Proses Transportasi Sedimen di Lingkungan Pesisir
PROSES TRANSPORTASI SEDIMEN DI LINGKUNGAN PESISIR
Definisi: kecepatan pengendapan atau kecepatan jatuh atau kecepatan terminal ( w s ¿
dari
partikel sedimen didefinisikan sebagai tingkat di mana sedimen mengendap dalam keadan
cair. Ini merupakan diagnostik ukuran butir, tetapi juga peka terhadap bentuk (kebulatan dan
kebulatan) dan kepadatan buliran serta viskositas dan densitas fluida. Ini mengintegrasikan
semua ini menjadi parameter transportasi utama.
Viskositas: Viskositas dinamis (μ, massa = panjang = waktu) dan viskositas kinematik (v =
μ/ρ, length2 = waktu) dari pengaruh pengendapan kecepatan cairan. Visikositas tergantung
pada suhu. Nilai viskositas udara, air murni, dan air laut yang diberikan pada catatan.
A. Keseimbangan gaya pada pengendapan partikel.
Suatu partikel yang mengendap dalam air karena adanya gaya gravitasi
akan mengalami percepatan sampai gaya dari tahanan dapat mengimbangi gaya
gravitasi, setelah terjadi kesetimbangan partikel akan terus mengendap pada
kecepatan kostan yang dikenal sebagai kecepatan akhir atau kecepatan
pengendapan bebas.
Laju pengendapan partikel dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor,
yaitu :
1.
2.
3.
4.
5.
Berat jenis air
Berat jenis partikel padatan
Viskositas air
Aliran dalam bak pengendapan
Bentuk dan ukuran partikel
Berat jenis fluida lebih besar dari pada berat jenis partikel
padatanya, maka laju pengendapanya lamban. Begitu juga sebaliknya,
semakin besar berat jenis partikel maka laju pengendapannya cepat.
Laju pengendapan sangat dipengaruhi oleh viskositas dimana
viskositas sangat berkaitan erat dengan suhu yang ada. Bila temperatur
tinggi maka viskositas menurun sehingga bantuk dan ukuran partikel
semakin kecil sehingga laju pengendapan cepat.
Kemajuan dalam memprediksi kecepatan pengendapan sedimen datang dari kerja
teoritis dan laboratorium dari sebuah sekolah. Gaya gravitasi, daya apung, dan gaya dorong
atas partikel dalam fluida merupakan gaya-gaya yang terjadi pada proses pengendapan
partikel.
Gravitasi: Gaya gravitasi bersih merupakan perbedaan antara berat dan daya apung
(FG = ρsVg, Fb = ρVg) di mana ρs dan ρ adalah sedimen dan densitas cairan, V adalah
volume partikel sedimen, dan g adalah percepatan gravitasi (g ≈ 980cm/s2 = 9.8m = s2). Jika
kita mendefinisikan positif ke bawah, gaya gravitasi bersih pada partikel itu adalah.
Catatan: Gaya (F) (massa x percepatan) memiliki satuan Newton (SI) atau dyne, di
mana 1 N = 1 kgm/s2, 1 dy = 1 gcm/s2, and 1 N = 105dy.
Untuk bidang, volume, V=
4 3 π 3
π r = D ,, di mana D adalah diameter butiran.
3
6
gaya gravitasi bersih atas sebuah bidang adalah itu adalah Persamaan 2. Gaya gravitasi bersih
ke bawah (positif) adalah sedimen yang lebih padat dari cairan, dan ke atas (kurang dari nol)
adalah sedimen kurang padat dari pada cairan.
Bayangkan sebutir sedimen awalnya saat istirahat. Setelah gaya gravitasi mulai
mempercepat partikel, kecepatannya meningkat. Sedimen, sekarang bergerak melalui fluida,
akan merasakan gaya dorong gesekan, FD, yang sebanding dengan kuadrat dari kecepatan
relatif dari partikel dalam cairan. FD akan meningkat karena partikel mempercepat, sampai,
akhirnya, gaya dorongan persis menyeimbangkan gaya gravitasi bersih. Pada saat itu,
sedimen telah mencapai kecepatan jatuh terminal.
Gaya Dorong: Kekuatan dorong tergantung pada bentuk partikel, ukuran, dan
kecepatan relatif, dan densitas dan viskositas fluida.
di mana u adalah kecepatan partikel relatif terhadap fluida, dan A adalah luas cross
sectional dari tegak lurus partikel lintasan. Hambatan koefisien, CD, adalah nomor nondimensi yang tergantung pada bentuk partikel, viskositas kinematik fluida, dan ukuran butir.
Kita dapat melihat dari Persamaan 3, bahwa gaya dorong akan meningkat dengan kuadrat
dari kecepatan dari sebuah pengendapan partikel.
Gaya total pada partikel akan menjadi perbendaan antara gaya gravitasi bersih dan
gaya dorongan, Fg - FD. Setelah gaya dorongan meningkat ke titik di mana keseimbangan
gaya gravitasi (FD = Fg), partikel akan berhenti untuk mempercepat dan akan telah mencapai
kecepatan terminal.
Pada titik ini kecepatan dalam Persamaan 3 sama dengan kecepatan pengendapan, u =
ws. Dengan menyamakan hukum dorongan (Persamaan 3) dengan definisi gaya gravitasi
bersih (Persamaan 1), dan menggantikannya ws untuk u kita mendapatkan hukum umum
untuk menyelesaikan:
Koefisien dorong: Untuk melangkah lebih jauh dengan ini, kita perlu berpikir tentang
koefisien dorongan, CD. Koefisien dorongan telah didefinisi untuk objek dengan bentuk
berbeda, dan studi laboratorium telah digunakan untuk merencanakan koefisien dorong untuk
berbagai karakteristik ow. Untuk kasus pengendapan butiran alami, satu pendekatan adalah
dengan menggunakan hubungan teoritis dan empiris yang diperoleh untuk lingkungan yang
sempurna, dan kemudian menyesuaikan mereka untuk menjelaskan berbagai bentuk sedimen
alami.
Hukum Stoke
Gaya gesek antara permukaan benda padat yang bergerak dengan fluida akan
sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda ini terhadap fluida. Hambatan gerak benda di
dalam fluida disebabkan oleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaan
benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebanding dengan koefisien
viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesek adalah:
Fs=6 π r η v
Keterangan: Fs : gaya gesek (N) r : jari-jari benda (m) v : kecepatan jatuh dalam fluida (m/s)
Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stokes. Penentuan η dengan mengunakan
hukum Stokes dapat dilakukan dengan percobaan kelereng jatuh. Sewaktu kelereng
dijatuhkan ke dalam bejana kaca yang berisi cairan yang hendak ditentukan koefisien
viskositasnya, kecepatan kelereng semakin lama semakin cepat. Sesuai dengan hukum
Stokes, makin cepat gerakannya, makin besar gaya geseknya. Hal ini menyebabkan gaya
berat kelereng tepat setimbang dengan gaya gesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap
sebesar v sehingga berlaku persamaan:
w = Fs
m.g=6πrηv
Penyelesaian Hukum Stoke berasal dari penyederhanaan Persamaan 4 untuk kasus
sebuah bidang kecil. Koefisien dorongan dari bidang telah ditemukan menjadi fungsi dari
sejumlah nomor non dimensional, partikel bilangan Reynolds,
RD
uD
, dimana u, D, dan v
v
adalah kecepatan, diameter bidang, dan viskositas kinematik. Partikel Reynolds digunakan
untuk menunjukkan apakah lapisan batas di sekitar partikel adalah turbulen atau laminar, dan
hambatan yang diberikan akan bergantung pada hal ini. Catatan memberikan hubungan antara
koefisien dorongan dan partikel bilangan Reynolds untuk lingkungan.
Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L)
yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran
tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya
laminar dan turbulen.
Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting
dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain,
untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang
mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula,
memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan
dinamis.
Untuk bilangan Reynolds partikel kecil (RD 0,005
s
s
s
mendekati kisaran Stoke, karena sedimen, D = 0,0088 cm dan w s =
2
D ws≈
0:0053 cm / s, memberikan
cm
s
0:0053
termasuk sedimen yang berukuran 3.5
∅
. Jadi, di dalam air, kisaran Stoke
dan halus. Hukum Stoke adalah dasar untuk
mengukur “diameter efektif" dari partikel yang mengendap. Kecepatan pengendapan telah
diukur, dan kemudian diameter dari lapisan yang seimbang didukung dari Persamaan 7.
Untuk
meringkas,
dalam
pengendapan meningkat dengan
kisaran
Stoke,
( R D
Definisi: kecepatan pengendapan atau kecepatan jatuh atau kecepatan terminal ( w s ¿
dari
partikel sedimen didefinisikan sebagai tingkat di mana sedimen mengendap dalam keadan
cair. Ini merupakan diagnostik ukuran butir, tetapi juga peka terhadap bentuk (kebulatan dan
kebulatan) dan kepadatan buliran serta viskositas dan densitas fluida. Ini mengintegrasikan
semua ini menjadi parameter transportasi utama.
Viskositas: Viskositas dinamis (μ, massa = panjang = waktu) dan viskositas kinematik (v =
μ/ρ, length2 = waktu) dari pengaruh pengendapan kecepatan cairan. Visikositas tergantung
pada suhu. Nilai viskositas udara, air murni, dan air laut yang diberikan pada catatan.
A. Keseimbangan gaya pada pengendapan partikel.
Suatu partikel yang mengendap dalam air karena adanya gaya gravitasi
akan mengalami percepatan sampai gaya dari tahanan dapat mengimbangi gaya
gravitasi, setelah terjadi kesetimbangan partikel akan terus mengendap pada
kecepatan kostan yang dikenal sebagai kecepatan akhir atau kecepatan
pengendapan bebas.
Laju pengendapan partikel dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor,
yaitu :
1.
2.
3.
4.
5.
Berat jenis air
Berat jenis partikel padatan
Viskositas air
Aliran dalam bak pengendapan
Bentuk dan ukuran partikel
Berat jenis fluida lebih besar dari pada berat jenis partikel
padatanya, maka laju pengendapanya lamban. Begitu juga sebaliknya,
semakin besar berat jenis partikel maka laju pengendapannya cepat.
Laju pengendapan sangat dipengaruhi oleh viskositas dimana
viskositas sangat berkaitan erat dengan suhu yang ada. Bila temperatur
tinggi maka viskositas menurun sehingga bantuk dan ukuran partikel
semakin kecil sehingga laju pengendapan cepat.
Kemajuan dalam memprediksi kecepatan pengendapan sedimen datang dari kerja
teoritis dan laboratorium dari sebuah sekolah. Gaya gravitasi, daya apung, dan gaya dorong
atas partikel dalam fluida merupakan gaya-gaya yang terjadi pada proses pengendapan
partikel.
Gravitasi: Gaya gravitasi bersih merupakan perbedaan antara berat dan daya apung
(FG = ρsVg, Fb = ρVg) di mana ρs dan ρ adalah sedimen dan densitas cairan, V adalah
volume partikel sedimen, dan g adalah percepatan gravitasi (g ≈ 980cm/s2 = 9.8m = s2). Jika
kita mendefinisikan positif ke bawah, gaya gravitasi bersih pada partikel itu adalah.
Catatan: Gaya (F) (massa x percepatan) memiliki satuan Newton (SI) atau dyne, di
mana 1 N = 1 kgm/s2, 1 dy = 1 gcm/s2, and 1 N = 105dy.
Untuk bidang, volume, V=
4 3 π 3
π r = D ,, di mana D adalah diameter butiran.
3
6
gaya gravitasi bersih atas sebuah bidang adalah itu adalah Persamaan 2. Gaya gravitasi bersih
ke bawah (positif) adalah sedimen yang lebih padat dari cairan, dan ke atas (kurang dari nol)
adalah sedimen kurang padat dari pada cairan.
Bayangkan sebutir sedimen awalnya saat istirahat. Setelah gaya gravitasi mulai
mempercepat partikel, kecepatannya meningkat. Sedimen, sekarang bergerak melalui fluida,
akan merasakan gaya dorong gesekan, FD, yang sebanding dengan kuadrat dari kecepatan
relatif dari partikel dalam cairan. FD akan meningkat karena partikel mempercepat, sampai,
akhirnya, gaya dorongan persis menyeimbangkan gaya gravitasi bersih. Pada saat itu,
sedimen telah mencapai kecepatan jatuh terminal.
Gaya Dorong: Kekuatan dorong tergantung pada bentuk partikel, ukuran, dan
kecepatan relatif, dan densitas dan viskositas fluida.
di mana u adalah kecepatan partikel relatif terhadap fluida, dan A adalah luas cross
sectional dari tegak lurus partikel lintasan. Hambatan koefisien, CD, adalah nomor nondimensi yang tergantung pada bentuk partikel, viskositas kinematik fluida, dan ukuran butir.
Kita dapat melihat dari Persamaan 3, bahwa gaya dorong akan meningkat dengan kuadrat
dari kecepatan dari sebuah pengendapan partikel.
Gaya total pada partikel akan menjadi perbendaan antara gaya gravitasi bersih dan
gaya dorongan, Fg - FD. Setelah gaya dorongan meningkat ke titik di mana keseimbangan
gaya gravitasi (FD = Fg), partikel akan berhenti untuk mempercepat dan akan telah mencapai
kecepatan terminal.
Pada titik ini kecepatan dalam Persamaan 3 sama dengan kecepatan pengendapan, u =
ws. Dengan menyamakan hukum dorongan (Persamaan 3) dengan definisi gaya gravitasi
bersih (Persamaan 1), dan menggantikannya ws untuk u kita mendapatkan hukum umum
untuk menyelesaikan:
Koefisien dorong: Untuk melangkah lebih jauh dengan ini, kita perlu berpikir tentang
koefisien dorongan, CD. Koefisien dorongan telah didefinisi untuk objek dengan bentuk
berbeda, dan studi laboratorium telah digunakan untuk merencanakan koefisien dorong untuk
berbagai karakteristik ow. Untuk kasus pengendapan butiran alami, satu pendekatan adalah
dengan menggunakan hubungan teoritis dan empiris yang diperoleh untuk lingkungan yang
sempurna, dan kemudian menyesuaikan mereka untuk menjelaskan berbagai bentuk sedimen
alami.
Hukum Stoke
Gaya gesek antara permukaan benda padat yang bergerak dengan fluida akan
sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda ini terhadap fluida. Hambatan gerak benda di
dalam fluida disebabkan oleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaan
benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebanding dengan koefisien
viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesek adalah:
Fs=6 π r η v
Keterangan: Fs : gaya gesek (N) r : jari-jari benda (m) v : kecepatan jatuh dalam fluida (m/s)
Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stokes. Penentuan η dengan mengunakan
hukum Stokes dapat dilakukan dengan percobaan kelereng jatuh. Sewaktu kelereng
dijatuhkan ke dalam bejana kaca yang berisi cairan yang hendak ditentukan koefisien
viskositasnya, kecepatan kelereng semakin lama semakin cepat. Sesuai dengan hukum
Stokes, makin cepat gerakannya, makin besar gaya geseknya. Hal ini menyebabkan gaya
berat kelereng tepat setimbang dengan gaya gesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap
sebesar v sehingga berlaku persamaan:
w = Fs
m.g=6πrηv
Penyelesaian Hukum Stoke berasal dari penyederhanaan Persamaan 4 untuk kasus
sebuah bidang kecil. Koefisien dorongan dari bidang telah ditemukan menjadi fungsi dari
sejumlah nomor non dimensional, partikel bilangan Reynolds,
RD
uD
, dimana u, D, dan v
v
adalah kecepatan, diameter bidang, dan viskositas kinematik. Partikel Reynolds digunakan
untuk menunjukkan apakah lapisan batas di sekitar partikel adalah turbulen atau laminar, dan
hambatan yang diberikan akan bergantung pada hal ini. Catatan memberikan hubungan antara
koefisien dorongan dan partikel bilangan Reynolds untuk lingkungan.
Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L)
yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran
tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya
laminar dan turbulen.
Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting
dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain,
untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang
mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula,
memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan
dinamis.
Untuk bilangan Reynolds partikel kecil (RD 0,005
s
s
s
mendekati kisaran Stoke, karena sedimen, D = 0,0088 cm dan w s =
2
D ws≈
0:0053 cm / s, memberikan
cm
s
0:0053
termasuk sedimen yang berukuran 3.5
∅
. Jadi, di dalam air, kisaran Stoke
dan halus. Hukum Stoke adalah dasar untuk
mengukur “diameter efektif" dari partikel yang mengendap. Kecepatan pengendapan telah
diukur, dan kemudian diameter dari lapisan yang seimbang didukung dari Persamaan 7.
Untuk
meringkas,
dalam
pengendapan meningkat dengan
kisaran
Stoke,
( R D