makalah Hidraulika II karangan Prof. Dr. Ir. Bambang Triatmojo CES.,DEA

PENDAHULUAN

1.1.Pengertian

Hidrolika merupakan salah satu topik dalam ilmu terapan dan keteknikan yang berurusan  dengan sifat-sifat mekanika fluida, yang mempelajari prilaku aliran air secara mikro maupun makro

Mekanika fluida meletakkan dasar-dasar teori hidrolika yang difokuskan pada rekayasa sifat-sifat fluida dalam tenaga fluida, hidrolika digunakan untuk pembangkit, kontrol dan perpindahan tenaga menggunakan fluida yang dimanfaatkan. Toik bahan hidrolika membentang dalam banyak aspek sains dan displin keteknikan, mencangkup konsep-konsep seperti aliran tertutup ( pipa).

Perancangan bendungan, pompa, turbin, tenaga air, hitungan dinamika fluida, pengukuran aliran , serta prilaku aliran saluran terbuka seperti sungai dan selokan.

            Kata hidrolika berasal dari ahasa yunani hydrauliko, aitu meruakan gabungan dari hydro yang berarti air dan aulos yang berati pipa.           

            Didalam rangkuman ini akan dibahas mengenai Hidraulika II, yang semua data pokoknya diambil dari buku Hidraulika II karangan Prof. Dr. Ir. Bambang Triatmojo CES.,DEA dan juga kepada dosen Bapak Ir. Rinal  A.M.K. Ginting, M.pd, MT yang telah membantu dalam memberikan masukan, panduan dan keiklasan dalam membimbing dalam penulisan rangkuman ini.

ALIRAN ZAT CAIR RIIL

1.2. ALIRAN ZAT CAIR RIIL

Zat cair riil didefenisikan sebagai zay-zat yang mempunyai  kekentalan, berbeda dengan zat cair ideal yang tidak mempunyai kekentalan. Kekentalan disebabkan oleh adanya kohesi anatar paertikel zat cair. Karena adanya kekentalan zat cair, maka terjadiperbedaan kecepatan partikel pada medan aliran . aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos.

Aliran Viskos adalah aliran Zat Cair yan gmenmpunyai kekentalan ( viskositas). Kekentalan adalah sifat zat cair yang dapat mneyebabkan terjadinya tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan mengubah sebagian energi aliran dalam bentuk energi tersebut menyebakan terjadinya kehilangan tenaga.

Aliran viskos ada dua macam

a.       Aliran laminer

b.      Aliran tubulen

aliran laminer terjadi ketika partikel-pertikel zat cair bergerak seperti garis lurus, sedangkan aliran turbulen terjadi karena partikel-partikel zat cair bergerak secara tidak beratur.

1.3.Hukum Newton Tentang Kekentalan cair

Menyatakan bahwa tegangan geser antara dua partikel zat cair uyang berdampingan adalan sebangding dengan kecepatan darikedua partikel ( grdien kecepatan )

1.4.Percobaan Osborn Reynolds

Menurut reynols ada 3 faktor yang mempengaruhi keadaan aliran yaitu

a.       Kekentlan Zat cair

b.      Rapat massa

c.       Dan diameter pipa

laminer	kritis	turbulen

1.5. Aliran Laminer Dalam Pipa

Didalam mempelajari aliran zat cair , beberapa faktor yang penting diketahui adalah distrbusi kecepatan aliran, tegangan geser dan kehilangan tenaga selama pengaliran.persamaan distribusi kecepatan, tegangan geser dan kehilangan tenaga untuk aliran lminer dan mantap akan diturunkan untuk aliran melalui pipa lingkaran. Penurunan persamaan-persamaan tersebut didsarakan pada hukum newton 2.

1.      Gaya tekanan pada kedua ujung

a.       Ujung 1 :

b.      Ujung 2 :

2.      Gaya tegangan geser pada jarak r dari pusat adalah dan pada jarak   adalah :

3.      Gaya berat  silinder : w =  hukum newton II tentang gerak :

1.6.Aliran Turbulen dan Tegangan Reynolds

Penjelesan mengenai aliran turbulen dan tegangan Reynolds dilakukan dengan memandang medan aliran dakan tiga dimensi. Kecepatan aliran v diuraikan kedalam arah sumbu x,y dan z  ; menjadi sumbu u,v,dan w.

Turbelnsi adalah gerak paertikel zat cair yiang tidak teratur dan sembarang dalan waktu dan ruang. Turbulensi ditiimbulkan oleh gaya-gaya viskos dan gerak lapis zat yang berdampingan pada kecepatan yang berbeda.

1.7.Panjang Campur Prandtl

Seperti halnya hokum newton tentang kekentalan, boussinesq menyatakan bahwa tegangan geser total dalam aliran turbulen merupakan gabungan dari tegangan geser karena turbulensi dan karenakekentalan geser total adalah

1.8.Lapis Batas

Pada zat cair ideal, aliran melalui bidang batas mempunyai distribusi kecepatan merata. Sedangkan pada zat cair riil, karena adanya pengaruh kekentalan, kecepatan didaerah dekat bidang batas mengalami perlambatab dan pada bidang batas kecepatan adalah nol. Lapis zat cair didekat bidang batas dimana diipengaruhi kekentalan dominan disebut dengan lapis batas.

1.9.Kekasaran Permukaan

Konsep adanya sub lapis laminer didalam lapis batas pada aliran turbulen dapat digunakan untuk menjelasakan periilaku kekasaran permukaan apabila permukaan bidang batas dibesarkan, akan terlihat bahwa permukaan tersebut tidak halus seperti yang ditunjukka pada gambar dibwah ini

ALIRAN MELALUI PIPA

1.10.                    ALIRAN MELALUI PIPA

Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran dan digunakan untuk mengalirkan fluida derngan tampang aliran penuh. Fluida yang dialirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas, dan tekanan bisa lebih besar atau lebih  kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka adalah tekanan atmosfer.

2.0.  kehilangan Tenaga Aliran Melalui Pipa

                  Pada zat cair yang mengalir didalam bidang batas (pipa, saluran, terbuka atau bidang datar) akan terjadi tegangan geser dan gradien kecepatan pada seluruh medan aliran karena adanya kekentalan. Tegangan geser tersebut akan menyebabkan terjadinya kehilangan tenaga pengaliran. Apabila pipa mempunyai penampang konstan, maka v1 = v2 dan persamaan diatas dapat ditulis dalam bentuk yang sederhana untuk kelagan tenag akibat gesekan.

atau

contoh 1                :

air mengalir melalui pipa berdiameter 20cm dengan debit a;iran 50 l/d apabila panjang pipa 2 km, hitung kehilangan tenaga disepanjang pipa jika koefisien gesekan darcy-weisbach  

penyelesaian          :

      kecepatan aliran :  

kehilangan tenaga karena gesekan :

2.1  Distribusi Kecepatan

Penurunan persmaan distribusi kecepatan apda aliran didalam persmaan menjadi :

 

Dalam hal ini notasi kecepatan diberikan notasi v, dalam persamaan tersebut  tidak diketahui. Untu itu Prandtl melakukan dua anggapan berikut :

1.      Tagangan geser  dalah konstan, yang nilainya sma dengan tegangan geser di dinding

2.      Panjang campur Prandtl mempunyai hubungan linier dengan jarak dari dinding batas y, yaitu  . dengan anggapan tersebut maka persamaan teganngan geser diatas menjadi

2.2.            Kecepatan Rerata

Untuk mencari kecepatn rerata, dipandang suatu pias kecil pada aliran seperti terlihat dalam gambar, apabila debit aliran meaui pipa dengan diameter adalah Q, maka kecepatan rerata V diberikan oleh :

 

 

2.3.                           Persamaan Tahanan Gaya Gesek Pipa

Penentuan nlai f berdasarkan beberapa rumus yag diusulka oleh beberapa para ahli

a.       Aliran Laminer

                Dengan  

b.      Rumus Empiris Untuk Pipa Halus

Apabila dalam pipa hidralis halus, parameter tersebut adalah kecepatan aliran, diameter pipa dan kekentalan zat cair dalam bentuk angka Reynolds.

              Berdasrkan peneltian Blasius, dia mengemukakan rumus gesekan F untuk pipa halus dalam bentuk  

2.4.                               Pipa didaerah Transisi

Didaerah transisi berlaku rumus hazen-william yang berbentk

 

Nilai CH bergntung pada kekasaran dan diberikan oleh table berikut

 Tabel koefisien Hazen-william

Nilai CH	Jenis Pipa
140 130 120 110 100 95 69-80	Pipa sangat halus Pipa halus,semen,besi tuang baru Pipa baja dilas baru Pipa baja dikeling baru Pipa baja tuang tua Pipa baja dikeling tua Pipa tua

2.5.                           Pipa di daerah turbulen

                    rumus manning yang banyak digunakan pada pengaliran disluran buka, juga berlaku untuk pengaliran dipipa. Rumus tersebut mempunyai untuk    dengan n adalah koefisien mannning dan R dalah jari-jari hidrolik, yaitu perbandingan antara luas tamang aliran A dan keliling basah P.           , untuk pipa lingkaran, , untk pipa lingkaran,  dan  Sehingga   Atau  

ALIRAN MANTAP MELALUI SISTEM PIPA

2.6.            Aliran Mantap Melalui Sistem Pipa

Dalam bagian ini akan dipelajari tenaga dan garis tekanan pipa dengan turbin dan pompa, pipa dalam hubungan seri dan paralel, pipa yang menghubungkan lebihdari dua kolam, dan sistem jaringan pipa.

2.7.            Garis tenaga dan garis tekanan

Sesuai dengan prinsio bernoulli, tinggi tenaga total disetiap titik pada sluran pipa adalah jumlah dari tinggi elevasi, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan. Garis yang menghubungkan titik-titik tersebut dinamakan garis tenaga, yang digambarkan diatas tampang memanjang pipa seperti yang ditunjukkan gambar dibawah ini.

2.8. Pipa dengan Turbin

                        Didalam pembangkit tenaga listrik, tenaga air digunakan untuk turbin. U ntuk mendapatkan kecepatan yang besar guna memutar turbin, pada ujng pipa diberi curat. Garis tenaga yang turun secra teratur (perlahan-lahan ), karena adanya kehilangan tenaga akibat gesekan. Dibagian curat, garis tenaga dan tekanan memisah. Garis tenaga meurun sedikit, sedangkan garis tekanan turun dengan tajam menuju ujung hiir curt dimana tekanan adalah atmosfer.

2.9. system pemipaan

            a. pipa hubungan seri

apabila suatu saluran pipa terdiri dri pipa-pipa dengan ukuran yang berbeda, pipa tersebut adalah dalam hubungan seri. Gambar dibawah ini menunjukkan suatu sistim tiga pipa dengan karakteristik berbeda yang dihubungkan secara seri. Panjang, diameter dan koefisien gesekan masing-masing pipa adalah

 

Persamaan kontinuitas :  Dengan munggunakan persamaan Bernoulli untuk titk 1 dan titik 2 ( pada garis aliran ) ;

            b. pipa bercabang

sering suatu sitem pipa menghubungkan tiga atau lebih kolam. Gambar dibawah ini menunjukkan suatu system pipa bercabang yang menghubungkan ga buah kolam

 

 

3.0. Jaringan pipa                                                                                                                                            pemakaian jaringan pipa dalam bidang teknik sipil terdapat pada system jaringan distribusi air minum. System jaringan distribusi air minum. System jarignan ini merupakan bagian yang paling mahal dari suatu perusahaan air minum. Oeh karena itu harus dibuat perencanaan yang teliti untuk endapatkan system distribusi yang efisien. Jumlah atau debit air yang disediakan terantung pada jumlah penduduk yang dilayani. Ada beberapa metoda untuk menyelesaikan perhitungan system

jaringan pipa, diantaranya adalah metode Hardy Cross. Aliran keluar dari system biasamya dianggap terjadi pada titik simpul. Metode Hardy cross ini dilakukan secara iteratif. Pada awal hitungan ditetapkan debit aliran melalui masing –masing pipa  secara sembarang. Kemudian dihitung semua debit aliran disemua pipa berdasarkan nilai awal tersebut. Prosedur hitungan diulangi lagi sampai persamaan kontinuitas disetiap titik simpul dipenuhi.

            Pada jaringan pipa harus dipenuhi persamaan kontinyunitas dan tenaga yaitu:

Hokum gesekan pipa tunggal , aliran yang masuk ketiap simpul harus sama dengan aliran yang keluar jumkah aljabar yang kelhilangan tenaga dalam satu jaringan harus sama dengan nol.

3.0.1.  Rumus kehilangan tenaga akibat gesekan                                                                                             hubungan kehilangan tenaga dan debit :  dengan teragantung pada rumus gesekan pipa yang digunakan, dan koefisien tergantung pada rumus gesekan pipa dan karakteristik pipa. Sebenarnya nikai pangkat tidak selalu konstan, kecuali bila pengaliran berada pada keadaan hidraulis kasar, yang sedapat mungkin dihindari kakan tetapi karena perbedaan kecepatan pada masing-masing pipa tidak besar, maka biasanya nilai  dianggap konstan untuk semua pipa.

ALIRAN MANTAP MELALUI SALURAN TERBUKA

3.1. Aliran Mantap Melalui Saluran Terbuka

Pada bab ini akan dibahas aliran melalui saluran terbuka. Saluran terbuka adalah saluran dimana air mengalir dengan muka air bebas. Pada semua titik disepanjang saluran adalah sama, yang biasanya adalah tekanan atmosfer.analisis saluran terbuka adalah lebih emipirs.

3.2. klasifikasi aliran

            Pada umumnya tipe lairan salra terbuka adalah turbulen karena kecepatan aliran dan kekasaran dinding relative besar.aliran melalui saluran terbuka akan turbulen apabila angka Reynolds   dalam hal ini panjang karakteristik yang ada pada angka Reynolds adalah jari-jari hidraulis, yang didefenisikan sebagai perbandingan antara luas tampang basah dan keliling basah.

3.3. Distribusi Kecepatan

            Dalam aliran saluran terbuka, distribusi kecepatan tergantung pada banyak factor sperti entuk saluran, kekasarn dinding dan juga debit aliran. Distribusi kecepatan tidak merata disetiap titk pada tampang.

MODEL DAN ANALISIS DIMENSI

3.4. Model dan Analisis Dimensi

            Beberapa masalah teknik yang berhubungan dengan aliran fluida kadan-kadang sulit dan tidak isa diselesaika secara analitis, oleh sebab itu biasanya ahli teknik sipil membuat pemodelan, pemodelan dapat berupa bangunan air, seperti irigasi, pelabuhan, pantai, air, sungai dan lain-lain, tujuannya adalah untuk mempermudah dalam menyelesaikan masalah perlu diselesikan. Dengan dibuatya model ini akan memprediksi kelakuan dan kerja dari suatu bangunan atau mesin yang akan dibuat.

3.5. sifat sebangun

            Hubungan antara model dan prototip dipengaruhi oleh hokum-hukum sifat sebangun hidrolis. Sifat sebangun ini memperhatikan beberapa aspek seperti : sebangun geomerik, kinematik dan dinamik.

3.6. Gaya-gaya pada Aliran Zat cair

            Gaya-gaya yag bekerja pada zat cair dapat berupa gaya tekanan gaya berat . Gaya kental gaya kenyal  dan gaya tegangan permukaan  resultan yang bekerja pada gaya :  dan Sehingga

3.7. Angka Tak berdimensi

            Dalam bahasan ini akan dipelajari beberapa angka tak berdimensi yang banyak digunakan dalam bidang mekanika fluida (hidraulika).

            a. Angka Euler

akar dari perbandingan antara gaya inersia dan gaya tekanan disebut angka Euler, yang ditunjukkan dalam bentuk :  Maka

            b. Angka Froude

akar dari pebandingan antara gaya inersia dan gaya berat disebut angka Froude,

c. Angka Reynolds

            perbandingan antara gaya inersia an gaya kekentalan disebut angka Reynold.

d. Angka Mach

            apabila variasi rapat massa karena perubahan tekanan adalah penting maka digunakan angka Mach untuk studi model. Untuk studi model . akardari perbandingan anatara gaya inersia dan gaya kenyal disebut angka Mach. M    Atau

e. Angka Weber

            apabila pengaruh tegangan permukaan adalah penting maka digunakan angka weber untuk studi model. Akar  antara perbandingan antara gaya inersia dan gaya tegangan permukaan disebut angka Weber.    

3.8. Studi Model

            Studi model banyak digunakan untuk mendukung perencanaan bangunan air. Ada dua tipe model yaitu model matematik dan model fisik. Model matematik dapat digunakan untuk perumusan masalah matematis, model fisik digunakan apabila fenomena fisik dapat direproduksi dengan kesamaan yang cukup dapat memperkecil dimensi bangunan yang sesungguhnya.kedua tipe tersebut digunakan untuk menyelesaikan dua permsalahan yang berbeda. Dan diperlukan pemilihan tipe model yang akan digunakan dengan tepat.

PENUTUP

Hidrolika merupakan salah satu topik dalam ilmu terapan dan keteknikan yang berurusan  dengan sifat-sifat mekanika fluida, yang mempelajari prilaku aliran air secara mikro maupun makro

Hidrolika mempelajari berbagai jenis macam persoalan yang berhubungan dengan berbagai jenis kegiatan dalam kehdupan sehari-hari maupun pekerjaan ke-PUan,

 jadi hidrolika merupakan ilmu terapan yang mempelajari prilaku air yang berbeda dan berbagai macam bentuk.