecepatan dan  ketinggian. Kita  lihat  bagaimana  persamaan  ini  disusun. Kita mulai dengan persamaan energi daiam bentuk umumnya.

Kebanyakan aplikasi memungkinkan kita untuk menyederhanakan persamaan ini dengan mengasumsikan aliran tunak yang seragam dengan satu jalur masuk dan satu jalur keluar. Persamaan energi disederhanakan menjadi. 

3.      Persamaan Momentum

Jika perhitungan melibatkan gaya, seringkali kita perlu menerapkan hukum kedua Newton, atau sederhananya,  persamaan  momentum,  ke soal yang dihadapi. Untuk suatu  volume  umum, dengan  menggunakan deskripsi pergerakan Eulerian, persamaan momentum telah diberikan dalam Pers. dalam bentuk yang paling umum untuk sebuah volume kontrol tetap sebagai.

 

4.      Transpormasi sistem ke volume kontrol

Ketiga hukum dasar yang berkaitan dengan mekanika fluida seringkali disebut sebagai kekekalan massa, energi dan momentum. Dua yang terakhir lebih spesifik lagi disebut hukum pertama termodinamika dan hukum kedua Newton. Setiap hukum ini diekspresikan dengan menggunakan deskripsi pergerakan Lagrangian; hukum-hukum ini berlaku untuk suatu massa fluida tertentu. Hukum-hukum ini dinyatakan sebagai berikut:

     -          Massa :Massa suatu sistem tetap konstan 

     -          Energi : laju perpindahan kalor ke suatu sistem dikurangi dengan usaha yang dilakukan oleh suatu sistem adalah sama dengan laju perubahan energi E dari sistem tersebut. 

   -  Momentum : Gaya momentum yang bekerja pada suatu sistem sama dengan laju perubahan momentum dari sistem tersebut.

Setiap hukum ini lanjutnya akan diekpsresikan secara matematis dengan mengenali bahwa laju perubahan berlaku untuk sekumpulan partikel fluida dan kenyataan bahwa densitas, energi spesifik dan kecepatan dapat berubah dari titik ke titik di dalam volume yang di maksud. Ini memerlukan derivatif material dan pengintegralan pada volume.

Bab III

Kesimpulan

-          Aliran Saluran terbuka adalah saluran yang mengalirkan air dengan permukaan bebas.

-          Mekanika aliran saluran terbuka lebih sulit dibanding dengan mekanika saluran tertutup.

Daftar Pustaka

http://abdulloh-faqih.blogspot.com/2011/06/saluran-terbuka.html

http://www.ilmusipil.com/pengertian-hidrolika

http://www.academia.edu/5773360/ALIRAN-MELALUI-SALURAN-TERBUKA

http://e-jurnal.ukrimuniversity.ac.id/file/21202.pdf

R.L. Daugberty and J.B. Franzini'. "Fluid Mechanics with Engineering Applications".

Reuben M. Olso, Steven J. Wraighl Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper &Row Publisher,

Makalah Open Channel, Closed Conduit, dan Tipe – Tipe Aliran

Open Channel, Closed Conduit, dan Tipe – Tipe Aliran

MAKALAH

Disusun untuk memenuhi mata kuliah

Mekanika Fluida II

yang dibina oleh , Nur Robbi, S.T, M.T.

 

Oleh Kelompok 1 :

1.      Bambang Harianto           (2130520020)

2.      Djamal Akhmad Fahmi    (2130520022)

3.      Rendy Kurniawan            (2130520023)

PROGAM STUDI S1 MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ISLAM MALANG

2014

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan hidayah-Nya sehingga makalah yang berjudul “Open Channel, Close Conduit, dan Tipe – Tipe Aliran” ini dapat diselesaikan dengan baik.

Dalam makalah ini akan dibahas mengenai open channel vs close conduit dan tipe - tipe aliran secara kompreherensif dan mendalam. Pembahasan dalam makalah ini meliputi manusia dalam iptek dan iptek bagi manusia sampai pada dampak penyalahgunaan iptek bagi kehidupan social dan budaya.

.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu terselesaikannya makalah ini.

1.      Kedua orang tua, yang tanpa lelah selalu mendoakan dan memberikan semangat.

2.      Nur Robbi, S.T, M.T. selaku dosen pembimbing, atas kesabaran yang dicurahkan selama proses belajar.

3.      Teman-teman S1 Mesin yang telah banyak memberikan dukungan.

Penyusun menyadari bahwa, makalah ini masih jauh dari sempurna dan memuaskan. Oleh karena itu penyusun mengharapkan kritik dan saran para pembaca untuk penyempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini dapat memberikan manfaat bagi penyusun khususnya dan bagi para pembaca serta semua pihak pada umumnya.

                                    Malang, 2014

Penyusun

DAFTAR ISI

Kata Pengantar i

Daftar Isi ii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1           Latar Belakang 1

1.2           Rumusan Masalah 2

1.3           Tujuan 2

1.4           Metode Penelitian 2

BAB II PEMBAHASAN 3

2.1           Definisi 3

2.2           Saluran 4

2.3           Tipe – Tipe dan Klasifikasi Aliran 6

2.3.1        Aliran Permukaan Terbuka 6

2.3.2        Aliran Permukaan Tertutup 11

2.4           Hukum Konservasi atau persamaan 13

2.4.1        Konservasi Massa (Persamaan Kontinuitas) 14

2.4.2        Konservasi Energi (Persamaan Energi) 15

2.4.3        Konservasi Momentum (Persamaaan Momentum) 16

BAB III PENUTUP 18

3.1           Kesimpulan 18

3.2           Saran 18

Daftar Pustaka 19

Lampiran

BAB I

PENDAHULUAN

1.1            Latar Belakang

Zat cair dapat diangkut dari suatu tempat ke tempat lain melalui bangunan pembawa alamiah ataupun buatan manusia. Bangunan pembawa ini dapat terbuka maupun tertutup. Saluran yang tertutup disebut saluran tertutup (closed conduits), sedangkan yang terbuka disebut saluran terbuka (open channels). Sungai, saluran irigasi, selokan,  estuari merupakan contoh saluran terbuka, sedangkan terowongan, pipa, aquaduct, gorong-gorong, dan siphon merupakan contoh saluran tertutup.

Dalam makalah ini akan dibahas tentang dasar-dasar hidraulika saluran terbuka dan saluran tertutup terutama yang ada kaitannya dengan perencanaan sistem drainase. Pada saluran terbuka akan dibahas klasifikasi aliran, terminologi dan sifat-sifat saluran, serta perencanaan saluran. Pembahasan saluran dalam pipa dikhususkan pada pengenalan bangunan yang terkait dengan sistem drainase, misalnya gorong-gorong dan siphon.

Pada implementasinya nanti ilmu ini akan sangat dibutuhkan dalam dunia kerja sehingga melihat dari beberapa keterangan singkat diatas terlihat jelas bahwa mempelajari pola saluran dan tipe – tipe aliran sangatlah sangat penting. Oleh karena itu pada kesempatan kali ini penyusun menyusun makalah tentang Open Channel, Closed Conduit, dan Tipe – Tipe Aliran yang akan dijadikan acuan dalam kegiatan belajar bersama dengan bentuk dialog presentasi.

1.2            Rumusan Masalah

Berdasar latar belakang di atas, masalah dirumuskan sebagai berikut.

1.      Apakah yang dimaksud dengan open channel dan closed conduit ?

2.      Apa saja tipe – tipe atau klasifikasi dan tipe – tipe aliran ?

3.      Apa saja persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan kasus-kasus aliran ?

1.3            Tujuan

Berdasar rumusan masalah di atas, tujuan penyusunan makalah ini antara lain sebagai berikut.

1.      Untuk mengerti perbedaan atara open channel dengan closed conduit.

2.      Untuk mengerti klasifikasi dan tipe – tipe aliran.

3.      Untuk mengetahui cara menyelesaikan kasus-kasus dalam aliran.

1.4            Metode Penelitian

Dalam penyusunan makalah ini metode yang digunakan adalah Deskriptif, sedangkan teknik pengumpulan data yang digunakan adalah dengan cara studi kepustakaan buku dan online.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1            Definisi

Aliran dalam saluran terbuka maupun saluran tertutup yang mempunyai permukaan bebas disebut aliran permukaan bebas (free surface flow) atau aliran saluran terbuka (open channel flow). Dalam makalah ini keduanya mempunyai arti yang sama atau sinonim. Permukaan bebas mempunyai tekanan sama dengan tekanan atmosfir. Jika pada aliran tidak terdapat permukaan bebas dan aliran dalam saluran penuh, aliran yang terjadi disebut aliran dalam pipa (pipe flow) atau aliran tertekan (pressurized flow). Aliran dalam pipa tidak mempunyai tekanan atmosfir akan tetapi tekanan hidraulik.

Dalam saluran tertutup kemungkinan dapat terjadi aliran bebas maupun aliran tertekan pada saat yang berbeda, misalnya gorong-gorong untuk drainase, pada saat normal alirannya bebas, sedang pada saat banjir karena hujan tiba-tiba air akan memenuhi gorong-gorong sehingga alirannya tertekan. Dapat juga terjadi pada ujung saluran tertutup yang satu terjadi aliran bebas, sementara ujung yang lain alirannya tertekan. Kondisi ini dapat terjadi jika ujung hilir saluran terendam (sumerged).

Gambar. Aliran permukaan bebas pada saluran terbuka (a), aliran permukaan bebas pada saluran tertutup (b), dan aliran tertekan atau dalam pipa (c).

Zat cair yang mengalir pada saluran terbuka mempunyai bidang kontak hanya pada dinding dan dasar saluran. Saluran terbuka dapat berupa :

1.      Saluran alamiah atau buatan.

2.      Galian tanah dengan atau tanpa lapisan penahan

3.      Terbuat dari pipa, beton, batu, bata, atau material lain

4.      Dapat berbentuk persegi, segitiga, trapesium, lingkaran, tapal kuda, atau tidak beraturan.

Bentuk-bentuk saluran terbuka, baik saluran buatan maupun alamiah, yang dapat kita jumpai diperlihatkan pada gambar berikut.

2.1          2.2      Saluran

Saluran dapat alamiah atau buatan. Ada beberapa macam sebutan untuk saluran alamiah yaitu saluran panjang dengan kemiringan sedang yang dibuat dengan menggali tanah disebut kanal (canal). Saluran yang disangga di atas permukaan tanah dan terbuat dari kayu, beton, atau logam disebut flum (flume). Saluran yang sangat curam dengan dinding hampir vertikal disebut chute. Terowongan (tunnel) adalah saluran yang digali melalui bukit atau gunung. Saluran tertutup pendek yang mengalir tidak penuh disebut culvert. Potongan yang diambil tegak lurus arah aliran disebut potongan melintang (cross section), sedangkan potongan yang diambil searah aliran disebut potongan memanjang. Adapun klasifikasi dari saluran terbuka dapat dilihat dibawah ini :

1.      Saluran prismatis (prismatic channel) adalah saluran yang mempunyai penampang dan kemiringan tetap.

2.      Non prismatis (non prismatic), apabila penampang atau kemiringan berubah-ubah sepanjang saluran.

3.      Saluran bertepi kukuh (rigid boundary channel) saluran dengan dasar dan sisinya tidak bergerak, misalnya saluran beton.

4.      Saluran batas bergerak (mobile boundary channel), batas saluran terdiri dari partikel sedimen lepas yang bergerak pengaruh air yang bergerak.

5.      Saluran aluvial (alluvial channel), adalah saluran batas bergerak yang mengangkut jenis material yang sama, batas saluran terdiri dari material yang sama.

Keterangan  Gambar.

H         = kedalaman aliran vertikal, adalah jarak vertikal antara titik terendah pada dasar saluran dan permukaan air (m)

D         = kedalaman air normal, adalah kedalaman yang diukur tegak lurus terhadap garis aliran (m)

Z          = adalah elevasi atau jarak vertikal antara permukaan air dan garis referensi tertentu (m)

T          = lebar potongan melintang pada permukaan air (m)

A         = luas penampang basah yang diukur tegak lurus arah aliran (m²)

P          = keliling basah, yaitu panjang garis persinggungan antara air dan dinding    dan atau dasar saluran yang diukur tegak lurus arah aliran

R         = jari-jari hidraulik, R = A/P (m)

D         = kedalaman hidraulik, D = A/T (m).[1]

2.1            Tipe – Tipe dan Klasifikasi Aliran

2.1.1    Aliran Permukaan Bebas

Aliran permukaan bebas dapat diklasifikasikan menjadi berbagai tipe tergantung kriteria yang digunakan. Berdasarkan perubahan kedalaman dan/atau kecepatan mengikuti fungsi waktu, aliran dibedakan menjadi aliran permanen (steady) dan tidak permanen (unsteady), sedangkan berdasarkan fungsi ruang, aliran dibedakan menjadi aliran seragam (uniform) dan tidak seragam (non-uniform).[2] Namun secara garis besar dapat dibedakan atau dikelompokkan jenis aliran adalah sebagai berikut :

     1.      Aliran tunak (steady): suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruhi oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak mernpunyai percepatan)

   2.      Aliran seragam (uniform): suatu aliran yang tidak terjadi perubahan baik besar maupun arah, dengan kata lain tidak terjadi perubahan kecepatan dan penampang Iintasan.

    3.      Tidak tunak : suatu aliran dimana terjadi perubahan kecepatan terhadap waktu.

   4.      Aliran tidak seragam (nonuniform) : suatu aliran yang dalam kondisi berubah baik kecepatan maupun penampang berubah.

Berdasarkan tipe aliran :

     1.      Aliran laminar

     2.      Aliran transisi

     3.      Aliran turbulen

     4.      Berdasarkan ordinatnya : aliran satu, dua, tiga dimensi

     5.      Aliran subsonic : adalah suatu aliran yang lebih kecil dari kecepatan suara

     6.      Aliran transonic : suatu aliran yang sama dengan kecepatan suara

     7.      Aliran supersonic :suatu aliran yang melebihi kecepatan suara

     8.      Aliran hypersonic : suatu aliran yang sangat tinggi (sangat besar disbanding keceptan suara), dll

Dari berbagai jenis maupun tipe aliran tersebut, harus memenuhi hubungan – hubungan berikut :

         1.      Hukum – hukum Newton tentang gerakan yang harus berlaku untuk tiap partikel pada setiap                saat

         2.      Hubungan kontinuitas, yaitu hukum kekekalan massa

         3.      Hukum pertama adalah hukum kedua termodinamika

         4.      Syarat – syarat batas.[3]

   A.   Aliran Permanen dan Tidak Permanen

Jika kecepatan aliran pada suatu titik tidak berubah terhadap waktu, maka alirannya disebut aliran permanen atau tunak (steady flow), jika kecepatan pada suatu lokasi tertentu berubah terhadap waktu maka alirannya disebut aliran tidak permanen atau tidak tunak (unsteady flow).

Dalam hal-hal tertentu dimungkinkan mentransformasikan aliran tidak permanen menjadi aliran permanen dengan mengacu pada koordinat referensi yang bergerak. Penyederhanaan ini menawarkan beberapa keuntungan, seperti kemudahan visualisasi, kemudahan penulisan persamaan yang terkait, dan sebagainya. Penyederhanaan ini hanya mungkin jika bentuk gelombang tidak berubah dalam perambatannya. Misalnya, bentuk gelombang kejut (surge) tidak berubah ketika merambat pada saluran halus, dan konsekuensinya perambatan gelombang kejut yang tidak permanen dapat dikonversi menjadi aliran permanen dengan koordinat referensi yang bergerak dengan kecepatan absolut gelombang kejut. Hal ini ekivalen dengan pengamat yang bergerak disamping gelombang kejut sehingga gelombang kejut terlihat stasioner atau tetap oleh pengamat, jadi aliran dapat dianggap sebagai aliran permanen. Jika bentuk gelombang berubah selama perambatannya, maka tidak mungkin mentransformasikan gerakan gelombang tersebut menjadi aliran permanen. Misalnya gelombang banjir yang merambat pada sungai alamiah tidak dapat ditransformasikan menjadi aliran permanen, karena bentuk gelombang termodifikasi dalam perjalanannya sepanjang sungai.[1]

    A.   Aliran Seragam dan Berubah

Jika kecepatan aliran pada suatu waktu tertentu tidak berubah sepanjang saluran yang ditinjau, maka alirannya disebut aliran seragam (uniform flow). Namun, jika kecepatan aliran pada saat tertentu berubah terhadap jarak, alirannya disebut aliran tidak seragam atau aliran berubah (nonuniform flow or varied flow). Bergantung pada laju perubahan kecepatan terhadap jarak, aliran dapat diklasifikasikan menjadi aliran berubah lambat laun (gradually varied flow) atau aliran berubah tiba-tiba (rapidly varied flow).[2]

    B.   Aliran Laminer dan Turbulen

Jika partikel zat cair yang bergerak mengikuti alur tertentu dan aliran tampak seperti gerakan serat-serat atau lapisan-lapisan tipis yang paralel, maka alirannya disebut aliran laminer. Sebaliknya jika partikel zat cair bergerak mengikuti alur yang tidak beraturan, baik ditinjau terhadap ruang maupun waktu, maka alirannya disebut aliran turbulen.

Faktor yang menentukan keadaan aliran adalah pengaruh relatif antara gaya kekentalan (viskositas) dan gaya inersia. Jika gaya viskositas dominan, alirannya laminer, jika gaya inersia yang dominan, alirannya turbulen. 

Nisbah antara gaya kekentalan dan inersia dinyatakan dalam bilangan Reynold (R_e), yang didefinisikan sebagai  :

                         Laminar Re<500

                         Turbulen Re<12500

Tidak seperti aliran dalam pipa, dimana diameter pipa biasanya dipakai sebagai panjang karakteristik, pada aliran bebas dipakai kedalaman hidraulik atau jari-jari hidraulik sebagai panjang karakteristik. Kedalaman hidraulik didefinisikan sebagai luas penampang basah dibagi lebar permukaan air, sedangkan jari-jari hidraulik didefinisikan sebagai luas penampang basah dibagi keliling basah. Batas peralihan antara aliran laminer dan turbulen pada aliran bebas terjadi pada bilangan Reynold, Re + 600, yang dihitung berdasarkan jari-jari hidraulik sebagai panjang karakteristik.

Dalam kehidupan sehari-hari, aliran laminer pada saluran terbuka sangat jarang ditemui. Aliran jenis ini mungkin dapat terjadi pada aliran dengan kedalaman sangat tipis di atas permukaan gelas yang sangat halus dengan kecepatan yang sangat kecil.[1]

    A.   Aliran Subkritis, Kritis, dan Superkritis

Aliran dikatakan kritis apabila kecepatan aliran sama dengan kecepatan gelombang gravitasi dengan amplitudo kecil. Gelombang gravitasi dapat dibangkitkan dengan merubah kedalaman. Jika kecepatan aliran lebih kecil daripada kecepatan kritis, maka alirannya disebut subkritis, dan jika kecepatan alirannya lebih besar daripada kecepatan kritis, alirannya disebut superkritis.

Parameter yang menentukan ketiga jenis aliran tersebut adalah nisbah antara gaya gravitasi dan gaya inertia, yang dinyatakan dengan bilangan Froude (F_r). Untuk saluran berbentuk persegi, bilangan Froude didefinisikan sebagai  :

dengan            V         =          kecepatan aliran (m/det),

                        h          =          kedalaman aliran (m),

                        g          =          percepatan gravitasi (m/det²)

.= kecepatan gelombang dangkal[1]

Aliran disebut kritis apabila F=1.

Aliran disebut Sub kritis apabila F<1.

Aliran disebut Superkritis apabila F>1

Berdasarkan bilangan Reynold dan Froude aliran digolongkan menjadi

• Laminar subkritis F < 1, Re < 500.

• Laminar superkritis F>1, Re < 500.

• Turbulen subkritis F<1, Re > 2000.

• Turbulen superkritis F>1, Re > 2000

Aliran kritis bila F=1 dan aliran dalam keadaan peralihan apabila 500 < Re < 2000[2]

         2.1.1    Aliran Dalam Pipa (Permukaan Tertutup)

      A.    Aliran laminar

Aliran laminar adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steady maksudnya alirannya tetap. “Tetap” menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu.

Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminer kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubah menjadi aliran turbulen. Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain.

      A.    Aliran turbulen

Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan Ciri dari lairan turbulen: tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran.

Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan reaksi tersebut.

Re = (4 v R)/ϑ

Dimana:

Re = Angka Reynold (tanpa satuan)

V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)

R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)

ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s)

Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi.

      A.    Aliran Transisi

Merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Aliran berdasarkan bisa tidaknya dicompres :

        a.       Compressible flow, dimana aliran ini merupakan aliran yang mampu mampat.

        b.      Incompressible flow, aliran tidak mampu mampat. 

      Empat faktor penting dalam pengukuran aliran fluida dalam pipa adalah :

        1.      Kecepatan fluida

        2.      Friksi/gesekan fluida dengan pipa

        3.      Viskositas/kekentalan fluida

        4.      Densitas/kerapatan fluida[1]

         2.1            Hukum Konservasi (Persamaan)

Pada sub-bab berikut akan dibahas konservasi massa, konservasi momentum, dan konservasi energi untuk aliran permanen, permukaan bebas. Pembahasan dibatasi pada aliran satu dimensi, kecepatan aliran hanya ke arah arus (memanjang saluran).

   2.1.1                Konservasi Massa (Persamaan Kontinuitas)

Untuk menjabarkan persamaan kontinuitas, marilah kita tinjau aliran zat cair tidak mampu mapat di dalam suatu pias saluran terbuka, seperti pada gambar. Pada saluran tersebut tidak terjadi aliran masuk atau keluar menembus dinding saluran, dan aliran adalah permanen. Apabila debit yang lewat pada tampang 3-3 besarnya sama dengan Q dan mempunyai kedalaman aliran h pada  Dt, maka besarnya aliran netto yang lewat pada pias tersebut selama waktu Dt dapat didefinisikan sebagai  :

Prinsip kontinuitas menyatakan bahwa jumlah pertambahan volume sama dengan besarnya aliran netto yang lewat pada pias tersebut, sehingga dengan menyamakan persamaan di atas didapat  :

Pada aliran tetap (steady) luas tampang basah tidak berubah selama Dt, sehingga integrasi persamaan menghasilkan  

    2.1.1                Konservasi Energi (Persamaan Energi)

Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah energi air dari setiap aliran yang melalui suatu penampang saluran, dapat dinyatakan sebagai jumlah fungsi air, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan.

Menurut prinsip kekekalan energi, jumlah tinggi fungsi energi pada penampang 1 di hulu akan sama dengan jumlah fungsi energi pada penampang 2 di hilir dan fungsi h_f diantara kedua penampang tersebut.

dimana  : 

z       =  fungsi titik diatas garis referensi,

h       =  fungsi tekanan di suatu titik,

v       =  kecepatan aliran,

g       =  gaya gravitasi bumi.[1]

    2.1.1                Konservasi Momentum (Persamaan Momentum)

Menurut hukum Newton kedua tentang gerakan, menyatakan bahwa besarnya perubahan momentum persatuan waktu pada suatu persamaan adalah sama dengan besarnya resultante semua gaya-gaya yang bekerja pada pias tersebut.

Berdasar gambar, maka persamaan konservasi momentum tersebut dapat ditulis sebagai:

dimana :    P          =  tekanan hidrostatis

                  W        =  berat volume pada pias (1)-(2)

                  S_o         =  kemiringan dasar saluran

                  F_a         =  tekanan udara pada muka air bebas

                  F_f         =  gaya geser yang terjadi akibat kekasaran dasar.

Persamaan momentum sangat besar kegunaannya terutama pada hitungan di suatu pias yang mengalami kehilangan energi, misal pada loncat air. Pada keadaan tersebut prinsip konservasi energi sudah tidak dapat dipakai lagi.[1]

BAB III

PENUTUP

3.1      Kesimpulan

Dalam hidrolika ada dua macam aliran yaitu aliran tertutup (closed conduit) dan aliran terbuka (open channel). Kedua macam aliran tersebut memiliki karakteristik yang berbeda seperti, jika closed conduit tidak dipengaruhi oleh tekanan atmosfer sedangkan open channel. Untuk menyelesaikan beberapa kasus open channel dan closed conduit salah satunya dapat menggunakan persamaan kontinuitas, persamaan energi, dan persamaan momentum.

3.2     Saran

Upaya agar sadar akan pentingnya materi ini, maka penyusun memberikan beberapa saran sebagai berikut :

1.      Pelaksanaan kegiatan belajar mengajar hendaknya dibarengi dengan alat peraga agar mahasiswa dapat memiliki gambaran tentang apa yang dipelajari dalam kuliah tersebut.

2.      Kami mengharap dosen dapat memberikan training tentang aplikasi komputer yang berkaitan tentang mekanika fluida agar dapat membantu mahasiswa menyelesaikan kasus – kasus yang ada mekanika fluida.

DAFTAR PUSTAKA

IPB, Buku Ajar Hidraulika, Bogor

http://aya-snura.blogspot.com/2012/01/aliran-fluida-dalam-pipa.html diakses 8 April 2014

Hidrolika dasar aliran.pdf

Ridwan, Mekanika fluida dasar, Jakarta, Gunadarma