8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Mekanika Fluida dan Hidraulika
Mekanika Fluida dan hidraulika merupakan cabang mekanika terapan yang terurai dari perilaku fluida saat bergerak maupun diam. Dalam fluida statis,
berat spesifik sangat penting, sedangkan dalam fluida dinamis, massa jenis dan viskositas merupakan komponen utama.
Fluida merupakan zat yang mampu mengalir dan menyesuaikan bentuknya dengan bejana. Fluida diklasifikasikan sebagai cair atau gas Schaum, 1995.
2.2 Sifat-Sifat Air
Tahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil, sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruangantempat yang membatasinya.
Fluida dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu zat cair dan zat gas. Zat cair dan zat gas mempunyai sifat-sifat serupa, yang terpenting adalah
sebagai berikut ini: 1.
Kedua zat ini tidak melawan perubahan bentuk, dan 2.
Kedua zat tidak mengadakan reaksi terhadap gaya geser, yaitu gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan lapisan-lapisan zat cair atau gas yang
mencoba untuk menggeser lapisan-lapisan tersebut antara satu terhadap yang lain. Oleh karena itu apabila ada sentuhan sedikit saja, dua lapisan yang saling
berdampingan akan bergerak antara satu terhadap lainnya. Sedang perbedaan utama antara zat cair dan gas adalah sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
9
1. Zat cair mempunyai permukaan bebas, dan massa zat cair hanya akan mengisi
volume yang diperlukan dalam suatu ruangan, sedangkan gas tidak mempunyai permukaan bebas dan massanya akan mengisi seluruh ruangan,
dan 2.
Zat cair merupakan zat yang praktis tak termampatkan, sedang gas adalah zat yang bisa dimampatkan.
Perilaku zat cair, terutama air, banyak dipelajari dalam bidang teknik sipil, sedang gas banyak dipelajari dalam bidang teknik mesin, kimia, aeronotika, dan
sebagainya. Zat cair mempunyai beberapa sifat berikut ini : 1.
Apabila ruangan lebih besar dari volume zat cair, akan terbentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atmosfer,
2. Mempunyai rapat massa dan berat jenis,
3. Dapat dianggap tidak termampatkan incrompressible,
4. Mempunyai viskositas kekentalan, dan
5. Mempunyai kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan.
Diantara sifat-sifat tersebut, yang terpenting adalah rapat massa, berat jenis, dan viskositas. Aliran zat cair dapat diklasifikasikan menjadin beberapa
macam seperti berikut :
2.2.1 Aliran Invisid dan Viskos
a b
Gambar 2.1 aAliran Viskos dan bAliran Invisid
Universitas Sumatera Utara
10
Aliran invisid adalah aliran di mana kekentalan zat cair ,µ ,dianggap nol zat cair ideal. Sebenarnya zat cair dengan kekentalan nol tidak ada di alam,
tetapi dengan anggapan tersebut akan sangat menyederhanakan permasalahan yangb sangat kompleks dalam hidraulika. Karena zat cair tidak mempunyai
kekentalan maka tidak terjadi tegangan geser antara partikel zat cair dan antara zat cair dengan kekentalan kecil seperti air.
Aliran viskos adalah aliran di mana kekentalan diperhitungkan zat cair rill. Keadaan ini menyebabkan timbulnya tegangan geser antara partikel zat cair
yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Apabila zat cair rill mengalir melalui bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas
tersebut akan mempunyai kecepatan nol diam. Kecepatan zat cair akan bertambah sesuai dengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat
dalamlebar, di luar suatu jarak tertentu dari bidang batas, aliran tidak lagi dipengaruhi oleh hambatan bidang batas. Pada daerah tersebut kecepatan aliran
hamper seragam. Bagian aliran yang berada dekat dengan bidang batas, di mana terjadi perubahan kecepatan yang besar dikenal dengan lapis batas boundary
layer. Di daerah lapis batas ini tegangan geser terbentuk di antara lapis-lapis zat cair yang bergerak dengan kecepatan berbeda karena adanya kekentalan zat cair
dan turbulensi yang menyebabkan partikel zat cair bergerak dari lapis yang satu ke lapis lainnya. Di luar lapis batas tersebut pengaruh tegangan geser yang terjadi
karena adanya bidang batas dapat diabaikan dan zat cair dapat dianggap sebagai zat cair ideal.
Universitas Sumatera Utara
11
2.2.2 Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel
Semua fluida kompresibel sehingga rapat massanya berubah dengan perubahan tekanan. Pada aliran mantap dengan perubahan rapat massa kecil,
sering dilakukan penyederhanaan dengan menganggap bahwa zat cair adalah tak kompresibel dan rapat massa adalah konstan. Oleh karena zat cair mempunyai
kemampatan yang sangat kecil, maka dalam analisis aliran mantap sering dilakukan anggapan zat cair tak kompresibel. Tetapi pada aliran tak mantap
melalui pipa di mana bisa terjadi perubahan tekanan yang sangat besar, maka kompresibilitas zat cair harus diperhitungkan.
Untuk gas di mana kemampatannya besar, maka perubahan rapat massa karena adanya perubahan tekanan harus diperhitungkan.
2.2.3 Aliran Laminer dan Turbulen
a b
Gambar 2.2 a aliran laminar dan b aliran turbulen
Aliran viskos dapat dibedakan dalam aliran laminer dan turbulen. Aliran laminer adalah apabila partikel-partikel zat cair bergerak teratur dengan
membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Apabila zat warna diinjeksikan pada suatu titik dalam aliran, maka zat warna tersebut akan
mengalir menurut garis aliran yang teratur seperti benang tanpa terjadi difusi atau penyebaran.
Universitas Sumatera Utara
12
Pada aliran turbulen Gambar 2.2.b partikel-partikel zat cair bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Zat warna yang dimasukkan
pada suatu titik dalam aliran akan terdifusi dengan cepat ke seluruh aliran. Aliran turbulen terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar, dan zat cair
mempunyai kekentalan kecil. Aliran di sungai, saluran irigasidrainase dan di laut adalah contoh dari aliran turbulen.
2.2.4 Aliran Mantap dan Tak Mantap
Aliran mantap steady flow terjadi jika variabel dari aliran seperti kecepatan V, tekanan p, rapat massa
ρ, penampang aliran A, debit Q, dsb, di sembarang titik pada zat cair tidak berubah dengan waktu.
Dalam aliran turbulen, gerak partikel zat cair selalu tidak beraturan. Di sembarang titik selalu terjadi fluktuasi kecil dari kecepatan. Tetapi jika nilai
reratanya pada suatu periode adalah konstan maka aliran tersebut adalah permanen.
Gambar 2.3 Menunjukkan Kecepatan Sebagai Fungsi Waktu Pada Suatu Titik Dalam Aliran Turbulen Untuk a Aliran Mantap dan b Tak Mantap
Aliran tak mantap unsteady flow terjadi jika variabel aliran pada setiap titik berubah dengan waktu.
Universitas Sumatera Utara
13
Gambar 2.3.b menunjukkan kecepatan sebagai fungsi waktu pada suatu titik dalam aliran turbulen dan tak mantap. Analisis dari aliran ini adalah sangat
kompleks, biasanya penyelesaiannya dilakukan secara numerik dengan menggunakan komputer.
2.2.5 Aliran Seragam dan Tak Seragam
Aliran disebut seragam uniform flow apabila tidak ada perubahan besar dan arah dari kecepatan suatu titik ke titik yang lain di sepanjang aliran Gambar
2.4.a. Demikian juga dengan variabel-variabel lainnya seperti tekanan, rapat massa, kedalaman, debit, dsb.
Aliran tak seragam nonuniform flow terjadi jika semua variabel aliran berubah pada jarak tertentu Gambar 2.4.b
Gambar 2.4 a Aliran Seragam dan b Aliran Tak Seragam
2.2.6 Aliran Satu, Dua dan Tiga Dimensi
Dalam aliran satu dimensi, kecepatan di setiap titik pada tampang lintang mempunyai besar dan arah yang sama. Sebenarnya jenis aliran semacam ini
sangat jarang terjadi. Tetapi dalam analisa hidraulika, aliran tiga dimensi dapat disederhanakan menjadi aliran satu dimensi berdasarkan beberapa anggapan,
misalnya mengabaikan perubahan kecepatan vertical dan melintang terhadap
Universitas Sumatera Utara
14
kecepatan pada arah memanjang. Keadaan pada tampang lintang adalah nilai rata- rata dari kecepatan, rapat massa, dan sifat-sifat lainnya. Perubahan kecepatan
hanya terjadi pada arah aliran. Dalam aliran dua dimensi, semua partikel dianggap mengalir dalam bidang
sepanjang aliran, sehingga tidak ada aliran tegak lurus pada bidang tersebut Gambar 2.5.b. Bidang tersebut bisa mendatar atau vertikal tergantung pada
masalah yang ditinjau. Apabila distribusi vertikal dari kecepatan atau sifat-sifat yang lain adalah penting daripada arah melintang maka aliran dapat dianggap dua
dimensi vertikal. Sedang aliran di saluran yang sangat lebar, misalnya di pantai, maka anggapan aliran dua dimensi mendatar adalah lebih sesuai.
Kebanyakan aliran di alam adalah tiga dimensi, di mana komponen kecepatan u, v, w adalah sangat sulit. Gambar 2.5.c menunjukkan aliran tiga
dimensi.
Gambar 2.5 a Aliran 1 Dimensi, b Aliran 2 Dimensi, dan
c Aliran 3 Dimensi
Universitas Sumatera Utara
15
2.2.7 Aliran Rotasional dan Tak Rotasional
Aliran rotasonal adalah bila setiap partikel zat cair mempunyai kecepatan sudut terhadap pusat massanya.
Gambar 2.6.a. menunjukkan distribusi kecepatan suatu aliran turbulen dari zat cair rill melalui dinding batas lurus. Karena distribusi kecepatan yang tidak
merata, partikel zat cair akan berotasi. Suatu partikel yang semula kedua sumbunya saling tegak lurus setelah mengalami rotasi akan terjadi perubahan
sudut. Pada aliran tak rotasional, distribusi kecepatan di dekat dinding batas adalah merata Gambar 2.6.b. Suatu partikel zat cair tidak berotasi terhadap pusat
massanya.
Gambar 2.6 a Aliran Rotasional dan b Tak Rotasional
2.2.8 Aliran Kritis, Subkritis, dan Superkritis
Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pagangan dalam menentukan dimensi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang
disebut sebagai keadaan aliran modular ialah pada suatu kondisi debitnya maksimum dan energi spesifiknya adalah minimum.
Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan
dapat diidentifikasi melalui tiga kondisi seperti berikut :
Universitas Sumatera Utara
16
Gambar 2.7 Hubungan Antara Debit dan Tinggi Air pada Kondisi Energi Spesifik konstan
Gambar 2.8 Gelombang a Aliran Sub Kritis, b Aliran Kritis, dan c Aliran
Super Kritis
Aliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude F. Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjadi
tiga jenis yaitu aliran kritis, subkritis, dan superkritis Queensland Department of Natural Resources and Mines, 2004. Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai
berikut : a.
Aliran subkritis, jika bilangan Froude lebih kecil dari 1 Fr1. Untuk aliran subkritis, kedalaman biasanya lebih besar dan kecepatan aliran rendah
b. Aliran kritis, jika bilangan Froude sama dengan 1 Fr=1 dan gangguan
permukaan. c.
Aliran superkritis, jika bilangan Froude lebih besar dari 1 Fr1. Untuk aliran superkritis kedalaman relatif lebih kecil dan kecepatan relatif tinggi.
Universitas Sumatera Utara
17
Kondisi aliran melalui pintu sorong sluice gate akan tampak jelas apakah dalam kondisi aliran bebas atau tenggelam, tergantung dari kedalaman air di hilir
pintu yang secara bergantian ditentukan oleh kondisi aliran dihilir pintu tersebut. Kondisi aliran bebas free flow dicapai bila aliran di hulu pintu adalah subkritis,
sedangkan aliran di hilir pintu adalah superkritis Bambang Triatmodjo, 1996.
2.3 Fluida Statik
Tekanan merupakan faktor yang sangat penting di banyak permasalahan mekanika fluida dan hidrolika. Gaya yang diberikan berupa padat, cair dan gas.
Tekanan fluida diteruskan dengan intensitas yang sama ke semua arah berlaku normal disemua wadah. Dalam wadah horizontal yang sama, intensitas
tekanan di cairan adalah sama. Satuan tekanan pada umumnya ialah lbft
2
psf, lbin
2
psi atau Pa Nm
2
. Pada kondisi dimana gaya F didistribusikan terhadap luas, didapat : p =
�
2.1
dimana : p = tekanan Pa = gaya Newton
� = Luas Penampang m
2
Tekanan atmosfer mengacu pada tekanan yang kuat pada udara disekitar kita. Di laut, tekanan atmosfer rata-rata ialah 14,7 psi, 101,3 kPa, 29,9 in 760
mm dalam air raksa atau 1 atmosfer yang umumnya disebut “tekanan standar
atmosfer”.
Universitas Sumatera Utara
18
2.4 Barometer
Barometer merupakan alat untuk mengukur tekanan atmosfer. Barometer sederhana terdiri dari tabung 30 inchi 762 mm yang dimasukkan ke wadah yang
terbuka yang mengandung air raksa dengan ujung tabung tertutup dan tabung yang terbuka diujung dasarnya dengan air raksa keluar dari tabung. Air raksa naik
ke atas tabung setinggi 30 inchi 762 mm di dalam laut. Hanya tekanan yang mampu membuat air raksa naik ke atas tabung dan tentunya jumlah air raksanya
bervariasi sesuai tekanan atmosfernya.
Gambar 2.9 Barometer 2.5
Gaya Hidrostatis di Permukaan Gaya Yang Diberikan Air Pada Bidang Datar
Gaya F diberikan air pada bidang datar A adalah sama terhadap hasil berat specifik γ air, kedalaman pusat gravitasi bidang hcg dengan persamaan :
F=γ
�
.A 2.2
dimana : F = gaya N γ
air
= Berat jenis air
N m
�
= kedalaman pusat gravitasi m A = Luas Penampang m
2
Universitas Sumatera Utara
19
2.6 Tenaga Apung dan Daya Apung