4
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Pengolahan Tanah
Pengolahan tanah merupakan salah satu cara untuk menyediakan tempat perakaran bagi tanaman Gill dan Vanden Berg, 1968. Pengolahan tanah adalah
sebuah rangkaian proses budidaya yang mencakup penyiapan lahan serta mempertahankan kondisi terbaik dari lahan tersebut.
Secara umum pengolahan tanah terdiri atas tiga tahap yaitu: pengolahan tanah primer, pengolahan tanah sekunder dan pengolahan tanah tersier.
Pengolahan tanah primer adalah kegiatan pengolahan tanah yang dilakukan paling awal, yang bertujuan untuk menurunkan kekuatan tanah, menutup sisa-sisa
tanaman dan menyusun kembali agregat tanah. Kegiatan pengolahan tanah primer biasanya didominasi dengan kegiatan seperti, pembajakan dan subsoiling.
Pengolahan tanah sekunder merupakan kelanjutan dari kegiatan pengolahan primer yang bertujuan untuk mempersiapkan kondisi lahan sampai kondisi siap
tanam. Kegiatan pengolahan tanah sekunder biasanya didominasi oleh kegiatan seperti penggemburan, penggaruan, pelumpuran dan sebagainya. Sedangkan
kegiatan pengolahan tanah tersier adalah kegiatan yang dilakukan untuk mempertahankan kondisi terbaik dari lahan yang sudah diolah. Yang tergolong
dalam kegiatan pengolahan tanah tersier antara lain: penyiangan, pembuatan kairan, pembuatan hardpan dan sebagainya.
B. Bajak Subsoil
Bajak subsoil terdiri atas dua jenis yakni bajak subsoil biasa dan tipe chisel. Bajak subsoil tipe chisel adalah bajak yang berfungsi untuk memecah dan
menghancurkan lapisan tanah keras untuk memperbaiki drainase dan aerasi tanah. Bajak ini hampir tidak memiliki kemampuan membalik tanah namun mampu
bekerja pada kondisi tanah yang keras. Bajak chisel biasanya dioperasikan secara berkelompok antara 5 – 10 buah dengan jarak 30 cm antar bilah bajak.
Bajak subsoil adalah bajak yang memiliki fungsi yang sama seperti chisel namun bajak jenis ini memiliki konstruksi yang lebih besar dan berat. Bajak
subsoil juga tidak mampu membalik tanah namun mampu memotong dan
5 menghancurkan lapisan tanah keras. Kedalaman olah bajak subsoil lebih dalam
dari bajak yang lain. Bajak subsoil berfungsi untuk memotong dan menghancurkan lapisan tanah
terpadatkan lebih dalam dari bajak biasa. Pemadatan tanah menyebabkan tidak lancarnya drainase alami serta aerasi tanah sehingga cenderung menghambat
pertumbuhan tanaman. Gaya yang dibutuhkan untuk menarik bajak subsoil sangat besar dan untuk meningkatkan efisiensinya dapat menggunakan bajak subsoil
konvensional Smith dan Wilkes, 1977. Bajak subsoil lebih besar dan kuat daripada bajak chisel, kedalaman olah
bajak ini berkisar antara 40 - 60 cm. Untuk menarik bajak jenis ini umumnya digunakan traktor dengan daya sekitar 60 - 85 Hp. Bentuk bilah bajak subsoil
beragam, yang umum dipakai adalah bentuk lengkung, lurus bersudut dan lurus. Bajak subsoil adalah alat yang didesain untuk beroperasi pada kedalaman
olah di atas normal dan menggemburkan tanah dengan cara mengangkat Smith dan Wilkes, 1977. Bajak subsoil yang dioperasikan tunggal digunakan untuk
pembajakan yang lebih dalam sedangkan yang digunakan secara berkelompok digunakan untuk pembajakan yang lebih dangkal. Bajak subsoil terdiri atas
beberapa bagian utama, antara lain: 1 top link attachment point, 2 attachment point
, 3 headstock, 4 beam atau rangka, 5 cutting disc, 6 subsoiler leg, 7 steel blade
, 8 shoe dan 9 renewable steel point Shippen et al., 1980.
Gambar 2. Ilustrasi bajak subsoil Shippen et al.,1980
6 Cutting disc
adalah komponen yang berfungsi untuk membantu pemotongan tanah serta menjaga kestabilan implemen. Tidak semua bajak subsoil memiliki
komponen ini, biasanya hanya bajak subsoil tunggal yang memiliki komponen ini. Dengan adanya cutting disc maka tahanan tarik draft akan berkurang karena
kerja pemotongan tanah yang dilakukan oleh subsoiler leg akan terbantu. Subsoiler leg
adalah bagian utama dari bajak subsoil yang akan masuk ke dalam tanah untuk memotong dan menghancurkan tanah. Shoe merupakan
komponen yang membantu proses pemotongan dan penghancuran lapisan keras di dalam tanah, komponen ini juga akan menghasilkan sebuah saluran drainase pada
lintasan kerja C. Bilah Bajak Parabolik
Luas permukaan alat, sudut angkat, kedalaman olah dan kondisi tanah berpengaruh pada besarnya efek kecepatan terhadap tahanan tarik bajak chisel dan
bajak subsoil Kepner et al., 1978. Bajak subsoil dengan bilah bajak lengkung memiliki tahanan tarik 7 – 20 yang lebih kecil dibandingkan dengan bilah bajak
lurus Nichols dan Reaves, 1958. Tahanan tarik relatif tidak berubah pada sudut lengkung antara 20
o
- 50
o
namun akan meningkat cepat pada sudut lengkung diatas 50
o
Payne dan Tanner, 1959 diacu dalam Tupper, 1997. Dalam hal ini belum ada usaha yang dibuat untuk menerangkan hubungan antara tahanan tarik
dengan bentuk bajak kecuali cara kualitatif separti pada Tabel 2. Tabel 2. Perbandingan tahanan tarik subsoil lurus dan lengkung pada
kedalaman 30 cm dengan kecepatan operasi 2.4 kmjam Gill dan Vanden Berg, 1968
Tahanan tarik kN subsoiler Jenis Tanah
Tegak Lengkung
Penurunan tahanan tarik
Lempung berpasir 404
404 Liat
422 390
7.5 Lempung liat berdebu
828 642
22.4 Liat berdebu
907 826
9.0 Liat
962 826
14.2 Liat
925 753
18.5
7 Penggunaan bajak subsoil parabolik dapat meningkatkan kapasitas lapang,
mengurangi kebutuhan daya dan mengurangi slip roda traksi hingga 43.4 dibanding penggunaan bajak subsoil dengan bilah bajak lurus Tupper, 1997.
Konsumsi bahan bakar per 0.4 ha untuk menarik bajak subsoil parabolik 30.2 lebih hemat daripada bajak subsoil bilah lurus dan bajak subsoil parabolik mampu
bekerja 5 cm lebih dalam. Dibandingkan bajak subsoil yang lain bajak subsoil parabolik memiliki tahanan tarik terkecil, gaya angkat terbesar dan menghasilkan
slip roda terendah Smith dan Williford, 1988 diacu dalam Tupper, 1997.
D. Tahanan Tarik Pengolahan Tanah dan Pengukurannya D.1 Definisi dan faktor-faktor yang mempengaruhi tahanan tarik
Setiap alat pengolah tanah dalam operasinya pasti akan mengalami tahanan tarik tanah sebagai reaksi tanah akibat beban dari alat tersebut. Pada
operasi di lapangan tahanan tarik yang dialami oleh suatu alat besarnya adalah sama dengan besar gaya yang diberikan pada tanah dengan arah yang
berlawanan dengan gerak maju alat. Dengan demikian tahanan tarik dapat didefinisikan sebagai komponen gaya horizontal yang sejajar garis tegak alat
penarik dengan arah berlawanan Kepner et al., 1978. Tarikan pada suatu alat implemen diartikan sebagai total gaya yang digunakan pada implemen
oleh suatu unit tenaga tarik. Selanjutnya Kepner et al.,1978 mengartikan besar tahanan tarik dalam tiap luas pengolahan tanah sebagai tahanan tarik
spesifik, sedangkan tahanan tarik yang tegak lurus arah gerak dinamakan side draft
. Tahanan tarik merupakan komponen gaya horizontal dari gaya tarik pull sejajar gerak maju alat yang diusahakan pada implemen oleh suatu unit
tenaga. Sedangkan tahanan tarik spesifik merupakan tahanan tarik per satuan luas penampang bajak dan dinyatakan dalam satuan Nm
2
. Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya tahanan tarik tanah antara
lain lebar implemen, kedalaman olah kondisi tanah dan kecepatan maju Upadhyaya et al., 1984 diacu dalam Al-Janobi et al., 1998. Kondisi tanah
yang mempengaruhi besarnya tahanan tarik adalah tekstur tanah, kandungan air tanah, vegetasi yang tumbuh dan porositas tanah. Kandungan air tanah
mempengaruhi besarnya tahanan tarik. Peningkatan kandungan air tanah
8 akan membuat tahanan tarik tanah turun hingga titik tertentu kemudian akan
meningkat kembali Upadhyaya et al., 1984 diacu dalam Al-Janobi et al., 1998. Cara operasi yang mempengaruhi besarnya tahanan tarik adalah
kedalaman olah, lebar olah dan kecepatan maju Kepner et al., 1978. Dan faktor bentuk alat yang mempengaruhi besarnya tahanan tarik adalah berat
alat, lebar implemen, bentuk implemen, ketajaman alat dan kualitas bahan. Tahanan tarik merupakan penjumlahan dari gaya-gaya untuk mengatasi
kohesi, adhesi, tahanan terhadap kompresi, geseran dan gesekan antara permukaan tanah dengan alat Baver et al., 1972.
D.2. Sifat dan kondisi tanah
Geseran atau koefisien gesekan dalam tanah merupakan sifat dinamik tanah yang utama dalam interaksi tanah dengan alat. Yang termasuk dalam
nilai geseran tersebut adalah kohesi tanah dan gesekan dalam tanah Kepner et al., 1978. Data mengenai hubungan beberapa faktor utama sifat dinamis
tanah yang terlibat dalam pengolahan tanah disajikan pada Gambar 3. Nilai geseran meningkat sampai titik maksimumnya pada batas plastisnya. Nilai
maksimumnya setara dengan indeks plastisistasnya. Gesekan antara tanah dan logam merupakan suatau variabel penting
dalam proses pengolahan tanah. Dalam pengolahan tanah terdapat tiga fase dalam interaksi gesekan tanah dengan logam yang tergantung pada
kelembaban tanah dan bobot serta bahan logamnya Baver et al., 1972. Fase pertama adalah gesekan yang sebenarnya antara logam dengan tanah kering.
Fase kedua didominasi oleh adhesi tanah terhadap logam melalui selaput air saat kelembaban tanah meningkat. Nilai adhesi meningkat sampai batas
maksimumnya dekat batas cair dengan peningkatan sesuai dengan indeks plastisitasnya Gambar 3. saat kelembaban tanah meningkat diatas batas
cairnya, kandungan air cukup banyak sehingga memungkinkan terjadinya efek pelumasan dan koefisien gesekan menjadi konstan bahkan sedikit
menurun, fase ini disebut juga fase pelumasan.
9 Gambar 3. Hubungan faktor-faktor dinamik pada pengolahan tanah
dengan kelembaban tanah Baver et al., 1972 Tahanan terhadap kompresi merupakan hal yang sangat penting dalam
proses pengolahan tanah, karena dalam penerapan tekanan pada tanah terjadi proses kompresi sebelum terjadi geseran. Seperti terlihat pada Gambar 3.
tahanan terhadap kompresi meningkat sampai nilai maksimum dalam daerah plastisnya yang kemudian menurun.
Kuczewski 1981 diacu dalam Mulyana 2001 dalam usahanya untuk menduga tahanan tarik yang dibutuhkan untuk menggerakan bajak singkal,
memakai parameter-parameter tanah, bajak dan alat pengukur kekerasan tanah probes. Parameter-parameter tanah yang nampak menonjol dan
dipakai dalam persamaan matematisnya adalah: parameter kompresi tanah, parameter geseran tanah kohesi dan sudut gesekan dalam, parameter
pemotongan tanah, kerapatan isi tanah dan kelembaban tanah.
D.3. Cara ragam gerak alat
Ragam gerak alat menyangkut orientasi alat, lintasan alat dalam tanah dan kecepatan kerja alat. Untuk alat yang bekerja pada lintasan lurus bukan
rotari, lintasan alat ditandai dengan kedalaman dan lebar potong. Orientasi berkaitan dengan hubungan permukaan alat dan arah maju alat. Untuk alat
yang kompleks biasa dinyatakan dengan sudut angkat lift angle, sudut samping side angle, sudut olah tilt angle dan sudut celah clearance
10 angle
. Sedangkan pada bajak piring sering disebut sebagai sudut piringan disc angle dan sudut olah tilt angle. Kepner et al. 1978 menyatakan
bahwa tahanan tarik bajak subsoil tipe chisel menurun dengan menurunnya sudut angkat kecuali dibawah 20
o
, pada sudut angkat 20
o
tersebut terjadi
tahanan tarik minimum.
Gill dan Vanden Berg 1968 menyatakan bahwa pada kondisi tanah yang umum tahanan tarik pembajakan cenderung meningkat dengan
meningkatnya kedalaman dan lebar pembajakan. Bajak tipe chisel dengan lima unit chisel memiliki tahanan tarik 507, 3264 dan 5200 N masing-masing
untuk kedalaman operasi 8.3 cm, 33.6 cm dan 43.8 cm. Kepner et al. 1978 menyatakan bahwa peningkatan kecepatan maju
akan meningkatkan tahanan tarik, hal ini disebabkan oleh percepatan yang lebih tinggi pada tanah yang digerakkannya. Alasan percepatan tanah
meningkatkan tahanan tarik adalah: 1 gaya akselerasi meningkatkan beban normal pada permukaan kontak tanah dengan bajak, karenanya
meningkatkan tahanan gesekan, dan 2 karena energi kinetik yang diberikan pada tanah. Peningkatan kecepatan maju akan meningkatan tahanan tarik
secara signifikan dengan hubungan yang beragam mulai dari linier hingga kuadratik Grisso et al., 1994 diacu dalam Al-Janobi et al.,1998.
D.4. Metode pengukuran tahanan tarik pengolahan tanah
Pengukuran tahanan tarik pengolahan tanah dapat dilakukan dengan penetrometer dan atau dinamometer. Pengukuran dengan penetrometer hanya
mengamati faktor tanah dalam perhitungan tahanan tarik tanah, sedangkan dengan dinamometer diperhitungkan juga faktor tenaga penggerak dan faktor
alat. Dinamometer yang tersedia di pasaran ada berbagai jenis antara lain
dinamometer pegas, hidrolik dan strain gauge Hunt, 1977. Jenis dinamometer yang paling sederhana adalah dinamometer pegas. Dinamometer
pegas hanya terbatas untuk pengukuran kasar ketelitian rendah, hal ini disebabkan fluktuasi beban yang terjadi pada penggandengan peralatan
pertanian Liljedahl et al., 1989. Sulastri 2000 melakukan pengukuran tahanan tarik subsoiler tunggal dengan penggetar paksa menggunakan load
11 cell
yang merupakan salah satu jenis dinamometer pegas yang dipasang pada kawat penarik yang menghubungkan dua buah traktor roda empat.
Dinamometer hidrolik terdiri dari silinder hidrolik yang berisi minyak piston. Dengan mekanisme piston dalam silinder, tekanan atau tarikan
menimbulkan tekanan hidrolik yang diteruskan pada pengukur Bourdon Liljedahl et al., 1989. Fluktuasi jarum penunjuk pada tabung Bourdon
dapat diredam dengan memakai cairan yang lebih kental atau dengan mekanisme throttling valve Liljedahl et al., 1989. Jenis dinamometer strain
gauge dapat digunakan untuk mengukur tahanan tarik dengan lebih teliti
Liljedahl et al., 1989. Karena bentuknya yang sederhana dan sifatnya yang serba guna serta mudah dikombinasikan dengan instrumen-instrumen
elektronik lain maka dinamometer jenis strain gauge berkembang sangat pesat.
Dinamometer tiga titik gandeng adalah salah satu jenis dinamometer strain gauge
. Dengan menggunakan dinamometer ini maka cukup menggunakan satu unit traktor saja. Dinamometer ini dipasang diantara
implemen dan tiga titik gandeng pada traktor.
D.5. Aplikasi getaran pada alat pengolahan tanah
Sampai saat ini masih banyak dilakukan penelitian-penelitian untuk menurunkan tahanan tarik pada proses pengolahan tanah, diantaranya adalah
dengan menggunakan getaran pada alat-alat pengolahan tanah khususnya pada komponen yang mengalami kontak langsung dengan tanah. Butson dan
MacIntyre 1981 melakukan percobaan dengan membuat desain bajak yang digoyangkan ke arah depan dan belakang melalui putaran poros eksentrik
dari putaran sebuah motor. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa penurunan tahanan tarik terjadi ketika rasio antara kecepatan getar dan
kecepatan maju lebih besar dari satu, yaitu kecepatan getar harus lebih tinggi dari kecepatan maju alat.
12 Gambar 4. Model bajak subsoil getar untuk pengujian tahanan tarik
pada bak tanah oleh Butson dan MacIntyre 1981 Sri Sulastri 2000 melakukan penelitian tentang rancang bangun dan
uji fungsional mekanisme penggetar dalam upaya menurunkan tahanan tarik tanah pada penggunaan bajak chisel. Mekanisme penggetar yang digunakan
terdiri dari sebuah girboks yang berisi sepasang roda gigi kerucut lurus dengan rasio transmisi 1 : 1 dan dua buah poros yang berfungsi sebagai
penerima putaran PTO dan sebagai penyalur putaran ke bagian eksentrik. Pada bagian poros eksentrik dipasang sepasang lengan yang dihubungkan ke
bagian atas bilah bajak subsoiler. Gerakan maju mundur dari lengan getar tersebut menyebabkan bilah bajak berayun ke depan dan ke belakang searah
dengan gerakan traktor. Hasil pengujian di lapangan, pembajakan dengan getaran menghasilkan nilai tahanan tarik lebih rendah yaitu sebesar 6.40 –
8.97 kN dibandingkan dengan pembajakan tanpa getaran yang menghasilkan tahanan tarik antara 6.75 – 10.43 kN. Rasio kecepatan bernilai lebih dari satu
kecepatan maju 0.52 ms dan kecepatan getar 1.08 ms. Parameter untuk mengoperasikan alat pengolah tanah yang
menggunakan getaran meliputi kecepatan maju, frekuensi maju, frekuensi getar, amplitudo getar, bentuk pisau, sudut angkat dan karakter fisik tanah.
Beberapa penelitian telah menunjukkan adanya hubungan antara penurunan tahanan tarik dengan berbagai parameter yang ditunjukkan dengan rasio
antara kecepatan getar dan kecepatan maju Sakai et al., 1992.
13 Penelitian menunjukkan bahwa efek dari alat pengolah tanah yang
menggunakan getaran dengan kombinasi yang sesuai dengan parameter- parameter yang telah disebutkan sebelumnya, maka tahanan tarik yang
diperlukan dapat diturunkan menjadi 50 – 75 jika dibandingkan dengan alat yang sama tanpa getaran. Efek penggunaan parameter di atas tidak tetap,
tapi secara umum telah ditemukan bahwa tahanan tarik akan menurun jika terjadi peningkatan kecepatan getar atau frekuensi getar, dan akan meningkat
jika terjadi peningkatan kecepatan maju Verma, 1969 diacu dalam Kepner
et al., 1978.
Gambar 5. Hubungan tahanan tarik dengan rasio kecepatan Gunn dan Tramontini, 1955
D.6. Tahanan tarik bajak subsoil getar
Bajak getar pada prinsipnya adalah sebuah bajak yang meminimumkan masukan tenaga dalam proses pengolahan tanah dengan output yang hanya
berasal dari PTO saja. Sehingga bajak getar termasuk ke dalam kategori alat “multi powered”. Alat “multi powered” adalah alat yang mendapatkan energi
yang dibutuhkan untuk menggerakannya dengan lebih dari satu cara, namun tidak perlu disuplai oleh lebih dari satu sumber energi Gill dan Vanden
Berg, 1968. Pengamatan menggunakan model bajak subsoil tergetar pada soil bin
memperlihatkan bahwa frekuensi, amplitudo dan kecepatan pengolahan
14 merupakan peubah-peubah yang mempengaruhi tahanan tarik sedemikian
rupa sehingga kenaikan frekuensi menurunkan tahanan tarik Darmawan, 1990. Penggetaran pisau di tanah jenis lempung berpasir dengan mode
getaran sinusoidal melaporkan bahwa, tahanan tarik menurun lebih dari 50 baik pada kondisi basah kadar air 35.4 – 39.3 maupun kondisi kering
kadar air 26.5 – 28.9. Getaran osilasi pada desain bajak getar dapat menurunkan tahanan tarik pembajakan, dan juga memberikan pengaruh
sekunder seperti tanah yang diolah lebih remah hasilnya, mengurangi pemadatan dan penggumpalan serta adhesi Al-Jubouri dan McNulty, 1984.
Pada penggetaran pisau dalam soil bin, Kawamura et al. 1986 telah merancang bajak getar dengan konstruksi seperti Gambar 6. Bagian-
bagiannya terdiri atas mekanisme penggetar, piringan coulter, pisau dan lengan getar, singkal A yang menghubungkan pisau dengan singkal, dan
singkal B dan C. Bagian-bagian dari bajak ini tersusun atas tiga unit utama, yaitu unit
penggerak mekanisme togel yang tersusun dari 3 bagian lengan getar, unit kedua adalah unit pemotongan tanah pisau yang berbentuk V dengan lebar
55 cm terpasang pada lengan getar shank dan unit ketiga adalah unit pembalikan tanah singkal dengan rancangan yang khusus tersusun pada
satu garis sejajar dengan arah tarikan untuk enam alur pembajakan 3 bottom bajak.
Gambar 6. Ilustrasi bajak getar Kawamura et al., 1986
15 Menurut Gill dan Vanden Berg, 1968 gaya tarik yang dibutuhkan
untuk menarik taji berosilasi, lebih rendah daripada taji yang kaku. Hal tersebut disebabkan:
1. Getaran mempengaruhi keseimbangan gaya-gaya pada suatu volume tanah. Gaya-gaya gesekan berubah arahnya dan gaya normal menurun.
2. Getaran mengurangi sudut gesekan tanah dengan logam. 3. Getaran mengurangi kekerasan tanah.
Selanjutnya Gill dan Vanden Berg 1968 mengemukakan bahwa penggetaran dapat menurunkan tarikan drawbar pull hingga 70, tetapi
pengurangan ini umumnya kurang dari atau sama dengan energi ekstra yang dikonsumsi dalam getaran. Kemungkinan energi ekstra ini dapat dikurangi
terutama dalam sistem transmisi alat tersebut, oleh karena itu perbaikan lebih lanjut dalam sistem transmisi akan memperbaiki keseimbangan energi. Hasil
yang dapat dikemukakan adalah bahwa : • Osilasi dapat menurunkan tahanan tarik hingga 50.
• Peningkatan osilasi menurunkan tahanan tarik. • Frekuensi memiliki pengaruh terbesar dalam upaya penurunan tahanan
tarik, sedangkan kecepatan maju pengaruhnya kecil. • Arah osilasi dan kedalaman olah tidak begitu berpengaruh terhadap
kebutuhan tenaga untuk osilasi. • Apabila amplitudo naik maka kebutuhan tenaga naik dan
menggandakan frekuensi osilasi, kebutuhan tenaga akan mendekati dua kali lipat.
16
III. METODE PENELITIAN