Prototipe Dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan Air Berbasis Getaran Struktur.
PROTOTIPE DAN KINERJA SISTEM PENGGERAK
KENDARAAN AIR BERBASIS GETARAN STRUKTUR
ASEP ANDI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Prototipe dan Kinerja
Sistem Penggerak Kendaraan Air Berbasis Getaran Struktur adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2015
Asep Andi
NIM F151140116
RINGKASAN
ASEP ANDI. Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan Air Berbasis
Getaran Struktur. Dibimbing oleh RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN dan
WAWAN HERMAWAN.
Beberapa karakteristik fisika-mekanika hewan yang ada dimuka bumi telah
menginspirasi dalam pengembangan sistem penggerak baik di air, darat, maupun
udara. Salah satu konsep bio-mimetik yang menjadi pusat perhatian adalah sistem
pergerakan ikan di dalam air yang dapat digunakan untuk sistem penggerak
kendaraan air. Tujuan umum dari penelitian ini adalah merancang sistem
penggerak kendaraan air menggunakan getaran (resonansi) dari struktur berbentuk
plat tipis dan menguji kinerja dari sistem tersebut pada sebuah model kendaraan
air. Alat dan bahan yang digunakan terdiri dari beberapa bagian, yaitu pembuatan
sistem kelistrikan, pembuatan mekanisme sistem penggerak, pembuatan model
kendaraan air, dan perlengkapan uji kinerja. Rancangan terdiri dari dua jenis yakni
rancangan fungsional dan rancangan struktural. Fungsi dan struktur utama dari
sistem yang dibuat adalah sistem kelistrikan akan menghasilkan daya listrik DC
variabel yang stabil, mekanisme crank and rocker akan mengubah gerak rotasi
menjadi gerak bolak balik, rancangan kendaraan air yang dapat bergerak lurus ke
depan, dan instrumen untuk menampilkan putaran motor listrik dan daya listrik
yang digunakan. Pengukuran dan pengujian meliputi validasi mekanisme crank
and rocker, kalibrasi alat ukur, perhitungan luasan basah dan bobot kendaraan air,
perhitungan kecepatan maju, gaya dorong, dan putaran serta daya listrik terpakai.
Rancangan acak kelompok (RAK) dianalisis menggunakan perangkat lunak IBM
SPSS 20.0. Kendaraan air memiliki dimensi panjang, lebar, dan tinggi berturutturut 100 cm, 50 cm, dan 30 cm dengan dua jenis luasan basah yakni 0.32 m2
(bobot 12.5 kg) dan 0.57 m2 (bobot 17.5 kg).
Mekanisme crank and rocker dapat digunakan pada sistem penggerak.
Ukuran batang hubung R1, R2, R3, dan R4 dengan posisi sumbu yang tepat
berturut-turut adalah 80 mm, 20 mm, 90 mm, dan 50 mm dan sudah memenuhi
kriteria Grashof. Berdasarkan hasil simulasi, frekuensi pribadi mode ke-2 untuk
masing-masing plat berada pada putaran motor listrik 202 rpm, sedangkan
berdasarkan uji langsung nilai frekuensi pribadi yang dihasilkan plat 1, plat 2, plat
3, dan plat 4 pada kondisi luasan basah 0.32 m2 berturut-turut 313, 243, 233, dan
250 rpm. Perbedaan tersebut diakibatkan oleh kedalaman plat yang tidak sama
dengan simulasi sehingga tekanan air juga berbeda. Berdasarkan uji kinerja,
kecepatan maju kendaraan air berkisar antara 0.07 – 0.38 m/s, gaya dorong yang
dihasilkan masing-masing plat berkisar antara 0.01 – 0.19 N/kg bobot kendaraan
air, konsumsi daya listrik yang digunakan berkisar antara 1.75 – 75.13 watt, daya
mekanis yang dihasilkan berkisar antara 0.02 – 0.90 watt, dan efisiensi daya
mekanis berkisar antara 0.35 – 5.21 %. Nilai efisiensi tertinggi dihasilkan pada
sistem penggerak plat 1 (panjang 500 mm, lebar 30 mm, dan tebal 1 mm) untuk
kedua kondisi luasan basah kendaraan air dan secara umum memiliki nilai rataan
tiap parameter yang berbeda nyata dengan plat 4 (panjang 500 mm, lebar 60 mm,
dan tebal 1 mm).
Kata kunci: getaran struktur, gaya dorong, kendaraan air, efisiensi daya
SUMMARY
ASEP ANDI. Prototype and Performance of Water Propulsion System Based on
Structural Vibration. Supervised by RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN and
WAWAN HERMAWAN.
Some physical and mechanical characteristics of animal have inspired the
design of ground, water, and sky propulsion system. One of the most attentive
biomimetic concepts is a movement system of fish in the water which can be used
for water propulsion system. The general objectives of this research were to
design a water vessel propulsion system using vibration (resonance) of a thin
cantilever beam and to examine the performance of the system on a water vessel
model. Some instruments and materials used were composed of several sections,
namely the manufacture of electrical system, propulsion mechanism, water vessel
model, and performance test equipment. Research design was divided into two
kind i.e. functional design and structural design. The main structure and its
function were electrical system which can generate variable stabilized DC power,
crank and rocker mechanism which can change rotational motion into a back and
forth motion (oscillation), water vessel model which can move straightforward,
and measuring instrument which can visualize the rotation of electric motor and
electrical power being used. Measurement and testing included a validation of
crank and rocker mechanism, calibration of measuring instruments, calculation of
wetted area and weight of water vessel, calculation of forward speed, thrust, and
rotation of electric motor as well as the electric power. Group randomized
experiment was further analyzed using the IBM SPSS 20.0 software. Water vessel
model had dimensions of length, width, and height of 100 cm, 50 cm, and 30 cm
respectively and also with two kinds of wetted area i.e. 0.32 m2 (12.5 kg weight)
and 0.57 m2 (17.5 kg weight).
Crank and rocker mechanism could be used on the propulsion system. The
dimensions of R1, R2, R3, and R4 with an appropriate parallel axis position in a
row were 80 mm, 20 mm, 90 mm, and 50 mm respectively and it met the criteria
of Grashof. Based on simulation result, the second mode of natural frequency for
each thin cantilever beam was about 202 rpm, while the direct test result was
different for each thin cantilever beam. These are 313, 243, 233, and 250 rpm
respectively. It might be caused by the depth of the thin cantilever beam when
immersed in the water so the pressure was different as well. Based on
performance test result, the forward speed of the water vessel ranged from 0.07 –
0.38 m/s, the thrust generated ranged from 0.01 – 0.19 N/kg weight of water
vessel, electric power consumption used ranges between 1.75 – 75.13 watt,
mechanical power was in range of 0.02 – 0.90 watt, and the mechanical power
efficiency was about 0.35 – 5.21 %. The highest value of power efficiency
generated on the first thin cantilever beam (500 mm length, 30 mm width, and
1 mm thickness) for two wetted area conditions and each parameter had been a
marked difference with fourth thin cantilever beam (500 mm length, 60 mm width,
and 1 mm thickness).
Keywords: structural vibration, thrust, water vessel, power efficiency
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PROTOTIPE DAN KINERJA SISTEM PENGGERAK
KENDARAAN AIR BERBASIS GETARAN STRUKTUR
ASEP ANDI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr Ir I Dewa Made Subrata, MAgr
Judul Tesis
Nama
NIM
: Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan Air
Berbasis Getaran Struktur
: Asep Andi
: F151140116
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Radite PA Setiawan, MAgr
Ketua
Dr Ir Wawan Hermawan, MS
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan
Pangan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Y Aris Purwanto, MSc
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 12 Oktober 2015
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2015 ini ialah
rancang bangun, dengan judul Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan
Air Berbasis Getaran Struktur.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Radite Praeko Agus
Setiawan, MAgr dan Bapak Dr Ir Wawan Hermawan, MS selaku komisi
pembimbing, serta Bapak Bandi yang telah banyak memberi saran. Terima kasih
juga penulis sampaikan kepada Bapak Dr Ir I Dewa Made Subrata, MAgr sebagai
penguji dari luar komisi pembimbing dan DIRJEN DIKTI yang telah memberikan
beasiswa Fresh Graduate kepada penulis selama masa studi. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada teman-teman Laboratorium Mekatronika
dan Laboratorium Manufaktur yang telah membantu dalam perancangan dan
pengambilan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Oktober 2015
Asep Andi
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xii
DAFTAR GAMBAR
xii
DAFTAR LAMPIRAN
xii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip Pergerakan Ikan
Getaran dan Frekuensi Pribadi
Prinsip Dasar Sistem Penggerak Kendaraan Air
Mekanisme Empat Batang Hubung
3
3
5
6
9
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Pendekatan Rancangan
Prosedur Pengukuran dan Pengujian
Prosedur Analisis Data
10
10
10
12
17
19
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Mekanisme Crank and Rocker
Karakteristik Plat dan Model Kendaraan Air
Kalibrasi Alat Ukur Putaran dan Daya Listrik
Kecepatan Maju Kendaraan Air
Gaya Dorong Kendaraan Air
Konsumsi Daya Listrik
Daya Mekanis Kendaraan Air
Stabilitas Kendaraan Air
Hubungan Antar Parameter
22
22
24
26
27
29
31
32
34
35
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
39
39
40
DAFTAR PUSTAKA
40
LAMPIRAN
43
RIWAYAT HIDUP
52
DAFTAR TABEL
1 Nilai koreksi k untuk menghitung sudut yang dihasilkan
2 Frekuensi pribadi mode ke-2 dan maximum double-displacement masingmasing plat
3 Rataan nilai efisiensi hull, mekanisme, dan sistem penggerak untuk setiap
plat
4 Hasil uji lanjut Duncan pengaruh perlakuan plat antar parameter pada
luasan basah 0.32 m2
5 Hasil uji lanjut Duncan pengaruh perlakuan plat antar parameter pada
luasan basah 0.57 m2
6 Perhitungan konsumsi daya secara teoritis dengan acuan kapal tanker 600
TEU
14
25
36
37
38
39
DAFTAR GAMBAR
1 Gaya-gaya yang bekerja (a) dan pola gerakan yang mempengaruhi
stabilitas hidrodinamis (b) pada pergerakan ikan (Lane 1998)
2 Pergerakan ikan jenis body and/or caudal fin (a) dan jenis median and/or
paired fin (b) dengan gerak undulatory (bergelombang) dan oscillatory
(bolak-balik) pada berbagai jenis ikan (Lane 1998)
3 Karakteristik setiap mode frekuensi pada struktur dan persamaannya
(Kelly 2012)
4 Grafik magnification factor (MF) terhadap rasio frekuensi ( o/ n) untuk
berbagai nilai faktor peredaman (c/cc) (Hibbeler 2010)
5 Kendaraan air dengan bantuan air statis yang memiliki lebih dari satu
lambung (multi hull)
6 Garis beban Plimsoll mark yang dikembangkan sesuai dengan
kesepakatan international maritime organisation (MAN Diesel & Turbo
2011)
7 Ukuran lambung kendaraan air (MAN Diesel & Turbo 2011)
8 Gaya dorong kendaraan air dan resistansinya pada kecepatan tertentu
(MAN Diesel & Turbo 2011)
9 Mekanisme Crank and Rocker (Martin 1982)
10 Power supply 30 V/25 A variabel
11 Motor listrik DC Shinano Kenshi tipe DCG-5216-038
12 Kayu bahan pembuatan model kendaraan air
13 Digital dual display VA DC 100 V/ 10 A
14 Mikrokontroler arduino uno dan LCD 16 x 2 (a) dan sensor opto-coupler
(b)
15 Rangkaian power supply variable 30 V/25 A
16 Batang hubung, garis bantu, dan sudut-sudut pada mekanisme crank and
rocker
17 Rancangan mekanisme crank and rocker untuk sistem penggerak
18 Rancangan rumah sistem penggerak
19 Rancangan plat struktur yang terbuat dari stainless steel
20 Rancangan model fisik kendaraan air dengan jenis multi hull
3
4
5
6
7
7
8
9
9
10
11
11
12
12
13
14
15
15
16
16
21 Rancangan rangka penyangga motor dan sistem penggerak
22 Pengukuran kecepatan maju kendaraan air
23 Pengukuran gaya tarik kendaraan air
24 Bagan alir penelitian
25 Hasil simulasi mekanisme crank and rocker pada Microsoft Excel
26 Grafik sudut input terhadap sudut output yang dipilih pada rancangan
mekanisme crank and rocker
27 Model fisik mekanisme crank and rocker
28 Jenis plat stainless steel dengan ukuran yang berbeda
29 Simulasi frekuensi pribadi dan double-displacement pada plat 1 (a), plat
2 (b), plat 3 (c), dan plat 4 (d)
30 Model fisik kendaraan air tipe multi hull
31 Proses kalibrasi sensor opto-coupler penghitung putaran motor listrik
32 Hasil kalibrasi putaran pada LCD dan menggunakan Tachometer
33 Kecepatan maju kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
34 Kecepatan maju kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
35 Gaya dorong kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
36 Gaya dorong kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
37 Konsumsi daya listrik kendaraan air untuk masing-masing putaran pada
luasan basah 0.32 m2
38 Konsumsi daya listrik kendaraan air untuk masing-masing putaran pada
luasan basah 0.57 m2
39 Daya mekanis kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
40 Daya mekanis kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
41 Simulasi karakteristik titik stabilitas kendaraan air (Sahlan et al. 2012)
42 Kondisi kendaraan air yang stabil pada perairan yang tenang
43 Efisiensi daya untuk masing-masing plat dengan luasan basah 0.32 m2
44 Efisiensi daya untuk masing-masing plat dengan luasan basah 0.57 m2
45 Daya propulsi yang dibutuhkan oleh kapal tanker 600 TEU pada
kecepatan yang berbeda (MAN Diesel & Turbo 2011)
17
18
18
21
22
23
23
24
25
26
26
27
28
29
30
31
31
32
33
33
34
35
36
37
38
DAFTAR LAMPIRAN
1 Rancangan dimensi kendaraan air dan dua jenis luasan basahnya
2 Rancangan sistem penggerak
3 Kode program alat pengukur putaran (RPM) motor listrik menggunakan
arduino uno
4 Simulasi mekanisme crank and rocker menggunakan menu Visual Basic
pada Microsoft Excel
5 Hasil analisis uji normalitas dan beda nyata menggunakan software SPSS
20.0
44
45
46
48
49
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Beberapa karakteristik fisika-mekanika hewan yang ada dimuka bumi telah
menginspirasi dalam pengembangan sistem penggerak baik di air, darat, maupun
udara. Konsep meniru dari makhluk hidup (biomimetic) tersebut sudah dilakukan
oleh para peneliti dalam pengaplikasian jenis pesawat terbang, kapal laut, mobil,
dan robot yang memiliki keperluan spesifik. Salah satu sistem yang menjadi pusat
perhatian adalah sistem pergerakan ikan di dalam air. Ikan bergerak dengan
melawan kerapatan air yang lebih besar dibandingkan udara dengan bentuk
tubuhnya yang hidrodinamis sehingga memungkinkan ikan bergerak dengan cepat
di dalam air. Ikan bergerak dengan menggetarkan bagian tubuhnya terutama
bagian ekor dengan dibantu oleh pergerakan sirip-sirip yang menghasilkan gaya
dorong ke depan. Sistem alamiah tersebut dapat ditiru dan digantikan oleh sistem
buatan dengan beberapa keterbatasan.
Jika suatu material pada sistem yang memiliki massa dan elastisitas bergetar
baik dari sistem itu sendiri (getaran bebas) maupun dari gaya luar (getaran paksa)
maka material tersebut akan mencapai amplitudo paling tinggi pada frekuensi
pribadinya (natural frequency). Getaran bebas akan bergetar pada satu atau lebih
mode frekuensi pribadi yang dihasilkan sedangkan getaran paksa dengan eksitasi
osilasi akan menghasilkan frekuensi gaya eksitasinya. Ketika gaya eksitasi
tersebut bersamaan dengan frekuensi pribadi dari material maka resonansi akan
terjadi (Mustafa 2011).
Secara teoritis, kendaraan air memiliki kesamaan konsep mekanik dengan
ikan dalam pengembangan sistem penggerak dimana gaya dorong yang dihasilkan
harus lebih besar dari resistansi yang terjadi pada saat menerobos air. Meski
demikian, kendaraan air saat ini terutama di Indonesia masih menggunakan sistem
penggerak berupa propeller tipe kipas yang secara fisik berbeda dengan sistem
penggerak pada ikan. Dalam hal ini, masih terbuka kemungkinan pengembangan
sistem penggerak lain yang memiliki keunggulan lebih dibandingkan dengan
sistem penggerak yang ada saat ini.
Andi et al. (2015) melakukan simulasi pada plat tipis yang terbuat dari
stainless steel untuk memprediksikan gaya dorong yang dihasilkan pada sebuah
model kendaraan air. Sebuah plat tipis dengan ukuran panjang, lebar, dan tebal
berturut-turut 500 mm, 30 mm, dan 1 mm memiliki frekuensi pribadi sebesar 4.96
rad/s pada mode pertama dan mampu menghasilkan gaya dorong sebesar 0.99 N
serta menggerakkan model kendaraan air yang memiliki luasan basah 0.72 m2.
Dalam penelitian ini akan dirancang sebuah sistem penggerak menggunakan
getaran (resonansi) dari sebuah plat tipis yang bergetar di dalam air. Plat tipis
yang beresonansi di dalam air akan meminimalkan turbulensi yang terjadi di
dalam air dibandingkan saat menggunakan propeller tipe kipas. Dalam sistem ini,
sebuah motor listrik dihubungkan menggunakan suatu mekanisme sehingga
membentuk gerak bolak-balik (osilasi) dan plat akan bergetar. Penggunaan motor
listrik sangat mungkin dilakukan sesuai dengan arah maju teknologi yang
menyatakan bahwa energi listrik akan menjadi energi paling bersih dan melimpah
ketersediaannya di alam dengan berbagai bentuk konversi energi yang ada.
2
Perumusan Masalah
Salah satu bagian utama dari kendaraan air adalah sistem penggerak atau
propulsi. Sistem penggerak tersebut berfungsi untuk memberikan aksi pada
kendaraan air berupa tenaga mekanik untuk menggerakkan kendaraan air ke
depan dan sistem maneuvering yang lain. Ketika suatu material logam tipis
digetarkan secara paksa maka osilasi akan terjadi dan menghasilkan frekuensi
gaya eksitasinya. Jika frekuensi gaya eksitasi tersebut bersamaan dengan
frekuensi pribadinya maka resonansi akan terjadi. Material yang beresonansi akan
menggunakan energi yang minimum dengan amplitudo (defleksi) yang
maksimum. Ketika suatu material bergetar (beresonansi) di dalam air sebagai
penggerak kendaraan air maka gaya eksitasinya akan disalurkan ke sekelilingnya
dan menghasilkan gaya dorong ke depan bagi kendaraan air serta energi yang
digunakan diduga akan menjadi minimum.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah merancang sistem penggerak
kendaraan air menggunakan getaran (resonansi) dari struktur berbentuk plat tipis
dan menguji kinerja dari sistem tersebut pada sebuah model kendaraan air.
Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah menentukan mekanisme dan
dimensi penghasil getaran pada plat struktur, menentukan putaran motor listrik
yang optimum dalam menghasilkan frekuensi pribadi dari struktur yang bergetar
di dalam air, menghitung kecepatan maju, gaya dorong, konsumsi daya listrik,
daya mekanis, dan efisiensi pada kendaraan air.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat menjadi tambahan khazanah ilmu
pengetahuan dalam pengembangan ilmu dan teknologi perairan di Indonesia yang
memiliki daerah perairan yang sangat luas. Selain itu, hasil penelitian ini dapat
dijadikan sebagai acuan dasar bagi pada developer untuk menciptakan kendaraan
air dengan sistem penggerak baru yang unik dan ramah lingkungan serta
diharapkan mampu menghemat energi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian pendahuluan telah dilakukan dalam melakukan simulasi dan
analisis numerik dalam menentukan dimensi dan jenis plat struktur yang
digunakan, penentuan dimensi model kendaraan air, perhitungan gaya dorong
kendaraan air, perhitungan resistansi badan kendaraan air, perhitungan kecepatan
kendaraan air, dan perhitungan energi kinetik vibrasi dan translasi dari kendaraan
air. Pada penelitian ini, sistem penggerak dan kendaraan air dibuat dengan
mengacu pada hasil simulasi dengan beberapa penyesuaian. Kemudian kinerja
dari sistem tersebut akan diuji pada sebuah kendaraan air dengan beberapa kondisi
batasan seperti pengujian dilakukan pada air yang tenang (dead-water), sistem
manuveuring masih terbatas pada arah maju ke depan, dan resistansi yang terjadi
masih difokuskan pada air di sekeliling badan kendaraan air.
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip Pergerakan Ikan
Ikan bergerak di dalam air dengan melawan densitas air yang mencapai 800
kali lipat densitas udara. Pergerakan ikan di dalam air merupakan transfer
momentum dari badan ikan ke air di sekelilingnya. Mekanisme yang paling utama
dari transfer momentum tersebut adalah gaya tarik (drag), gaya angkat (lift), dan
percepatan gaya reaksi. Menurut David M Lane et al. (1998), gaya tarik yang
terjadi pada saat ikan berenang dipengaruhi oleh beberapa komponen, yaitu
gesekan antara bagian kulit dengan air di sekelilingnya, tekanan yang terbentuk
saat menerobos air, dan energi yang hilang dari ekor dan sirip dalam
menghasilkan gaya angkat dan daya dorong. Gaya tarik dan gaya angkat
dipengaruhi oleh viskositas dan aliran yang asimetris. Gaya angkat kemudian
digunakan pada objek dengan arah gerak yang tegak lurus dari arah gerak aliran.
Kemudian percepatan gaya reaksi merupakan gaya inersia yang dihasilkan oleh
resistansi badan ikan terhadap air di sekelilingnya atau tambahan ketika kecepatan
secara relatif berubah. Stabilitas hidrodinamis dan arah pergerakan ikan bisa juga
ditentukan oleh gerakan atas bawah (pitch), gerakan menggulung (roll), dan
gerakan menyimpang (yaw). Gaya-gaya yang bekerja dan pola gerakan yang
mempengaruhi stabilitas pada pergerakan ikan dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Gaya-gaya yang bekerja (a) dan pola gerakan
yang mempengaruhi stabilitas hidrodinamis (b)
pada pergerakan ikan (Lane 1998)
Ikan menggunakan ekor sebagai alat pergerakan utama. Untuk beberapa
jenis ikan, pergerakan ekor tersebut ada yang membentuk gelombang dan ada pula
yang membentuk gerakan bolak-balik. Selain ekor, sirip ikan juga memiliki
peranan dalam pergerakan ikan. Webb (1998) mendefinisikan pergerakan ikan
menjadi dua jenis, yaitu body and/or caudal fin (BCF) dan median and/or paired
4
fin (MPF). Ikan jenis BCF bergerak dengan menggetarkan badan dan ekornya,
sedangkan ikan jenis MPF bergerak dengan menggetarkan sirip-sirip bagian atas,
bawah, dan samping untuk menghasilkan gaya dorong ke depan. Kedua tipe jenis
gerak ikan tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Pergerakan ikan jenis body and/or caudal fin (a) dan jenis median
and/or paired fin (b) dengan gerak undulatory (bergelombang) dan
oscillatory (bolak-balik) pada berbagai jenis ikan (Lane 1998)
Liu et al. (1999) menyatakan bahwa beberapa jenis hewan air bergerak di
dalam air dengan menghasilkan bilangan Reynold di sekelilingnya sebesar 102
untuk larva kecebong dan 108 untuk cetacean yang paling cepat. Selain bilangan
Reynold, kecepatan gerak ikan di dalam air dapat ditentukan dengan nilai
bilangan Strouhal (St) dari gerak ikan tersebut. Bilangan Strouhal merupakan
fungsi dari frekuensi getaran, amplitudo maksimum, dan kecepatan gerak ikan.
Semakin besar nilai bilangan Strouhal-nya maka semakin lambat gerak ikan
tersebut. Bilangan Strouhal untuk larva kecebong sampai cetacean berkisar antara
0.1 < St < 0.8. Christophe Eloy (2012) melakukan optimasi bilangan Strouhal
dengan pengklasifikasian beberapa jenis hewan air berdasarkan dimensi dan
bilangan Strouhal-nya. Berdasarkan data yang diambil dari berbagai sumber
tersebut, bilangan Strouhal yang optimum berada pada 0.25 < St < 0.35 dengan
bilangan Lighthill kurang dari 0.1.
Selain pergerakan ekor ke kiri dan ke kanan dari titik kesetimbangan, hewan
air lainnya bergerak dengan arah vertikal ke atas dan ke bawah seperti ikan paus.
Antonio M Calderon (2011) melakukan penelitian tentang propeller
menggunakan bahan rigid yang bergerak vertikal. Dalam penelitiannya,
mekanisme slider (sinusoidal multiplier) digunakan untuk mengubah putaran
motor menjadi gerak naik turun dengan menggunakan dua crank, yaitu pitch
(rapatan dan renggangan) dan heave (tarikan dan dorongan). Gaya yang dihasilkan
dari sistem tersebut sebesar 20 lb berbeda dengan hasil simulasi yakni sebesar
32.4 lb pada kecepatan 1.3 m/s. Semakin tinggi frekuensi osilasi tersebut maka
semakin tinggi pula gaya dorong yang dihasilkan.
5
Getaran dan Frekuensi Pribadi
Getaran merupakan gerak bolak-balik dari sebuah sistem struktur atau
mekanik disekitar titik kesetimbangannya. Getaran diklasifikasikan menjadi
getaran bebas atau getaran paksa, getaran teredam atau getaran tak teredam,
getaran linear atau getaran non-linear, getaran kontinyu atau diskrit, dan getaran
deterministik atau acak. Getaran bebas merupakan gerak bolak-balik disekitar titik
kesetimbangan yang terjadi tanpa adanya gaya eksitasi dari luar, sedangkan
getaran paksa terjadi dengan adanya gaya eksitasi dari luar. Jika gaya luar terjadi
secara periodik maka getaran disebut harmonik. Sebaliknya, jika gaya luar terjadi
tidak secara periodik maka dikatakan transien. Jika gaya masukan terjadi secara
stokastik maka getaran tersebut dinamakan random atau acak. Getaran dikatakan
teredam jika ada unsur atau sumber penghilangan getaran, sedangkan tak teredam
jika sebaliknya. Getaran linear dan non-linear dikaitkan dengan asumsi bahwa
persamaan diferensial yang dibuat mengacu pada aturan kedua jenis tersebut.
Frekuensi pribadi merupakan frekuensi dimana sistem akan bergerak bolakbalik dengan tanpa diakibatkan oleh gaya luar yang signifikan. Pada frekuensi
pribadi pula energi kinetik dan potensial yang terjadi menjadi maksimum. Sebagai
contoh pada gerak pendulum, gaya gravitasi menjadi pertimbangan yang melekat
pada sistem tanpa ada gaya lain yang bekerja pada sistem (Widnall 2009).
Kelly (2012) menyatakan persamaan getaran dalam menentukan frekuensi
pribadi mode pertama (ω1), kedua (ω2), dan ketiga (ω3) dari sebuah struktur
dengan persamaan seperti pada Gambar 3.
1 (1.875) 2
EI
mL3
2 (4.694) 2
EI
mL3
3 (7.855) 2
EI
mL3
Gambar 3 Karakteristik setiap mode frekuensi pada struktur
dan persamaannya (Kelly 2012)
dimana, E merupakan modulus elastisitas (N/m2), I merupakan momen inersia
(m4), m merupakan massa (kg), dan L merupakan panjang dari plat struktur (m).
Breads (1996) menyatakan bahwa frekuensi pribadi (natural frequency)
dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan mengubah dua faktor yang sangat
berpengaruh, yaitu massa (m) dan kekakuan (k) dari struktur yang bergetar.
Sebagai contoh, struktur dengan massa m dan kekakuan k memiliki rasio
frekuensi sebesar satu. Ketika massa struktur diturunkan menjadi satu per empat
massa semula dan kekakuan ditingkatkan menjadi empat kali semula maka rasio
6
frekuensi akan bergeser menjadi dua. Hal tersebut jelas bahwa respon dinamis
pada frekuensi yang berbeda akan sangat berbeda dalam penentuan frekuensi
pribadi sebuah struktur yang bergetar.
Hibbeler (2010) menghubungkan nilai magnification factor (MF) atau setara
dengan amplitudo dengan rasio frekuensi yang hasilnya menunjukkan bahwa nilai
MF akan meningkat ketika faktor peredaman menurun. Resonansi terjadi hanya
saat faktor peredaman nol dan rasio frekuensi setara dengan satu (Gambar 4).
Gambar 4 Grafik magnification factor (MF) terhadap rasio
frekuensi ( o/ n) untuk berbagai nilai faktor
peredaman (c/cc) (Hibbeler 2010)
Frekuensi pribadi memiliki kelebihan dan kekurangan dalam aplikasinya.
Misalnya pada kondisi runtuhnya bangunan atau jembatan yang terjadi pada
frekuensi pribadi dari struktur pembentuknya sehingga dengan energi masukan
yang kecil akan menghasilkan amplitudo yang tinggi sehingga merusak struktur
tersebut. Meskipun demikian, tidak mustahil jika kekurangan tersebut digunakan
menjadi kelebihan dengan pemanfaatan sifat resonansi pada struktur yang bergetar
pada frekuensi pribadinya dalam meminimalkan energi yang digunakan ketika
mendekati nilai frekuensi pribadinya.
Prinsip Dasar Sistem Penggerak Kendaraan Air
Jenis dan Bentuk Lambung (Hull) Kendaraan Air
Kendaraan air yang sudah dikembangkan saat ini memiliki jenis yang
disesuaikan dengan peruntukannya. Jenis-jenis kendaraan air tersebut diantaranya
adalah pengangkut minyak (tanker), muatan curah (bulk carrier), kapal peti
kemas (container ship), kapal barang (general cargo ship), perahu layar (reefer),
kapal penumpang (passanger ship), dan kapal ikan (fishing craft). Harvald (1983)
mengklasifikasikan kendaraan air berdasarkan prinsip kerjanya ketika di
permukaan atau di bawah permukaan air. Secara garis besar jenis kendaraan air
tersebut dibagi menjadi tiga bagian, yaitu dengan bantuan udara statis (aerostatic
support), dengan bantuan air dinamis (hydrodynamic support - Bernoulli), dan
dengan bantuan air statis (hydrostatic support - Archimedes). Kendaraan air
dengan bantuan udara statis bisa menggunakan prinsip gelembung atau bantalan
7
angin. Kendaraan air dengan bantuan air dinamis bisa menggunakan prinsip
hydrofoil permukaan atau tenggelam. Kendaraan air dengan bantuan air statis bisa
menggunakan prinsip gaya angkat konvensional (satu lambung) atau lebih dari
satu lambung (Gambar 5).
Gambar 5 Kendaraan air dengan bantuan air statis yang
memiliki lebih dari satu lambung (multi hull)
Meskipun demikian, bentuk dan ukuran dari kendaraan air tersebut dapat
berbeda-beda sehingga perhitungan yang digunakan akan menjadi berbeda.
Parameter-parameter yang mempengaruhi perhitungan tersebut diantaranya luasan
basah, bobot kosong atau muatan, resistansi, dan lain-lain. Seperti yang dijelaskan
oleh MAN Diesel & Turbo (2011) bahwa ada batasan-batasan garis beban yang
diperbolehkan atau yang sering dikenal dengan Plimsoll mark seiring dengan
kesepakatan yang dibuat oleh IMO (International Maritime Organisation) seperti
yang ditunjukkan oleh Gambar 6.
Gambar 6 Garis beban Plimsoll mark yang dikembangkan
sesuai dengan kesepakatan international
maritime organisation (MAN Diesel & Turbo
2011)
Resistansi Kendaraan Air
Penentuan perhitungan luasan basah untuk menentukan resistansi kendaraan
air tidak terlepas dari garis-garis batas pada bagian lambung kendaraan air seperti
ditunjukkan pada Gambar 7.
8
Gambar 7 Ukuran lambung kendaraan air (MAN Diesel &
Turbo 2011)
Panjang keseluruhan kendaraan air LOA tidak dimasukkan kedalam
perhitungan resistansi kendaraan air. Faktor yang dimasukkan sebagai garis muka
air adalah LWL dan bisa juga menggunakan LPP, dimana LPP setara dengan 0.97
kali dari LWL.
MAN Diesel & Turbo (2011) menjelaskan bahwa resistansi kendaraan air
dapat dibagi menjadi tiga kelompok utama, yaitu resistansi karena gesekan air,
resistansi karena residual, dan resistansi karena angin. Pada kecepatan rendah,
resistansi karena gesekan air memberikan pengaruh sebesar 70 – 90 % dan pada
kecepatan tinggi kurang dari 40 %. Resistansi karena residual misalnya
gelombang memberikan pengaruh 8 – 25 % pada kecepatan rendah dan 40 – 60 %
pada kecepatan tinggi. Kemudian resistansi karena udara hanya memberikan
pengaruh sekitar 2 % dari total resistansi pada kendaraan air. Secara keseluruhan
resistansi kendaraan air merupakan gabungan dari ketiga jenis resistansi tersebut.
Meski demikian, tidak sedikit resistansi karena gesekan air menjadi satu-satunya
faktor yang dimasukkan kedalam perhitungan, sedangkan yang lainnya
diasumsikan tidak berpengaruh nyata.
Gaya Dorong Kendaraan Air
Secara umum kendaraan air yang bergerak pada permukaan air dengan
kecepatan tertentu akan mengalami gaya hambat (resistance) yang berlawanan
dengan arah gerak kendaraan air tersebut (Gambar 8). Besarnya gaya hambat
tersebut harus bisa diatasi dengan gaya dorong (thrust) yang dihasilkan dari kerja
alat gerak kendaraan air atau propulsor (Adji 2005).
Gaya dorong (T) yang diperlukan untuk mendorong sebuah kendaraan air
pada kecepatan (v) tertentu akan lebih besar daripada tahanan total (R T) yang
dialami oleh kendaraan air bila ditarik dengan kecepatan yang sama (v), sehingga
terjadi penambahan (augment) hambatan (Hadi et al. 2008).
9
Gambar 8 Gaya dorong kendaraan air dan resistansinya pada
kecepatan tertentu (MAN Diesel & Turbo 2011)
Pada kenyataannya, gaya dorong sebesar T akan mendapatkan gaya hambat
sebesar RT yang harus diatasi. Sehingga gaya dorong yang dibutuhkan harus
mengetahui gaya deduksinya. Nilai tersebut berbeda-beda dan dipengaruhi oleh
faktor dimensi dari kendaraan air yang dikehendaki.
Mekanisme Empat Batang Hubung
Menurut Sutikno et al. (2011), mekanisme adalah bagian dari permesinan
yang tersusun dari batang hubung (link) yang bisa bergerak satu terhadap yang
lain membentuk rancang bangun sebagai bagian dari permesinan. Mekanisme
dirancang untuk mentransformasi gerak, kecepatan, dan gaya untuk keperluan
tertentu. Mekanisme empat batang hubung tersusun dari empat batang hubung
sedemikian rupa sehingga menghasilkan derajat ketidaktentuan kinematik (degree
of freedom of motion) tertentu yang dalam hal ini harus bernilai satu.
Mekanisme empat batang hubung memiliki peraturan yang biasa dikenal
dengan Hukum Grashof yang menyatakan bahwa untuk mekanisme empat batang
hubung, jumlah dari batang hubung terpendek dan terpanjang tidak boleh melebihi
jumlah dari panjang dua batang hubung yang lainnya. Jika kondisi tersebut dapat
dipenuhi maka setidaknya satu batang hubung akan berputar 360 derajat. Salah
satu mekanisme empat batang hubung yang memenuhi kriteria tersebut adalah
mekanisme Crank and Rocker. Mekanisme tersebut memiliki batang hubung
masukan yang berputar 360 derajat dan batang hubung keluaran yang berputar
mengayun bolak-balik (Robert L. Williams 2015).
Martin (1982) menyatakan beberapa aturan agar mekanisme Crank and
Rocker seperti pada Gambar 9 dapat bekerja dengan baik, yaitu sebagai berikut:
Gambar 9 Mekanisme Crank and Rocker (Martin 1982)
�2 +
�2 +
+ �4 > �2 �4 ; �2 + �2 �4 + �4 >
;
− �4 < �2 �4 ;
− �2 + �4 > �2 �4.
10
dimana O2B merupakan batang hubung pertama, BC merupakan batang hubung
kedua, O4C merupakan batang hubung ketiga, dan O2O4 merupakan jarak antara
kedua titik kontak.
Berdasarkan hasil penelitian Sutikno et al. (2011) dapat diketahui bahwa
untuk variabel kontrol masukan (input) pada batang hubung pertama (O2B) , laju
peningkatan sudut keluaran (output) batang hubung ketiga (O4C) semakin cepat
bertambah besar dibandingkan dengan variasi variabel kontrol di batang hubung
kedua (BC) dan jarak antara dua titik kontak (O2O4). Variasi penambahan batang
hubung pertama selalu menghasilkan sebuah domain kerja sudut masukan dan
sudut keluaran pada mekanisme Crank and Rocker.
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan selama 6 bulan dari Februari – Juli 2015. Proses
pabrikasi model dilakukan di Bengkel Laboratorium Lapangan Siswadhi Soeparjo
dan Laboratorium Mekatronika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB.
Proses uji fungsional dan uji kinerja dilakukan di danau Pusat Penelitian
Lingkungan Hidup (PPLH) IPB.
Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa
bagian, yaitu pembuatan sistem kelistrikan, pembuatan mekanisme sistem
penggerak, pembuatan model kendaraan air, dan perlengkapan uji kinerja.
Pembuatan Sistem Kelistrikan
Sumber listrik yang digunakan adalah jenis accumulator kering DC (12 V5Ah/10 hr) tipe GTZ-55/YTX4L-BS sebanyak dua buah yang dirangkai secara
seri. Sumber listrik tersebut akan dialirkan melalui power supply 30 V/ 25 A
variabel (Gambar 10) untuk menghidupkan motor listrik DC, sistem pengukur
daya listrik, mikrokontroler arduino, LCD, dan sensor optocoupler. Kabel yang
digunakan terdiri dari dua jenis, yaitu kabel jenis rambut dan kabel jenis kawat.
Untuk mencegah korsleting listrik, sebuah sikring atau fuse dirangkai dengan
dioda sebelum arus listrik masuk ke beban.
Gambar 10 Power supply 30 V/25 A variabel
11
Pembuatan Mekanisme Sistem Penggerak
Motor listrik yang digunakan adalah motor listrik DC Shinano Kenshi
(DCG-5216-038) 24 V dengan rpm keluaran maksimum 670 rpm (Gambar 11).
Putaran motor listrik tersebut akan diubah menjadi gerak bolak-balik dengan
mekanisme crank and rocker. Crank atau batang hubung yang digunakan adalah
besi strip dengan lebar 2 cm dan tebal 2 mm. Titik hubung menggunakan baut dan
mur tanpa alur pada titik hubungnya. Poros yang digunakan adalah besi silinder
pejal berdiameter 1 cm dengan bearing jenis bola ukuran diameter luar 3.5 cm dan
dalam 1 cm. Plat tipis yang akan digetarkan terbuat dari bahan stainless steel
dengan ketebalan 1 mm yang dirangkai menggunakan baut dan mur ukuran 5 mm.
Gambar 11 Motor listrik DC Shinano Kenshi tipe DCG5216-038
Rumah sistem penggerak terbuat dari plat stainless steel yang dikencangkan
menggunakan skrup dan ditopang oleh rangka yang terbuat dari besi siku 25 x 25
x 1 mm. Proses pemotongan, pelubangan, penyambungan, dan proses permesinan
yang lain menggunakan gergaji besi, gerinda tangan, bor duduk, las listrik, ragum,
dan alat perbengkelan lainnya.
Pembuatan Model Kendaraan Air
Model kendaraan air terbuat dari kayu jenis albasia atau sengon (Albizia
chinensis) yang memiliki densitas 0.24 – 0.49 g/cm3 (Martawijaya et al 1977)
dengan ketebalan ± 1 cm dan kayu lapis dengan ketebalan ± 0.5 cm (Gambar 12).
Proses pembuatan badan kendaraan air menggunakan mesin penghalus kayu,
gergaji kayu, bor kayu, lem kayu, dan paku besi. Kemudian proses akhir
menggunakan penghalus kayu (sirlak), dempul kayu (campuran semen putih dan
lem kayu), cat water proof, dan cat kayu.
Gambar 12 Kayu bahan pembuatan model kendaraan air
12
Perlengkapan Uji Fungsional dan Uji Kinerja
Perlengkapan alat ukur yang digunakan untuk proses perancangan dan
kalibrasi meliputi multimeter digital tipe UX-369 dan tachometer tipe DT-2234C+.
Pengukuran daya listrik yang terpakai saat pengujian menggunakan Digital Dual
Display VA DC 100 V/ 10 A (Gambar 13).
Gambar 13 Digital dual display VA DC 100 V/ 10 A
Kemudian pengukuran putaran motor listrik menggunakan sensor optocoupler yang dihubungkan pada mikrokontroler arduino uno dan ditampilkan
pada LCD 16 x 2 (Gambar 14). Nilai yang ditampilkan oleh alat ukur tersebut
direkam menggunakan kamera digital Kodak tipe Easyshare C1505.
(a)
(b)
Gambar 14 Mikrokontroler arduino uno dan LCD 16 x 2 (a)
dan sensor opto-coupler (b)
Pengukuran kecepatan maju kendaraan air menggunakan patok kayu, tali
rapia, meteran atau tapping, dan stopwatch. Kemudian pengukuran gaya tarik
menggunakan timbangan digital dan benang.
Pendekatan Rancangan
Rancangan Fungsional
Fungsi utama sistem penggerak yang dirancang adalah untuk menghasilkan
resonansi pada plat struktur yang bergetar di dalam air dan menghasilkan gaya
dorong sehingga dapat menggerakkan kendaraan air ke depan. Fungsi-fungsi
utama sistem penggerak tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Menghasilkan daya listrik DC variabel yang stabil
Muatan listrik DC dari accumulator 24 V akan masuk ke dalam power
supply sehingga keluaran tersebut dapat diatur (variabel) dengan menggunakan
potensiometer dan menjadi lebih stabil saat menerima beban. Muatan yang
keluar dari power supply tersebut berkisar antara 0 – 18 V (saat tanpa beban).
13
b. Mengatur putaran motor listrik
Putaran motor listrik dapat diubah-ubah sesuai dengan daya masukan
yang diatur menggunakan potensiometer pada power supply. Daya listrik yang
masuk berbanding lurus dengan putaran motor yang dihasilkan. Fungsi
mengubah putaran tersebut adalah untuk mencari frekuensi pribadi (natural
frequency) dari plat struktur yang digetarkan.
c. Mengubah gerak rotasi menjadi gerak mengayun bolak-balik
Gerakan rotasi dari motor listrik akan diubah menjadi gerak bolak-balik
dengan menggunakan mekanisme crank and rocker untuk menggetarkan plat
struktur melalui poros yang terhubung langsung ke plat struktur tersebut. Gerak
bolak-balik yang dihasilkan harus simetris antara gerakan ke kiri dan ke kanan
dengan sumbu kesetimbangan sejajar dengan sumbu axis kendaraan air.
Dengan demikian gerakan kendaraan air akan menjadi stabil dan bergerak ke
arah depan.
d. Menggerakkan kendaraan air lurus ke depan dan berbelok
Saat kendaraan air bergerak lurus ke depan, terkadang banyak gangguan
yang mengakibatkan kendaraan air berbelok tanpa dikehendaki. Untuk
mengatasi hal tersebut, perlu adanya penyearah pada bagian belakang yang
memastikan kendaraan air bergerak lurus ke depan. Penyearah tersebut juga
berfungsi saat kendaraan akan berbelok ke kanan atau ke kiri.
e. Menampilkan putaran motor listrik dan daya listrik yang digunakan
Putaran motor dan daya listrik yang terpakai harus dapat ditampilkan
pada LCD sehingga pengontrolan dan penentuan frekuensi pribadi dapat
dilakukan dengan mudah.
Rancangan Struktural
Secara keseluruhan, rancangan yang dibuat harus memenuhi kriteria
perancangan dengan memperhitungkan terlebih dahulu struktur pembentuknya
sebelum proses pabrikasi. Rancangan struktural terdiri dari rangkaian sistem
kelistrikan, mekanisme crank and rocker, dan model fisik kendaraan air.
Rangkaian power supply yang digunakan adalah jenis variabel yang mampu
mengubah daya masukkan sebesar 0 – 24 V listrik DC dengan potensiometer.
Rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Rangkaian power supply variable 30 V/25 A
Mekanisme crank and rocker disimulasikan terlebih dahulu pada Microsoft
Excel sebelum dilakukan pabrikasi. Pada simulasi tersebut, batang hubung
pertama dan kedua diubah-ubah untuk menghasilkan sudut keluaran yang sesuai
14
dengan fungsi yang diharapkan. Proses simulasi menggunakan menu Developer
dan Visual Basic pada Microsoft Excel. Tahapan-tahapan dalam melakukan
simulasi tersebut diawali dengan menurunkan persamaan-persamaan dari
ketidakteraturan derajat bebas gerakan. Derajat sudut input yang dihasilkan
berubah-ubah dengan step 10o secara otomatis sampai 1800o (10π). Step tersebut
bisa diubah-ubah dan akan mempengaruhi cepat lambatnya mekanisme tersebut
bergerak. Seperti yang dijelaskan dalam Sutikno et al. (2011) dan Soegihardjo
(2002) bahwa dalam membuat simulasi mekanisme tersebut dimulai dengan
menurunkan persamaan-persamaan ketidakteraturan derajat bebas dari pergerakan
batang hubungnya.
Berdasarkan hasil pembelajaran dengan Dr Ir Radite Praeko Agus Setiawan,
MAgr dalam Mata Kuliah Kinematika dan Dinamika Mesin (Setiawan 1998),
langkah pembuatan simulasi mekanisme pada Microsoft Excel dapat mengikuti
langkah-langkah berikut :
a. Batang hubung dan garis-garis bantu serta sudut-sudut yang akan berubah jika
variabel input berubah dibuat dengan memperhatikan aturan hukum Grashof
(Gambar 16).
y
θ4
θ2
x
Gambar 16 Batang hubung, garis bantu, dan sudut-sudut
pada mekanisme crank and rocker
dimana, O2O4 = R1, O2A = R2, AB = R3, dan BO4 = R4
b. Persamaan-persamaan yang akan dimasukkan kedalam fungsi Microsoft Excel
tersebut ditentukan terlebih dahulu sebagai berikut.
2
1. O4 A R22 R12 2R1 R2 cos 2
R2 sin 2
k
2. tg 1
R2 cos 2 R1
dengan nilai koreksi k mengikuti aturan seperti pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1 Nilai koreksi k untuk menghitung sudut
Kwadran
I
II
III
IV
x
+
+
y
+
+
-
Koreksi (k)
0
π
π
2π
O A2 R42 R32
3. cos 1 4
ABS [2O AR ]
4
4
4. 4
yang dihasilkan
Acos[tanda(y)] + acos[tanda (x*y)]
0+0
0+π
π+0
π+π
15
R 2 R42 (O4 A) 2
5. 4 3 cos 1 3
ABS [2 R3 R4 ]
6. 3 4 ( 4 3 )
c. Menu dan botton dibuat dengan menggunakan Visual Basic pada Microsoft
Excel dan program simulasi dimasukkan kedalam menu dan button tersebut
dengan program sebagai berikut.
Sub Button2_Click()
n = Range("AB2").Value
For i = n To 1800 Step n
Range("AB3").Select
ActiveCell.FormulaR1C1 = i
Next i
Range("AB4").Select
End Sub
d. Nilai R1, R2, R3, dan R4 dapat diubah-ubah untuk melihat respon grafik
percepatan hasil simulasinya sampai mencapai grafik yang sesuai dengan yang
diharapkan.
e. Setelah ukuran yang sesuai didapatkan, mekanisme crank and rocker tersebut
dibuat dengan memperhatikan hasil simulasi tersebut. Rancangan mekanisme
yang dibuat seperti pada Gambar 17.
Crank ketiga (R4)
Pengencang
Crank kedua (R3)
Poros motor listrik
Crank pertama (R2)
Poros ke plat struktur
Gambar 17 Rancangan mekanisme crank and rocker untuk
sistem penggerak
Motor listrik dan mekanisme tersebut akan ditempatkan pada sebuah rumah
sistem penggerak yang terbuat dari plat stainless steel dengan ukuran panjang,
lebar, dan tinggi berturut-turut 23 cm, 15 cm, dan 10 cm (Gambar 18).
Gambar 18 Rancangan rumah sistem penggerak
16
Plat struktur yang dirancang terdiri dari 4 jenis dengan panjang konstan 50
cm dan lebar yang berbeda-beda, yaitu 3 cm (plat 1), 4 cm (plat 2), 5 cm (plat 3),
dan 6 cm (plat 4). Ketebalan plat yang digunakan adalah 1 mm dengan
penambahan dua lapis plat dengan ketebalan sama pada setengah dari panjang
total untuk menjaga kekakuan plat yang bergetar (Gambar 19). Dua lapis plat
tambahan tersebut dikencangkan dengan menggunakan pengencang baut dan mur
serta ring pegas. Pemasangan plat pada sistem penggerak dapat dilihat pada
Lampiran 2.
Gambar 19 Rancangan plat struktur yang terbuat dari
stainless steel
Model fisik kendaraan air yang dibuat merupakan kendaraan air jenis multi
hull (Gambar 20). Pemilihan jenis tersebut disesuaikan dengan kebutuhan dan
untuk memudahkan pengaplikasian sistem penggerak yang dirancang. Kendaraan
air tersebut memiliki panjang 100 cm, lebar 50 cm, dan tinggi 30 cm.
Gambar 20 Rancangan model fisik kendaraan air dengan
jenis multi hull
Pembuatan model dengan bentuk simetris tersebut dilakukan agar
mempermudah dalam perhitungan luasan basah yang sebenarnya sehingga
perhitungan resistansi sebagai interaksi kendaraan air dengan sekitarnya dapat
mendekati kondisi yang sebenarnya. Untuk menahan getaran yang diakibatkan
oleh motor listrik, sebuah penyangga dibuat yang akan menjaga rumah sistem
penggerak tetap stabil (Gambar 21). Kemudian sebuah plat penyearah dibuat
sebanyak dua buah pada bagian belakang. Plat penyearah tersebut bisa digunakan
untuk membelokkan kendaraan air yang dirancang. Belok kanan dapat dilakukan
dengan membelokkan kedua plat ke arah kanan, begitu pula untuk belok kiri
dengan membelokkan kedua plat ke arah kiri secara bersamaan.
17
Gambar 21 Rancangan rangka penyangga motor dan sistem
penggerak
Prosedur Pengukuran dan Pengujian
Uji fungsional dilakukan pada prototipe sistem penggerak kendaraan air
untuk mengetahui dan memastikan bahwa setiap bagian dapat berfungsi dengan
baik. Uji fungsional tersebut meliputi uji sistem kelistrikan, uji mekanisme, uji
kalibrasi alat ukur, dan uji pergerakan kendaraan air. Setelah semua bagian dapat
bekerja dengan baik, uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kinerja atau
performansi sistem tersebut secara kuantitatif. Pengukuran dan pengujian tersebut
dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Validasi mekanisme crank and rocker
Mekanisme yang disimulasikan pada Microsoft Excel akan divalidasi
keabsahannya dengan pengukuran secara langsung sehingga mekanisme benarbenar dapat bekerja dengan baik. Validasi ini lebih ditekankan pada pergerakan
bolak-balik plat struktur ke kiri dan ke kanan yang seimbang sehingga
diharapkan dapat menyeimbangkan gerak kendaraan air saat diaplikasikan di
atas permukaan air.
b. Kalibrasi alat ukur putaran dan daya listrik
Sensor penghitung putaran atau rotary encoder akan dikalibrasi terlebih
dahulu sebelum digunakan untuk pengukuran dan pengujian. Setelah
didapatkan faktor koreksi dari hasil regresi data yang dihasilkan, faktor
tersebut dimasukkan ke dalam program dan diunduh ke dalam mikrokontroler.
Selain penghitung putaran, alat pengukur daya listrik (voltase dan ampere) juga
dikalibrasi menggunakan alat ukur yang sudah terstandar. Pengukuran putaran
motor menggunakan tachometer dan pengukuran daya listrik menggunakan
multimeter. Nilai putaran motor listrik dan daya listrik yang digunakan ini
harus dapat ditampilkan oleh LCD agar mempermudah proses analisis.
c. Perhitungan luasan basah dan bobot kendaraan air
Perhitungan luasan basah dilakukan dengan menggunakan perhitungan
geometri secara manual pada kendaraan air yang dirancang. Luasan basah
dihitung dengan dua jenis luasan basah yakni saat tanpa beban dan dengan
penambahan beban. Bentuk kendaraan air yang simetris akan mempermudah
perhitungan luasan basah tersebut secara langsung karena hanya menggunakan
persamaan luas persegi panjang dan trapesium. Kemudian untuk mengetahui
bobot kendaraan air dilakukan penimbangan saat tanpa beban dan dengan
penambahan beban. Penimbangan dilakukan dengan menggunakan alat
timbang beban digital.
18
d. Kecepatan maju kendaraan air
Kecepatan maju kendaraan air dapat dihitung dengan menghitung waktu
yang dibutuhkan kendaraan air untuk menempuh jarak 5 meter (Gambar 22).
Power supply variabel yang digunakan dapat mengatur keluaran daya listrik
yang digunakan sehingga dapat mengontrol kecepatan motor listrik sesuai
dengan yang dikehendaki. Pengaturan kecepatan motor listrik ini sangat
penting karena akan membantu proses penentuan frekuensi pribadi plat.
v (m/s)
Air
5 meter
Gambar 22 Pengukuran kecepatan maju kendaraan air
Kecepatan maju merupakan perbandingan antara jarak tempuh dengan
waktu untuk menempuh jarak tersebut. Untuk menyeimbangkan gerak
kendaraan air digunakan tali penyearah pada bagian depan kendaraan air.
Pengam
KENDARAAN AIR BERBASIS GETARAN STRUKTUR
ASEP ANDI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Prototipe dan Kinerja
Sistem Penggerak Kendaraan Air Berbasis Getaran Struktur adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2015
Asep Andi
NIM F151140116
RINGKASAN
ASEP ANDI. Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan Air Berbasis
Getaran Struktur. Dibimbing oleh RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN dan
WAWAN HERMAWAN.
Beberapa karakteristik fisika-mekanika hewan yang ada dimuka bumi telah
menginspirasi dalam pengembangan sistem penggerak baik di air, darat, maupun
udara. Salah satu konsep bio-mimetik yang menjadi pusat perhatian adalah sistem
pergerakan ikan di dalam air yang dapat digunakan untuk sistem penggerak
kendaraan air. Tujuan umum dari penelitian ini adalah merancang sistem
penggerak kendaraan air menggunakan getaran (resonansi) dari struktur berbentuk
plat tipis dan menguji kinerja dari sistem tersebut pada sebuah model kendaraan
air. Alat dan bahan yang digunakan terdiri dari beberapa bagian, yaitu pembuatan
sistem kelistrikan, pembuatan mekanisme sistem penggerak, pembuatan model
kendaraan air, dan perlengkapan uji kinerja. Rancangan terdiri dari dua jenis yakni
rancangan fungsional dan rancangan struktural. Fungsi dan struktur utama dari
sistem yang dibuat adalah sistem kelistrikan akan menghasilkan daya listrik DC
variabel yang stabil, mekanisme crank and rocker akan mengubah gerak rotasi
menjadi gerak bolak balik, rancangan kendaraan air yang dapat bergerak lurus ke
depan, dan instrumen untuk menampilkan putaran motor listrik dan daya listrik
yang digunakan. Pengukuran dan pengujian meliputi validasi mekanisme crank
and rocker, kalibrasi alat ukur, perhitungan luasan basah dan bobot kendaraan air,
perhitungan kecepatan maju, gaya dorong, dan putaran serta daya listrik terpakai.
Rancangan acak kelompok (RAK) dianalisis menggunakan perangkat lunak IBM
SPSS 20.0. Kendaraan air memiliki dimensi panjang, lebar, dan tinggi berturutturut 100 cm, 50 cm, dan 30 cm dengan dua jenis luasan basah yakni 0.32 m2
(bobot 12.5 kg) dan 0.57 m2 (bobot 17.5 kg).
Mekanisme crank and rocker dapat digunakan pada sistem penggerak.
Ukuran batang hubung R1, R2, R3, dan R4 dengan posisi sumbu yang tepat
berturut-turut adalah 80 mm, 20 mm, 90 mm, dan 50 mm dan sudah memenuhi
kriteria Grashof. Berdasarkan hasil simulasi, frekuensi pribadi mode ke-2 untuk
masing-masing plat berada pada putaran motor listrik 202 rpm, sedangkan
berdasarkan uji langsung nilai frekuensi pribadi yang dihasilkan plat 1, plat 2, plat
3, dan plat 4 pada kondisi luasan basah 0.32 m2 berturut-turut 313, 243, 233, dan
250 rpm. Perbedaan tersebut diakibatkan oleh kedalaman plat yang tidak sama
dengan simulasi sehingga tekanan air juga berbeda. Berdasarkan uji kinerja,
kecepatan maju kendaraan air berkisar antara 0.07 – 0.38 m/s, gaya dorong yang
dihasilkan masing-masing plat berkisar antara 0.01 – 0.19 N/kg bobot kendaraan
air, konsumsi daya listrik yang digunakan berkisar antara 1.75 – 75.13 watt, daya
mekanis yang dihasilkan berkisar antara 0.02 – 0.90 watt, dan efisiensi daya
mekanis berkisar antara 0.35 – 5.21 %. Nilai efisiensi tertinggi dihasilkan pada
sistem penggerak plat 1 (panjang 500 mm, lebar 30 mm, dan tebal 1 mm) untuk
kedua kondisi luasan basah kendaraan air dan secara umum memiliki nilai rataan
tiap parameter yang berbeda nyata dengan plat 4 (panjang 500 mm, lebar 60 mm,
dan tebal 1 mm).
Kata kunci: getaran struktur, gaya dorong, kendaraan air, efisiensi daya
SUMMARY
ASEP ANDI. Prototype and Performance of Water Propulsion System Based on
Structural Vibration. Supervised by RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN and
WAWAN HERMAWAN.
Some physical and mechanical characteristics of animal have inspired the
design of ground, water, and sky propulsion system. One of the most attentive
biomimetic concepts is a movement system of fish in the water which can be used
for water propulsion system. The general objectives of this research were to
design a water vessel propulsion system using vibration (resonance) of a thin
cantilever beam and to examine the performance of the system on a water vessel
model. Some instruments and materials used were composed of several sections,
namely the manufacture of electrical system, propulsion mechanism, water vessel
model, and performance test equipment. Research design was divided into two
kind i.e. functional design and structural design. The main structure and its
function were electrical system which can generate variable stabilized DC power,
crank and rocker mechanism which can change rotational motion into a back and
forth motion (oscillation), water vessel model which can move straightforward,
and measuring instrument which can visualize the rotation of electric motor and
electrical power being used. Measurement and testing included a validation of
crank and rocker mechanism, calibration of measuring instruments, calculation of
wetted area and weight of water vessel, calculation of forward speed, thrust, and
rotation of electric motor as well as the electric power. Group randomized
experiment was further analyzed using the IBM SPSS 20.0 software. Water vessel
model had dimensions of length, width, and height of 100 cm, 50 cm, and 30 cm
respectively and also with two kinds of wetted area i.e. 0.32 m2 (12.5 kg weight)
and 0.57 m2 (17.5 kg weight).
Crank and rocker mechanism could be used on the propulsion system. The
dimensions of R1, R2, R3, and R4 with an appropriate parallel axis position in a
row were 80 mm, 20 mm, 90 mm, and 50 mm respectively and it met the criteria
of Grashof. Based on simulation result, the second mode of natural frequency for
each thin cantilever beam was about 202 rpm, while the direct test result was
different for each thin cantilever beam. These are 313, 243, 233, and 250 rpm
respectively. It might be caused by the depth of the thin cantilever beam when
immersed in the water so the pressure was different as well. Based on
performance test result, the forward speed of the water vessel ranged from 0.07 –
0.38 m/s, the thrust generated ranged from 0.01 – 0.19 N/kg weight of water
vessel, electric power consumption used ranges between 1.75 – 75.13 watt,
mechanical power was in range of 0.02 – 0.90 watt, and the mechanical power
efficiency was about 0.35 – 5.21 %. The highest value of power efficiency
generated on the first thin cantilever beam (500 mm length, 30 mm width, and
1 mm thickness) for two wetted area conditions and each parameter had been a
marked difference with fourth thin cantilever beam (500 mm length, 60 mm width,
and 1 mm thickness).
Keywords: structural vibration, thrust, water vessel, power efficiency
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PROTOTIPE DAN KINERJA SISTEM PENGGERAK
KENDARAAN AIR BERBASIS GETARAN STRUKTUR
ASEP ANDI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr Ir I Dewa Made Subrata, MAgr
Judul Tesis
Nama
NIM
: Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan Air
Berbasis Getaran Struktur
: Asep Andi
: F151140116
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Radite PA Setiawan, MAgr
Ketua
Dr Ir Wawan Hermawan, MS
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan
Pangan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Y Aris Purwanto, MSc
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 12 Oktober 2015
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2015 ini ialah
rancang bangun, dengan judul Prototipe dan Kinerja Sistem Penggerak Kendaraan
Air Berbasis Getaran Struktur.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Radite Praeko Agus
Setiawan, MAgr dan Bapak Dr Ir Wawan Hermawan, MS selaku komisi
pembimbing, serta Bapak Bandi yang telah banyak memberi saran. Terima kasih
juga penulis sampaikan kepada Bapak Dr Ir I Dewa Made Subrata, MAgr sebagai
penguji dari luar komisi pembimbing dan DIRJEN DIKTI yang telah memberikan
beasiswa Fresh Graduate kepada penulis selama masa studi. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada teman-teman Laboratorium Mekatronika
dan Laboratorium Manufaktur yang telah membantu dalam perancangan dan
pengambilan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Oktober 2015
Asep Andi
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xii
DAFTAR GAMBAR
xii
DAFTAR LAMPIRAN
xii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip Pergerakan Ikan
Getaran dan Frekuensi Pribadi
Prinsip Dasar Sistem Penggerak Kendaraan Air
Mekanisme Empat Batang Hubung
3
3
5
6
9
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Pendekatan Rancangan
Prosedur Pengukuran dan Pengujian
Prosedur Analisis Data
10
10
10
12
17
19
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Mekanisme Crank and Rocker
Karakteristik Plat dan Model Kendaraan Air
Kalibrasi Alat Ukur Putaran dan Daya Listrik
Kecepatan Maju Kendaraan Air
Gaya Dorong Kendaraan Air
Konsumsi Daya Listrik
Daya Mekanis Kendaraan Air
Stabilitas Kendaraan Air
Hubungan Antar Parameter
22
22
24
26
27
29
31
32
34
35
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
39
39
40
DAFTAR PUSTAKA
40
LAMPIRAN
43
RIWAYAT HIDUP
52
DAFTAR TABEL
1 Nilai koreksi k untuk menghitung sudut yang dihasilkan
2 Frekuensi pribadi mode ke-2 dan maximum double-displacement masingmasing plat
3 Rataan nilai efisiensi hull, mekanisme, dan sistem penggerak untuk setiap
plat
4 Hasil uji lanjut Duncan pengaruh perlakuan plat antar parameter pada
luasan basah 0.32 m2
5 Hasil uji lanjut Duncan pengaruh perlakuan plat antar parameter pada
luasan basah 0.57 m2
6 Perhitungan konsumsi daya secara teoritis dengan acuan kapal tanker 600
TEU
14
25
36
37
38
39
DAFTAR GAMBAR
1 Gaya-gaya yang bekerja (a) dan pola gerakan yang mempengaruhi
stabilitas hidrodinamis (b) pada pergerakan ikan (Lane 1998)
2 Pergerakan ikan jenis body and/or caudal fin (a) dan jenis median and/or
paired fin (b) dengan gerak undulatory (bergelombang) dan oscillatory
(bolak-balik) pada berbagai jenis ikan (Lane 1998)
3 Karakteristik setiap mode frekuensi pada struktur dan persamaannya
(Kelly 2012)
4 Grafik magnification factor (MF) terhadap rasio frekuensi ( o/ n) untuk
berbagai nilai faktor peredaman (c/cc) (Hibbeler 2010)
5 Kendaraan air dengan bantuan air statis yang memiliki lebih dari satu
lambung (multi hull)
6 Garis beban Plimsoll mark yang dikembangkan sesuai dengan
kesepakatan international maritime organisation (MAN Diesel & Turbo
2011)
7 Ukuran lambung kendaraan air (MAN Diesel & Turbo 2011)
8 Gaya dorong kendaraan air dan resistansinya pada kecepatan tertentu
(MAN Diesel & Turbo 2011)
9 Mekanisme Crank and Rocker (Martin 1982)
10 Power supply 30 V/25 A variabel
11 Motor listrik DC Shinano Kenshi tipe DCG-5216-038
12 Kayu bahan pembuatan model kendaraan air
13 Digital dual display VA DC 100 V/ 10 A
14 Mikrokontroler arduino uno dan LCD 16 x 2 (a) dan sensor opto-coupler
(b)
15 Rangkaian power supply variable 30 V/25 A
16 Batang hubung, garis bantu, dan sudut-sudut pada mekanisme crank and
rocker
17 Rancangan mekanisme crank and rocker untuk sistem penggerak
18 Rancangan rumah sistem penggerak
19 Rancangan plat struktur yang terbuat dari stainless steel
20 Rancangan model fisik kendaraan air dengan jenis multi hull
3
4
5
6
7
7
8
9
9
10
11
11
12
12
13
14
15
15
16
16
21 Rancangan rangka penyangga motor dan sistem penggerak
22 Pengukuran kecepatan maju kendaraan air
23 Pengukuran gaya tarik kendaraan air
24 Bagan alir penelitian
25 Hasil simulasi mekanisme crank and rocker pada Microsoft Excel
26 Grafik sudut input terhadap sudut output yang dipilih pada rancangan
mekanisme crank and rocker
27 Model fisik mekanisme crank and rocker
28 Jenis plat stainless steel dengan ukuran yang berbeda
29 Simulasi frekuensi pribadi dan double-displacement pada plat 1 (a), plat
2 (b), plat 3 (c), dan plat 4 (d)
30 Model fisik kendaraan air tipe multi hull
31 Proses kalibrasi sensor opto-coupler penghitung putaran motor listrik
32 Hasil kalibrasi putaran pada LCD dan menggunakan Tachometer
33 Kecepatan maju kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
34 Kecepatan maju kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
35 Gaya dorong kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
36 Gaya dorong kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
37 Konsumsi daya listrik kendaraan air untuk masing-masing putaran pada
luasan basah 0.32 m2
38 Konsumsi daya listrik kendaraan air untuk masing-masing putaran pada
luasan basah 0.57 m2
39 Daya mekanis kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.32 m2
40 Daya mekanis kendaraan air untuk masing-masing putaran pada luasan
basah 0.57 m2
41 Simulasi karakteristik titik stabilitas kendaraan air (Sahlan et al. 2012)
42 Kondisi kendaraan air yang stabil pada perairan yang tenang
43 Efisiensi daya untuk masing-masing plat dengan luasan basah 0.32 m2
44 Efisiensi daya untuk masing-masing plat dengan luasan basah 0.57 m2
45 Daya propulsi yang dibutuhkan oleh kapal tanker 600 TEU pada
kecepatan yang berbeda (MAN Diesel & Turbo 2011)
17
18
18
21
22
23
23
24
25
26
26
27
28
29
30
31
31
32
33
33
34
35
36
37
38
DAFTAR LAMPIRAN
1 Rancangan dimensi kendaraan air dan dua jenis luasan basahnya
2 Rancangan sistem penggerak
3 Kode program alat pengukur putaran (RPM) motor listrik menggunakan
arduino uno
4 Simulasi mekanisme crank and rocker menggunakan menu Visual Basic
pada Microsoft Excel
5 Hasil analisis uji normalitas dan beda nyata menggunakan software SPSS
20.0
44
45
46
48
49
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Beberapa karakteristik fisika-mekanika hewan yang ada dimuka bumi telah
menginspirasi dalam pengembangan sistem penggerak baik di air, darat, maupun
udara. Konsep meniru dari makhluk hidup (biomimetic) tersebut sudah dilakukan
oleh para peneliti dalam pengaplikasian jenis pesawat terbang, kapal laut, mobil,
dan robot yang memiliki keperluan spesifik. Salah satu sistem yang menjadi pusat
perhatian adalah sistem pergerakan ikan di dalam air. Ikan bergerak dengan
melawan kerapatan air yang lebih besar dibandingkan udara dengan bentuk
tubuhnya yang hidrodinamis sehingga memungkinkan ikan bergerak dengan cepat
di dalam air. Ikan bergerak dengan menggetarkan bagian tubuhnya terutama
bagian ekor dengan dibantu oleh pergerakan sirip-sirip yang menghasilkan gaya
dorong ke depan. Sistem alamiah tersebut dapat ditiru dan digantikan oleh sistem
buatan dengan beberapa keterbatasan.
Jika suatu material pada sistem yang memiliki massa dan elastisitas bergetar
baik dari sistem itu sendiri (getaran bebas) maupun dari gaya luar (getaran paksa)
maka material tersebut akan mencapai amplitudo paling tinggi pada frekuensi
pribadinya (natural frequency). Getaran bebas akan bergetar pada satu atau lebih
mode frekuensi pribadi yang dihasilkan sedangkan getaran paksa dengan eksitasi
osilasi akan menghasilkan frekuensi gaya eksitasinya. Ketika gaya eksitasi
tersebut bersamaan dengan frekuensi pribadi dari material maka resonansi akan
terjadi (Mustafa 2011).
Secara teoritis, kendaraan air memiliki kesamaan konsep mekanik dengan
ikan dalam pengembangan sistem penggerak dimana gaya dorong yang dihasilkan
harus lebih besar dari resistansi yang terjadi pada saat menerobos air. Meski
demikian, kendaraan air saat ini terutama di Indonesia masih menggunakan sistem
penggerak berupa propeller tipe kipas yang secara fisik berbeda dengan sistem
penggerak pada ikan. Dalam hal ini, masih terbuka kemungkinan pengembangan
sistem penggerak lain yang memiliki keunggulan lebih dibandingkan dengan
sistem penggerak yang ada saat ini.
Andi et al. (2015) melakukan simulasi pada plat tipis yang terbuat dari
stainless steel untuk memprediksikan gaya dorong yang dihasilkan pada sebuah
model kendaraan air. Sebuah plat tipis dengan ukuran panjang, lebar, dan tebal
berturut-turut 500 mm, 30 mm, dan 1 mm memiliki frekuensi pribadi sebesar 4.96
rad/s pada mode pertama dan mampu menghasilkan gaya dorong sebesar 0.99 N
serta menggerakkan model kendaraan air yang memiliki luasan basah 0.72 m2.
Dalam penelitian ini akan dirancang sebuah sistem penggerak menggunakan
getaran (resonansi) dari sebuah plat tipis yang bergetar di dalam air. Plat tipis
yang beresonansi di dalam air akan meminimalkan turbulensi yang terjadi di
dalam air dibandingkan saat menggunakan propeller tipe kipas. Dalam sistem ini,
sebuah motor listrik dihubungkan menggunakan suatu mekanisme sehingga
membentuk gerak bolak-balik (osilasi) dan plat akan bergetar. Penggunaan motor
listrik sangat mungkin dilakukan sesuai dengan arah maju teknologi yang
menyatakan bahwa energi listrik akan menjadi energi paling bersih dan melimpah
ketersediaannya di alam dengan berbagai bentuk konversi energi yang ada.
2
Perumusan Masalah
Salah satu bagian utama dari kendaraan air adalah sistem penggerak atau
propulsi. Sistem penggerak tersebut berfungsi untuk memberikan aksi pada
kendaraan air berupa tenaga mekanik untuk menggerakkan kendaraan air ke
depan dan sistem maneuvering yang lain. Ketika suatu material logam tipis
digetarkan secara paksa maka osilasi akan terjadi dan menghasilkan frekuensi
gaya eksitasinya. Jika frekuensi gaya eksitasi tersebut bersamaan dengan
frekuensi pribadinya maka resonansi akan terjadi. Material yang beresonansi akan
menggunakan energi yang minimum dengan amplitudo (defleksi) yang
maksimum. Ketika suatu material bergetar (beresonansi) di dalam air sebagai
penggerak kendaraan air maka gaya eksitasinya akan disalurkan ke sekelilingnya
dan menghasilkan gaya dorong ke depan bagi kendaraan air serta energi yang
digunakan diduga akan menjadi minimum.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah merancang sistem penggerak
kendaraan air menggunakan getaran (resonansi) dari struktur berbentuk plat tipis
dan menguji kinerja dari sistem tersebut pada sebuah model kendaraan air.
Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah menentukan mekanisme dan
dimensi penghasil getaran pada plat struktur, menentukan putaran motor listrik
yang optimum dalam menghasilkan frekuensi pribadi dari struktur yang bergetar
di dalam air, menghitung kecepatan maju, gaya dorong, konsumsi daya listrik,
daya mekanis, dan efisiensi pada kendaraan air.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat menjadi tambahan khazanah ilmu
pengetahuan dalam pengembangan ilmu dan teknologi perairan di Indonesia yang
memiliki daerah perairan yang sangat luas. Selain itu, hasil penelitian ini dapat
dijadikan sebagai acuan dasar bagi pada developer untuk menciptakan kendaraan
air dengan sistem penggerak baru yang unik dan ramah lingkungan serta
diharapkan mampu menghemat energi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian pendahuluan telah dilakukan dalam melakukan simulasi dan
analisis numerik dalam menentukan dimensi dan jenis plat struktur yang
digunakan, penentuan dimensi model kendaraan air, perhitungan gaya dorong
kendaraan air, perhitungan resistansi badan kendaraan air, perhitungan kecepatan
kendaraan air, dan perhitungan energi kinetik vibrasi dan translasi dari kendaraan
air. Pada penelitian ini, sistem penggerak dan kendaraan air dibuat dengan
mengacu pada hasil simulasi dengan beberapa penyesuaian. Kemudian kinerja
dari sistem tersebut akan diuji pada sebuah kendaraan air dengan beberapa kondisi
batasan seperti pengujian dilakukan pada air yang tenang (dead-water), sistem
manuveuring masih terbatas pada arah maju ke depan, dan resistansi yang terjadi
masih difokuskan pada air di sekeliling badan kendaraan air.
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Prinsip Pergerakan Ikan
Ikan bergerak di dalam air dengan melawan densitas air yang mencapai 800
kali lipat densitas udara. Pergerakan ikan di dalam air merupakan transfer
momentum dari badan ikan ke air di sekelilingnya. Mekanisme yang paling utama
dari transfer momentum tersebut adalah gaya tarik (drag), gaya angkat (lift), dan
percepatan gaya reaksi. Menurut David M Lane et al. (1998), gaya tarik yang
terjadi pada saat ikan berenang dipengaruhi oleh beberapa komponen, yaitu
gesekan antara bagian kulit dengan air di sekelilingnya, tekanan yang terbentuk
saat menerobos air, dan energi yang hilang dari ekor dan sirip dalam
menghasilkan gaya angkat dan daya dorong. Gaya tarik dan gaya angkat
dipengaruhi oleh viskositas dan aliran yang asimetris. Gaya angkat kemudian
digunakan pada objek dengan arah gerak yang tegak lurus dari arah gerak aliran.
Kemudian percepatan gaya reaksi merupakan gaya inersia yang dihasilkan oleh
resistansi badan ikan terhadap air di sekelilingnya atau tambahan ketika kecepatan
secara relatif berubah. Stabilitas hidrodinamis dan arah pergerakan ikan bisa juga
ditentukan oleh gerakan atas bawah (pitch), gerakan menggulung (roll), dan
gerakan menyimpang (yaw). Gaya-gaya yang bekerja dan pola gerakan yang
mempengaruhi stabilitas pada pergerakan ikan dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Gaya-gaya yang bekerja (a) dan pola gerakan
yang mempengaruhi stabilitas hidrodinamis (b)
pada pergerakan ikan (Lane 1998)
Ikan menggunakan ekor sebagai alat pergerakan utama. Untuk beberapa
jenis ikan, pergerakan ekor tersebut ada yang membentuk gelombang dan ada pula
yang membentuk gerakan bolak-balik. Selain ekor, sirip ikan juga memiliki
peranan dalam pergerakan ikan. Webb (1998) mendefinisikan pergerakan ikan
menjadi dua jenis, yaitu body and/or caudal fin (BCF) dan median and/or paired
4
fin (MPF). Ikan jenis BCF bergerak dengan menggetarkan badan dan ekornya,
sedangkan ikan jenis MPF bergerak dengan menggetarkan sirip-sirip bagian atas,
bawah, dan samping untuk menghasilkan gaya dorong ke depan. Kedua tipe jenis
gerak ikan tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Pergerakan ikan jenis body and/or caudal fin (a) dan jenis median
and/or paired fin (b) dengan gerak undulatory (bergelombang) dan
oscillatory (bolak-balik) pada berbagai jenis ikan (Lane 1998)
Liu et al. (1999) menyatakan bahwa beberapa jenis hewan air bergerak di
dalam air dengan menghasilkan bilangan Reynold di sekelilingnya sebesar 102
untuk larva kecebong dan 108 untuk cetacean yang paling cepat. Selain bilangan
Reynold, kecepatan gerak ikan di dalam air dapat ditentukan dengan nilai
bilangan Strouhal (St) dari gerak ikan tersebut. Bilangan Strouhal merupakan
fungsi dari frekuensi getaran, amplitudo maksimum, dan kecepatan gerak ikan.
Semakin besar nilai bilangan Strouhal-nya maka semakin lambat gerak ikan
tersebut. Bilangan Strouhal untuk larva kecebong sampai cetacean berkisar antara
0.1 < St < 0.8. Christophe Eloy (2012) melakukan optimasi bilangan Strouhal
dengan pengklasifikasian beberapa jenis hewan air berdasarkan dimensi dan
bilangan Strouhal-nya. Berdasarkan data yang diambil dari berbagai sumber
tersebut, bilangan Strouhal yang optimum berada pada 0.25 < St < 0.35 dengan
bilangan Lighthill kurang dari 0.1.
Selain pergerakan ekor ke kiri dan ke kanan dari titik kesetimbangan, hewan
air lainnya bergerak dengan arah vertikal ke atas dan ke bawah seperti ikan paus.
Antonio M Calderon (2011) melakukan penelitian tentang propeller
menggunakan bahan rigid yang bergerak vertikal. Dalam penelitiannya,
mekanisme slider (sinusoidal multiplier) digunakan untuk mengubah putaran
motor menjadi gerak naik turun dengan menggunakan dua crank, yaitu pitch
(rapatan dan renggangan) dan heave (tarikan dan dorongan). Gaya yang dihasilkan
dari sistem tersebut sebesar 20 lb berbeda dengan hasil simulasi yakni sebesar
32.4 lb pada kecepatan 1.3 m/s. Semakin tinggi frekuensi osilasi tersebut maka
semakin tinggi pula gaya dorong yang dihasilkan.
5
Getaran dan Frekuensi Pribadi
Getaran merupakan gerak bolak-balik dari sebuah sistem struktur atau
mekanik disekitar titik kesetimbangannya. Getaran diklasifikasikan menjadi
getaran bebas atau getaran paksa, getaran teredam atau getaran tak teredam,
getaran linear atau getaran non-linear, getaran kontinyu atau diskrit, dan getaran
deterministik atau acak. Getaran bebas merupakan gerak bolak-balik disekitar titik
kesetimbangan yang terjadi tanpa adanya gaya eksitasi dari luar, sedangkan
getaran paksa terjadi dengan adanya gaya eksitasi dari luar. Jika gaya luar terjadi
secara periodik maka getaran disebut harmonik. Sebaliknya, jika gaya luar terjadi
tidak secara periodik maka dikatakan transien. Jika gaya masukan terjadi secara
stokastik maka getaran tersebut dinamakan random atau acak. Getaran dikatakan
teredam jika ada unsur atau sumber penghilangan getaran, sedangkan tak teredam
jika sebaliknya. Getaran linear dan non-linear dikaitkan dengan asumsi bahwa
persamaan diferensial yang dibuat mengacu pada aturan kedua jenis tersebut.
Frekuensi pribadi merupakan frekuensi dimana sistem akan bergerak bolakbalik dengan tanpa diakibatkan oleh gaya luar yang signifikan. Pada frekuensi
pribadi pula energi kinetik dan potensial yang terjadi menjadi maksimum. Sebagai
contoh pada gerak pendulum, gaya gravitasi menjadi pertimbangan yang melekat
pada sistem tanpa ada gaya lain yang bekerja pada sistem (Widnall 2009).
Kelly (2012) menyatakan persamaan getaran dalam menentukan frekuensi
pribadi mode pertama (ω1), kedua (ω2), dan ketiga (ω3) dari sebuah struktur
dengan persamaan seperti pada Gambar 3.
1 (1.875) 2
EI
mL3
2 (4.694) 2
EI
mL3
3 (7.855) 2
EI
mL3
Gambar 3 Karakteristik setiap mode frekuensi pada struktur
dan persamaannya (Kelly 2012)
dimana, E merupakan modulus elastisitas (N/m2), I merupakan momen inersia
(m4), m merupakan massa (kg), dan L merupakan panjang dari plat struktur (m).
Breads (1996) menyatakan bahwa frekuensi pribadi (natural frequency)
dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan mengubah dua faktor yang sangat
berpengaruh, yaitu massa (m) dan kekakuan (k) dari struktur yang bergetar.
Sebagai contoh, struktur dengan massa m dan kekakuan k memiliki rasio
frekuensi sebesar satu. Ketika massa struktur diturunkan menjadi satu per empat
massa semula dan kekakuan ditingkatkan menjadi empat kali semula maka rasio
6
frekuensi akan bergeser menjadi dua. Hal tersebut jelas bahwa respon dinamis
pada frekuensi yang berbeda akan sangat berbeda dalam penentuan frekuensi
pribadi sebuah struktur yang bergetar.
Hibbeler (2010) menghubungkan nilai magnification factor (MF) atau setara
dengan amplitudo dengan rasio frekuensi yang hasilnya menunjukkan bahwa nilai
MF akan meningkat ketika faktor peredaman menurun. Resonansi terjadi hanya
saat faktor peredaman nol dan rasio frekuensi setara dengan satu (Gambar 4).
Gambar 4 Grafik magnification factor (MF) terhadap rasio
frekuensi ( o/ n) untuk berbagai nilai faktor
peredaman (c/cc) (Hibbeler 2010)
Frekuensi pribadi memiliki kelebihan dan kekurangan dalam aplikasinya.
Misalnya pada kondisi runtuhnya bangunan atau jembatan yang terjadi pada
frekuensi pribadi dari struktur pembentuknya sehingga dengan energi masukan
yang kecil akan menghasilkan amplitudo yang tinggi sehingga merusak struktur
tersebut. Meskipun demikian, tidak mustahil jika kekurangan tersebut digunakan
menjadi kelebihan dengan pemanfaatan sifat resonansi pada struktur yang bergetar
pada frekuensi pribadinya dalam meminimalkan energi yang digunakan ketika
mendekati nilai frekuensi pribadinya.
Prinsip Dasar Sistem Penggerak Kendaraan Air
Jenis dan Bentuk Lambung (Hull) Kendaraan Air
Kendaraan air yang sudah dikembangkan saat ini memiliki jenis yang
disesuaikan dengan peruntukannya. Jenis-jenis kendaraan air tersebut diantaranya
adalah pengangkut minyak (tanker), muatan curah (bulk carrier), kapal peti
kemas (container ship), kapal barang (general cargo ship), perahu layar (reefer),
kapal penumpang (passanger ship), dan kapal ikan (fishing craft). Harvald (1983)
mengklasifikasikan kendaraan air berdasarkan prinsip kerjanya ketika di
permukaan atau di bawah permukaan air. Secara garis besar jenis kendaraan air
tersebut dibagi menjadi tiga bagian, yaitu dengan bantuan udara statis (aerostatic
support), dengan bantuan air dinamis (hydrodynamic support - Bernoulli), dan
dengan bantuan air statis (hydrostatic support - Archimedes). Kendaraan air
dengan bantuan udara statis bisa menggunakan prinsip gelembung atau bantalan
7
angin. Kendaraan air dengan bantuan air dinamis bisa menggunakan prinsip
hydrofoil permukaan atau tenggelam. Kendaraan air dengan bantuan air statis bisa
menggunakan prinsip gaya angkat konvensional (satu lambung) atau lebih dari
satu lambung (Gambar 5).
Gambar 5 Kendaraan air dengan bantuan air statis yang
memiliki lebih dari satu lambung (multi hull)
Meskipun demikian, bentuk dan ukuran dari kendaraan air tersebut dapat
berbeda-beda sehingga perhitungan yang digunakan akan menjadi berbeda.
Parameter-parameter yang mempengaruhi perhitungan tersebut diantaranya luasan
basah, bobot kosong atau muatan, resistansi, dan lain-lain. Seperti yang dijelaskan
oleh MAN Diesel & Turbo (2011) bahwa ada batasan-batasan garis beban yang
diperbolehkan atau yang sering dikenal dengan Plimsoll mark seiring dengan
kesepakatan yang dibuat oleh IMO (International Maritime Organisation) seperti
yang ditunjukkan oleh Gambar 6.
Gambar 6 Garis beban Plimsoll mark yang dikembangkan
sesuai dengan kesepakatan international
maritime organisation (MAN Diesel & Turbo
2011)
Resistansi Kendaraan Air
Penentuan perhitungan luasan basah untuk menentukan resistansi kendaraan
air tidak terlepas dari garis-garis batas pada bagian lambung kendaraan air seperti
ditunjukkan pada Gambar 7.
8
Gambar 7 Ukuran lambung kendaraan air (MAN Diesel &
Turbo 2011)
Panjang keseluruhan kendaraan air LOA tidak dimasukkan kedalam
perhitungan resistansi kendaraan air. Faktor yang dimasukkan sebagai garis muka
air adalah LWL dan bisa juga menggunakan LPP, dimana LPP setara dengan 0.97
kali dari LWL.
MAN Diesel & Turbo (2011) menjelaskan bahwa resistansi kendaraan air
dapat dibagi menjadi tiga kelompok utama, yaitu resistansi karena gesekan air,
resistansi karena residual, dan resistansi karena angin. Pada kecepatan rendah,
resistansi karena gesekan air memberikan pengaruh sebesar 70 – 90 % dan pada
kecepatan tinggi kurang dari 40 %. Resistansi karena residual misalnya
gelombang memberikan pengaruh 8 – 25 % pada kecepatan rendah dan 40 – 60 %
pada kecepatan tinggi. Kemudian resistansi karena udara hanya memberikan
pengaruh sekitar 2 % dari total resistansi pada kendaraan air. Secara keseluruhan
resistansi kendaraan air merupakan gabungan dari ketiga jenis resistansi tersebut.
Meski demikian, tidak sedikit resistansi karena gesekan air menjadi satu-satunya
faktor yang dimasukkan kedalam perhitungan, sedangkan yang lainnya
diasumsikan tidak berpengaruh nyata.
Gaya Dorong Kendaraan Air
Secara umum kendaraan air yang bergerak pada permukaan air dengan
kecepatan tertentu akan mengalami gaya hambat (resistance) yang berlawanan
dengan arah gerak kendaraan air tersebut (Gambar 8). Besarnya gaya hambat
tersebut harus bisa diatasi dengan gaya dorong (thrust) yang dihasilkan dari kerja
alat gerak kendaraan air atau propulsor (Adji 2005).
Gaya dorong (T) yang diperlukan untuk mendorong sebuah kendaraan air
pada kecepatan (v) tertentu akan lebih besar daripada tahanan total (R T) yang
dialami oleh kendaraan air bila ditarik dengan kecepatan yang sama (v), sehingga
terjadi penambahan (augment) hambatan (Hadi et al. 2008).
9
Gambar 8 Gaya dorong kendaraan air dan resistansinya pada
kecepatan tertentu (MAN Diesel & Turbo 2011)
Pada kenyataannya, gaya dorong sebesar T akan mendapatkan gaya hambat
sebesar RT yang harus diatasi. Sehingga gaya dorong yang dibutuhkan harus
mengetahui gaya deduksinya. Nilai tersebut berbeda-beda dan dipengaruhi oleh
faktor dimensi dari kendaraan air yang dikehendaki.
Mekanisme Empat Batang Hubung
Menurut Sutikno et al. (2011), mekanisme adalah bagian dari permesinan
yang tersusun dari batang hubung (link) yang bisa bergerak satu terhadap yang
lain membentuk rancang bangun sebagai bagian dari permesinan. Mekanisme
dirancang untuk mentransformasi gerak, kecepatan, dan gaya untuk keperluan
tertentu. Mekanisme empat batang hubung tersusun dari empat batang hubung
sedemikian rupa sehingga menghasilkan derajat ketidaktentuan kinematik (degree
of freedom of motion) tertentu yang dalam hal ini harus bernilai satu.
Mekanisme empat batang hubung memiliki peraturan yang biasa dikenal
dengan Hukum Grashof yang menyatakan bahwa untuk mekanisme empat batang
hubung, jumlah dari batang hubung terpendek dan terpanjang tidak boleh melebihi
jumlah dari panjang dua batang hubung yang lainnya. Jika kondisi tersebut dapat
dipenuhi maka setidaknya satu batang hubung akan berputar 360 derajat. Salah
satu mekanisme empat batang hubung yang memenuhi kriteria tersebut adalah
mekanisme Crank and Rocker. Mekanisme tersebut memiliki batang hubung
masukan yang berputar 360 derajat dan batang hubung keluaran yang berputar
mengayun bolak-balik (Robert L. Williams 2015).
Martin (1982) menyatakan beberapa aturan agar mekanisme Crank and
Rocker seperti pada Gambar 9 dapat bekerja dengan baik, yaitu sebagai berikut:
Gambar 9 Mekanisme Crank and Rocker (Martin 1982)
�2 +
�2 +
+ �4 > �2 �4 ; �2 + �2 �4 + �4 >
;
− �4 < �2 �4 ;
− �2 + �4 > �2 �4.
10
dimana O2B merupakan batang hubung pertama, BC merupakan batang hubung
kedua, O4C merupakan batang hubung ketiga, dan O2O4 merupakan jarak antara
kedua titik kontak.
Berdasarkan hasil penelitian Sutikno et al. (2011) dapat diketahui bahwa
untuk variabel kontrol masukan (input) pada batang hubung pertama (O2B) , laju
peningkatan sudut keluaran (output) batang hubung ketiga (O4C) semakin cepat
bertambah besar dibandingkan dengan variasi variabel kontrol di batang hubung
kedua (BC) dan jarak antara dua titik kontak (O2O4). Variasi penambahan batang
hubung pertama selalu menghasilkan sebuah domain kerja sudut masukan dan
sudut keluaran pada mekanisme Crank and Rocker.
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan selama 6 bulan dari Februari – Juli 2015. Proses
pabrikasi model dilakukan di Bengkel Laboratorium Lapangan Siswadhi Soeparjo
dan Laboratorium Mekatronika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB.
Proses uji fungsional dan uji kinerja dilakukan di danau Pusat Penelitian
Lingkungan Hidup (PPLH) IPB.
Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa
bagian, yaitu pembuatan sistem kelistrikan, pembuatan mekanisme sistem
penggerak, pembuatan model kendaraan air, dan perlengkapan uji kinerja.
Pembuatan Sistem Kelistrikan
Sumber listrik yang digunakan adalah jenis accumulator kering DC (12 V5Ah/10 hr) tipe GTZ-55/YTX4L-BS sebanyak dua buah yang dirangkai secara
seri. Sumber listrik tersebut akan dialirkan melalui power supply 30 V/ 25 A
variabel (Gambar 10) untuk menghidupkan motor listrik DC, sistem pengukur
daya listrik, mikrokontroler arduino, LCD, dan sensor optocoupler. Kabel yang
digunakan terdiri dari dua jenis, yaitu kabel jenis rambut dan kabel jenis kawat.
Untuk mencegah korsleting listrik, sebuah sikring atau fuse dirangkai dengan
dioda sebelum arus listrik masuk ke beban.
Gambar 10 Power supply 30 V/25 A variabel
11
Pembuatan Mekanisme Sistem Penggerak
Motor listrik yang digunakan adalah motor listrik DC Shinano Kenshi
(DCG-5216-038) 24 V dengan rpm keluaran maksimum 670 rpm (Gambar 11).
Putaran motor listrik tersebut akan diubah menjadi gerak bolak-balik dengan
mekanisme crank and rocker. Crank atau batang hubung yang digunakan adalah
besi strip dengan lebar 2 cm dan tebal 2 mm. Titik hubung menggunakan baut dan
mur tanpa alur pada titik hubungnya. Poros yang digunakan adalah besi silinder
pejal berdiameter 1 cm dengan bearing jenis bola ukuran diameter luar 3.5 cm dan
dalam 1 cm. Plat tipis yang akan digetarkan terbuat dari bahan stainless steel
dengan ketebalan 1 mm yang dirangkai menggunakan baut dan mur ukuran 5 mm.
Gambar 11 Motor listrik DC Shinano Kenshi tipe DCG5216-038
Rumah sistem penggerak terbuat dari plat stainless steel yang dikencangkan
menggunakan skrup dan ditopang oleh rangka yang terbuat dari besi siku 25 x 25
x 1 mm. Proses pemotongan, pelubangan, penyambungan, dan proses permesinan
yang lain menggunakan gergaji besi, gerinda tangan, bor duduk, las listrik, ragum,
dan alat perbengkelan lainnya.
Pembuatan Model Kendaraan Air
Model kendaraan air terbuat dari kayu jenis albasia atau sengon (Albizia
chinensis) yang memiliki densitas 0.24 – 0.49 g/cm3 (Martawijaya et al 1977)
dengan ketebalan ± 1 cm dan kayu lapis dengan ketebalan ± 0.5 cm (Gambar 12).
Proses pembuatan badan kendaraan air menggunakan mesin penghalus kayu,
gergaji kayu, bor kayu, lem kayu, dan paku besi. Kemudian proses akhir
menggunakan penghalus kayu (sirlak), dempul kayu (campuran semen putih dan
lem kayu), cat water proof, dan cat kayu.
Gambar 12 Kayu bahan pembuatan model kendaraan air
12
Perlengkapan Uji Fungsional dan Uji Kinerja
Perlengkapan alat ukur yang digunakan untuk proses perancangan dan
kalibrasi meliputi multimeter digital tipe UX-369 dan tachometer tipe DT-2234C+.
Pengukuran daya listrik yang terpakai saat pengujian menggunakan Digital Dual
Display VA DC 100 V/ 10 A (Gambar 13).
Gambar 13 Digital dual display VA DC 100 V/ 10 A
Kemudian pengukuran putaran motor listrik menggunakan sensor optocoupler yang dihubungkan pada mikrokontroler arduino uno dan ditampilkan
pada LCD 16 x 2 (Gambar 14). Nilai yang ditampilkan oleh alat ukur tersebut
direkam menggunakan kamera digital Kodak tipe Easyshare C1505.
(a)
(b)
Gambar 14 Mikrokontroler arduino uno dan LCD 16 x 2 (a)
dan sensor opto-coupler (b)
Pengukuran kecepatan maju kendaraan air menggunakan patok kayu, tali
rapia, meteran atau tapping, dan stopwatch. Kemudian pengukuran gaya tarik
menggunakan timbangan digital dan benang.
Pendekatan Rancangan
Rancangan Fungsional
Fungsi utama sistem penggerak yang dirancang adalah untuk menghasilkan
resonansi pada plat struktur yang bergetar di dalam air dan menghasilkan gaya
dorong sehingga dapat menggerakkan kendaraan air ke depan. Fungsi-fungsi
utama sistem penggerak tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Menghasilkan daya listrik DC variabel yang stabil
Muatan listrik DC dari accumulator 24 V akan masuk ke dalam power
supply sehingga keluaran tersebut dapat diatur (variabel) dengan menggunakan
potensiometer dan menjadi lebih stabil saat menerima beban. Muatan yang
keluar dari power supply tersebut berkisar antara 0 – 18 V (saat tanpa beban).
13
b. Mengatur putaran motor listrik
Putaran motor listrik dapat diubah-ubah sesuai dengan daya masukan
yang diatur menggunakan potensiometer pada power supply. Daya listrik yang
masuk berbanding lurus dengan putaran motor yang dihasilkan. Fungsi
mengubah putaran tersebut adalah untuk mencari frekuensi pribadi (natural
frequency) dari plat struktur yang digetarkan.
c. Mengubah gerak rotasi menjadi gerak mengayun bolak-balik
Gerakan rotasi dari motor listrik akan diubah menjadi gerak bolak-balik
dengan menggunakan mekanisme crank and rocker untuk menggetarkan plat
struktur melalui poros yang terhubung langsung ke plat struktur tersebut. Gerak
bolak-balik yang dihasilkan harus simetris antara gerakan ke kiri dan ke kanan
dengan sumbu kesetimbangan sejajar dengan sumbu axis kendaraan air.
Dengan demikian gerakan kendaraan air akan menjadi stabil dan bergerak ke
arah depan.
d. Menggerakkan kendaraan air lurus ke depan dan berbelok
Saat kendaraan air bergerak lurus ke depan, terkadang banyak gangguan
yang mengakibatkan kendaraan air berbelok tanpa dikehendaki. Untuk
mengatasi hal tersebut, perlu adanya penyearah pada bagian belakang yang
memastikan kendaraan air bergerak lurus ke depan. Penyearah tersebut juga
berfungsi saat kendaraan akan berbelok ke kanan atau ke kiri.
e. Menampilkan putaran motor listrik dan daya listrik yang digunakan
Putaran motor dan daya listrik yang terpakai harus dapat ditampilkan
pada LCD sehingga pengontrolan dan penentuan frekuensi pribadi dapat
dilakukan dengan mudah.
Rancangan Struktural
Secara keseluruhan, rancangan yang dibuat harus memenuhi kriteria
perancangan dengan memperhitungkan terlebih dahulu struktur pembentuknya
sebelum proses pabrikasi. Rancangan struktural terdiri dari rangkaian sistem
kelistrikan, mekanisme crank and rocker, dan model fisik kendaraan air.
Rangkaian power supply yang digunakan adalah jenis variabel yang mampu
mengubah daya masukkan sebesar 0 – 24 V listrik DC dengan potensiometer.
Rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Rangkaian power supply variable 30 V/25 A
Mekanisme crank and rocker disimulasikan terlebih dahulu pada Microsoft
Excel sebelum dilakukan pabrikasi. Pada simulasi tersebut, batang hubung
pertama dan kedua diubah-ubah untuk menghasilkan sudut keluaran yang sesuai
14
dengan fungsi yang diharapkan. Proses simulasi menggunakan menu Developer
dan Visual Basic pada Microsoft Excel. Tahapan-tahapan dalam melakukan
simulasi tersebut diawali dengan menurunkan persamaan-persamaan dari
ketidakteraturan derajat bebas gerakan. Derajat sudut input yang dihasilkan
berubah-ubah dengan step 10o secara otomatis sampai 1800o (10π). Step tersebut
bisa diubah-ubah dan akan mempengaruhi cepat lambatnya mekanisme tersebut
bergerak. Seperti yang dijelaskan dalam Sutikno et al. (2011) dan Soegihardjo
(2002) bahwa dalam membuat simulasi mekanisme tersebut dimulai dengan
menurunkan persamaan-persamaan ketidakteraturan derajat bebas dari pergerakan
batang hubungnya.
Berdasarkan hasil pembelajaran dengan Dr Ir Radite Praeko Agus Setiawan,
MAgr dalam Mata Kuliah Kinematika dan Dinamika Mesin (Setiawan 1998),
langkah pembuatan simulasi mekanisme pada Microsoft Excel dapat mengikuti
langkah-langkah berikut :
a. Batang hubung dan garis-garis bantu serta sudut-sudut yang akan berubah jika
variabel input berubah dibuat dengan memperhatikan aturan hukum Grashof
(Gambar 16).
y
θ4
θ2
x
Gambar 16 Batang hubung, garis bantu, dan sudut-sudut
pada mekanisme crank and rocker
dimana, O2O4 = R1, O2A = R2, AB = R3, dan BO4 = R4
b. Persamaan-persamaan yang akan dimasukkan kedalam fungsi Microsoft Excel
tersebut ditentukan terlebih dahulu sebagai berikut.
2
1. O4 A R22 R12 2R1 R2 cos 2
R2 sin 2
k
2. tg 1
R2 cos 2 R1
dengan nilai koreksi k mengikuti aturan seperti pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1 Nilai koreksi k untuk menghitung sudut
Kwadran
I
II
III
IV
x
+
+
y
+
+
-
Koreksi (k)
0
π
π
2π
O A2 R42 R32
3. cos 1 4
ABS [2O AR ]
4
4
4. 4
yang dihasilkan
Acos[tanda(y)] + acos[tanda (x*y)]
0+0
0+π
π+0
π+π
15
R 2 R42 (O4 A) 2
5. 4 3 cos 1 3
ABS [2 R3 R4 ]
6. 3 4 ( 4 3 )
c. Menu dan botton dibuat dengan menggunakan Visual Basic pada Microsoft
Excel dan program simulasi dimasukkan kedalam menu dan button tersebut
dengan program sebagai berikut.
Sub Button2_Click()
n = Range("AB2").Value
For i = n To 1800 Step n
Range("AB3").Select
ActiveCell.FormulaR1C1 = i
Next i
Range("AB4").Select
End Sub
d. Nilai R1, R2, R3, dan R4 dapat diubah-ubah untuk melihat respon grafik
percepatan hasil simulasinya sampai mencapai grafik yang sesuai dengan yang
diharapkan.
e. Setelah ukuran yang sesuai didapatkan, mekanisme crank and rocker tersebut
dibuat dengan memperhatikan hasil simulasi tersebut. Rancangan mekanisme
yang dibuat seperti pada Gambar 17.
Crank ketiga (R4)
Pengencang
Crank kedua (R3)
Poros motor listrik
Crank pertama (R2)
Poros ke plat struktur
Gambar 17 Rancangan mekanisme crank and rocker untuk
sistem penggerak
Motor listrik dan mekanisme tersebut akan ditempatkan pada sebuah rumah
sistem penggerak yang terbuat dari plat stainless steel dengan ukuran panjang,
lebar, dan tinggi berturut-turut 23 cm, 15 cm, dan 10 cm (Gambar 18).
Gambar 18 Rancangan rumah sistem penggerak
16
Plat struktur yang dirancang terdiri dari 4 jenis dengan panjang konstan 50
cm dan lebar yang berbeda-beda, yaitu 3 cm (plat 1), 4 cm (plat 2), 5 cm (plat 3),
dan 6 cm (plat 4). Ketebalan plat yang digunakan adalah 1 mm dengan
penambahan dua lapis plat dengan ketebalan sama pada setengah dari panjang
total untuk menjaga kekakuan plat yang bergetar (Gambar 19). Dua lapis plat
tambahan tersebut dikencangkan dengan menggunakan pengencang baut dan mur
serta ring pegas. Pemasangan plat pada sistem penggerak dapat dilihat pada
Lampiran 2.
Gambar 19 Rancangan plat struktur yang terbuat dari
stainless steel
Model fisik kendaraan air yang dibuat merupakan kendaraan air jenis multi
hull (Gambar 20). Pemilihan jenis tersebut disesuaikan dengan kebutuhan dan
untuk memudahkan pengaplikasian sistem penggerak yang dirancang. Kendaraan
air tersebut memiliki panjang 100 cm, lebar 50 cm, dan tinggi 30 cm.
Gambar 20 Rancangan model fisik kendaraan air dengan
jenis multi hull
Pembuatan model dengan bentuk simetris tersebut dilakukan agar
mempermudah dalam perhitungan luasan basah yang sebenarnya sehingga
perhitungan resistansi sebagai interaksi kendaraan air dengan sekitarnya dapat
mendekati kondisi yang sebenarnya. Untuk menahan getaran yang diakibatkan
oleh motor listrik, sebuah penyangga dibuat yang akan menjaga rumah sistem
penggerak tetap stabil (Gambar 21). Kemudian sebuah plat penyearah dibuat
sebanyak dua buah pada bagian belakang. Plat penyearah tersebut bisa digunakan
untuk membelokkan kendaraan air yang dirancang. Belok kanan dapat dilakukan
dengan membelokkan kedua plat ke arah kanan, begitu pula untuk belok kiri
dengan membelokkan kedua plat ke arah kiri secara bersamaan.
17
Gambar 21 Rancangan rangka penyangga motor dan sistem
penggerak
Prosedur Pengukuran dan Pengujian
Uji fungsional dilakukan pada prototipe sistem penggerak kendaraan air
untuk mengetahui dan memastikan bahwa setiap bagian dapat berfungsi dengan
baik. Uji fungsional tersebut meliputi uji sistem kelistrikan, uji mekanisme, uji
kalibrasi alat ukur, dan uji pergerakan kendaraan air. Setelah semua bagian dapat
bekerja dengan baik, uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kinerja atau
performansi sistem tersebut secara kuantitatif. Pengukuran dan pengujian tersebut
dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Validasi mekanisme crank and rocker
Mekanisme yang disimulasikan pada Microsoft Excel akan divalidasi
keabsahannya dengan pengukuran secara langsung sehingga mekanisme benarbenar dapat bekerja dengan baik. Validasi ini lebih ditekankan pada pergerakan
bolak-balik plat struktur ke kiri dan ke kanan yang seimbang sehingga
diharapkan dapat menyeimbangkan gerak kendaraan air saat diaplikasikan di
atas permukaan air.
b. Kalibrasi alat ukur putaran dan daya listrik
Sensor penghitung putaran atau rotary encoder akan dikalibrasi terlebih
dahulu sebelum digunakan untuk pengukuran dan pengujian. Setelah
didapatkan faktor koreksi dari hasil regresi data yang dihasilkan, faktor
tersebut dimasukkan ke dalam program dan diunduh ke dalam mikrokontroler.
Selain penghitung putaran, alat pengukur daya listrik (voltase dan ampere) juga
dikalibrasi menggunakan alat ukur yang sudah terstandar. Pengukuran putaran
motor menggunakan tachometer dan pengukuran daya listrik menggunakan
multimeter. Nilai putaran motor listrik dan daya listrik yang digunakan ini
harus dapat ditampilkan oleh LCD agar mempermudah proses analisis.
c. Perhitungan luasan basah dan bobot kendaraan air
Perhitungan luasan basah dilakukan dengan menggunakan perhitungan
geometri secara manual pada kendaraan air yang dirancang. Luasan basah
dihitung dengan dua jenis luasan basah yakni saat tanpa beban dan dengan
penambahan beban. Bentuk kendaraan air yang simetris akan mempermudah
perhitungan luasan basah tersebut secara langsung karena hanya menggunakan
persamaan luas persegi panjang dan trapesium. Kemudian untuk mengetahui
bobot kendaraan air dilakukan penimbangan saat tanpa beban dan dengan
penambahan beban. Penimbangan dilakukan dengan menggunakan alat
timbang beban digital.
18
d. Kecepatan maju kendaraan air
Kecepatan maju kendaraan air dapat dihitung dengan menghitung waktu
yang dibutuhkan kendaraan air untuk menempuh jarak 5 meter (Gambar 22).
Power supply variabel yang digunakan dapat mengatur keluaran daya listrik
yang digunakan sehingga dapat mengontrol kecepatan motor listrik sesuai
dengan yang dikehendaki. Pengaturan kecepatan motor listrik ini sangat
penting karena akan membantu proses penentuan frekuensi pribadi plat.
v (m/s)
Air
5 meter
Gambar 22 Pengukuran kecepatan maju kendaraan air
Kecepatan maju merupakan perbandingan antara jarak tempuh dengan
waktu untuk menempuh jarak tersebut. Untuk menyeimbangkan gerak
kendaraan air digunakan tali penyearah pada bagian depan kendaraan air.
Pengam