Bab 2 STUDI LITERATUR. 2.1 Model Uji Fisik Prinsip Pemodelan Fisik

Transkripsi

1 Bab SUDI IERAUR Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai.1 Model Uji isik Untuk daat eecahkan easalahan teknik aa insinyu teknik begantung ada tiga teknik yang bebeda naun saling tekait satu dengan yang lainnya, teknik-teknik ini adalah: Obseasi dan engukuan laangan, Obseasi dan engujian laboatoiu Kalkulasi ateatis..1.1 Pinsi Peodelan isik Studi laboatoiu ada uunya dinaakan odel fisik kaena enggunakan eoduksi iniatu dai sebuah siste fisik. Peodelan isik tidak dielukan selaa eodelan nueik daat enggabakan fenoena fisik yang sebenanya. Belu seua fenoena fisik daat di-ateatika-kan saai saat ini Jadi Peodelan isik daat dilakukan aabila: 1. enoena yang akan dilihat adalah fenoena kestabilan dai bangunan antai.. Data kalibasi laangan untuk eodelan ateatika tidak tesedia.. Aea yang diodelkan tidak telalu luas diana aksiu skala eodelan adalah aksiu 1:4. Aabila eodelan dengan skala lebih kecil dai 1:4 seisal 1:5, aka tedaat kondisi diana efek tegangan eukaan ai daat beakibat besa tehada oses eodelan di laboatoiu. Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai

2 4. idak ada odel ateatika untuk eodelkan suatu easalahan. Selanjutnya aabila tejustifikasi bahwa uji fisik haus dilaksanakan, aka haus ditentukan wahana uji fisik ana yang cocok untuk suatu kasus. Wahana yang ada adalah: 1. Pada saluan gelobang -D. Pada kola gelobang -D Uji isik dilakukan ada saluan gelobang -D bila didaatkan: 1. Peodelan dilakukan untuk engaati kestabilan suatu bangunan antai.. Peodelan dilakukan untuk engaatan detail dengan skala besa yakni lebih besa dai 1:1, sehingga efek skala bisa diinialisi. Pinsi Peodelan isik adalah : 1. Menentukan aiabel yang beengauh dala suatu fenoena di laangan seeti tinggi gelobang, keiingan stuktu dll.. Melakukan enyedehanaan aiabel ada oint (1) di atas untuk eudahkan identifikasi eodelan yang dielukan. Poses enyedehanaan aiabel adalah dengan caa analisa diensi.. Setelah analisa diensi dilakukan aka diidentifikasikan aiabel aa saja yang akan digunakan dan diubah-ubah nilainya, hal ini juga engingat ketebatasan biaya dan keauan laboatoiu. 4. Melakukan en-skala-an dai ototie enjadi odel yakni einiatukan ototie enjadi lebih kecil untuk diletakkan di laboatoiu, untuk itu digunakan insi bahwa aaete bilangan oude antaa ototie dan odel haus saa..1. ujuan Peodelan isik Sendsen (1985) ebuat tiga tujuan yang daat dikeja enggunakan odel fisik (atau ekseien laboatoiu): 1. Mencai endekatan kualitatif ke dala fenoena yang belu tedefinisikan atau diahai (seeti foasi tubulensi ketika gelobang ecah, foasi dai lubang scou/geusan ada stuktu antai).. Mendaatkan engukuan untuk eeifikasi sebuah hasil teoitis (seeti gelobang nonlinea ada aus seaah atau gelobang nonlinea yang saling beinteaksi). Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -

3 . Mendaatkan engukuan untuk fenoena yang begitu uitnya hingga tidak daat didekati secaa teoitis (seeti stabilitas beakwate ubble-ound atau susensi sedien ada dasa laut ile (ile bed))..1. Keuntungan dai Model isik Model-odel fisik dibangun dan dioeasikan dengan skala yang dikuangi, enawakan sebuah ilihan dala hal eeiksa fenoena antai yang beada jauh di lua keauan analisa kita. Dalyle (1985) enyatakan dua keuntungan yang daat dieoleh dengan enggunakan odel fisik untuk eelikasi oses antai (neashoe): 1. Ukuan odel yang kecil engijinkan enguulan data yang lebih udah seanjang eatuan ada biaya yang dikuangi, diana enguulan data laangan lebih ahal dan sulit, dan siulasi engukuan laangan sangat sulit dicaai.. Ekseien daat kita kendalikan sesuai keauan laboatoiu.. Daat elihat uan balik secaa langsung..1.4 Keugian dai Model isik Meskiun tedaat bebeaa keuntungan yang telihat jelas dala ekseien dan eodelan fisik, odel fisik hidaulik eiliki bebeaa efek seius, teutaa: 1. Efek skala Efek skala yang uu tejadi ada odel antai adalah gaya iskos/kekentalan yang elatif lebih besa ada odel beskala dibandingkan ada kondisi ototienya. Seakin kecil skala (di atas 1:4) aka efek iskositas, atauun efek tegangan eukaan ai akan enjadi besa tehada keseluuhan ekseien.. Efek laboatoiu Efek laboatoiu daat eengauhi oses yang disiulasikan ada tingkatan diana endekatan yang layak dai ototie tidak daat dienuhi. Efek laboatoiu seeti ini uncul dai ketidakauan untuk encitakan kondisi gaya yang ealistis dan engauh batasan odel ketika disiulasikan. Sebuah efek laboatoiu yang uu uncul ketika gelobang acak dibangkitkan di dala odel untuk eekiakan aah gelobang yang tejadi ada kondisi yang sebenanya di ala. ekadang seua fungsi gaya dan kondisi batas yang belaku di ala, tidak dilibatkan di dala odel fisik, dan fungsi seta kondisi yang hilang ini haus dibuat enilaian dan diehitungkan dala Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -

4 ealuasi dai hasil odel. Sebagai contoh, tegangan gese angin yang bekeja ada eukaan bebas daat ebangkitkan sikulasi aus dekat antai yang signifikan di ala, yang tentunya tidak diteukan ada odel, yang hanya elibatkan ebangkitan gelobang ekanik.. Analisa Diensi Analisa diensi adalah alat konsetual yang seing diteakan dala ilu teknik untuk eahai keadaan fisik yang elibatkan besaan fisik yang bebeda-beda untuk eeiksa keteatan enuunan esaaan, Jadi, Konse dasa analisa diensi adalah enyedehanakan julah aiabel teisah yang tecaku dala suatu siste fisik tetentu enjadi gu aiabel tak bediensi dengan julah yang lebih kecil. Susunan gu aiabel diilih sedeikian ua sehingga asing-asing gu enggabakan kaakteistik fisik yang signifikan. Dala Siste Intenasional, seua aaete fisik dala teknik kelautan daat dinyatakan dala tiga diensi dasa yakni assa (M), anjang (), waktu (). Vaiabel daat dibedakan bedasakan diensinya enjadi Geoetis dengan diensi Kineatis dengan diensi, Dinais dengan diensi M,, Vaiabel ak Bediensi Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -4

5 abel. 1 Contoh Vaiabel (Douglas et al.,1986; Julien,1995). Vaiabel Sibol Diensi Satuan SI Geoetis () Panjang, x, y uas A Volue V Kineatis (,) Keceatan,u / /detik Peceatan a / /detik Debit satuan q atau Q / /detik Debit Q atau / A / /detik Kekentalan Kineatis ν atau µ / /detik Dinais (M,,) Massa atau /a M Kg Gaya = a atau g M/ kg /detik ekanan P = A M/( ) N/ Keaatan assa ρ M/ kg/ ak Bediensi Keiingan (sloe) S Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -5

6 Vaiabel Sibol Diensi Satuan SI Secific Gaity G = γ s γ ai Bilangan Reynolds R e = uh ν Bilangan oude = ν gy eoi analisa diensi adalah uni ateatika diensi dan kuantitas, yang tedii dai etoda ebentukan aiabel-aiabel yang signifikan ke dala gu yang tak bediensi. Satu langkah etaa dala analisa diensi dala satu fenoena fisik adalah eutuskan aiabel fisik aa saja yang beengauh dala fenoena fisik yang ditinjau. Setelah aiabel fisik ini ditentukan aka daat dilakukan ekseien di laboatoiu untuk enentukan hubungan antaa aiabel ini. ehada aiabel ini dilakukan analisa diensi untuk dieoleh aiabel tak bediensi yang euakan kobinasi antaa aiabel-aiabel fisik ini. Sehingga julah aiabel yang ditinjau dala satu ekseien enjadi bekuang. Alasan engaa analisa diensional digunakan adalah: 1. Hasil odel fisik besifat uu, daat belaku di laangan, dan tidak tegantung ada siste unit satuan tetentu (SI, Aeican Units, dll).. ebih sedikit aiabel yang dikejakan. Konse dasa analisa diensi adalah enyedehanakan julah aiabel teisah yang tecaku dala suatu siste fisik tetentu enjadi gu aiabel tak bediensi dengan julah yang lebih kecil. Susunan gu aiabel diilih sedeikian ua sehingga asing-asing gu enggabakan kaakteistik fisik yang signifikan. eoi analisa diensi adalah uni ateatik dan kuantitas, yang tedii dai etoda ebentukan aiabel-aiabel yang signifikan ke dala gu yang tidak bediensi. Salah satu teoi analisa diensi yang akan dibicaakan dala hal ini adalah Metoda Buckingha-π. Analisis diensi eliuti langkahlangkah: 1. Identifikasi aiabel indeenden yang enting yang eengauhi oses.. Pilih aiabel ana yang akan enjadi aiabel deenden.. entukan beaa banyak oduk aiabel tak bediensi yang dieoleh dengan analisa diensi. 4. Reduksi aiabel siste enjadi bebeaa aiabel tak bediensi indeenden. Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -6

7 Aabila kita lihat langkah 4. di atas, kita daat engetahui bahwa ihak eneliti akan lebih udah eng-analisa suatu kejadian dengan hanya tegantung ada aiabel yang lebih sedikit. Hal lain yang beguna aabila kita bekeja dengan aiabel tak bediensi adalah genealisasi dai enggunaan hasil dai enelitian untuk diteakan di laangan, diana ada hasil yang diesentasikan dala bentuk aiabel tak bediensi belaku tana elu eehatikan siste satuan atau lokasi seeti lot di bawah ini. Gaba. 1 Vaiabel tak bediensi A dan B dai hasil ekseien, dan gafik ini belaku untuk seluuh siste satuan. Satu fenoena yang bentuk esaaannya tak tegantung dai unit engukuan, esaaan tesebut daat dieduksi enjadi oduk aiabel tak bediensi yang asingasing aiabel tak bediensi tesebut tebentuk dai aiabel-aiabel bediensi. Metode Buckingha Phi (π) Metoda Buckingha-π enyatakan bahwa kuantitas fisik sejulah n dengan diensi dasa secaa uu daat disusun enjadi hanya (n-) gu diensi indeendent yang dikenal dengan nisbah (atio) π. Jika julah aiabel ditulis dengan n, dan diensi dasa ditulis dengan, aka julah aiabel non-diensional (δ ) yang dihasilkan dai analisa diensional adalah, δ = n...(.1) Secaa uu, atuan eakaian etoda ini adalah: 1. Vaiabel yang teilih haus aiabel fisik yang teenting. Vaiabel yang teilih haus eliuti seua diensi. Vaiabel indeenden yang tidak beulang sedaat ungkin haus diasukkan 4. Vaiabel alian dasa yang elean haus diasukkan, yaitu: Vaiabel geoetis () Vaiabel kineatis (,) Vaiabel dinais (,,M) Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -7

8 angkah-langkah eakaian adalah: 1. Meeduksi data Buat dafta seua aiabel fisik yang tekait dala suatu siste bedasakan tienya: aiabel geoetis, kineatis, dan dinais.. Matik diensi satuan Buat atik diensi satuan dai aiabel fisik ada oint (1).. entukan Julah oduk non-diensional Menggunakan esaaan (.1) 4. uunkan nisbah (atio) π k1 k k [ ] [ ] [ ] [ ] kn π = V V V... V...(.) δ 1 n Selesaikan esaaan (.) Didasakan endaatkan aiabel indeenden dan deenden yang diinginkan.. Penskalaan..1 Skala Model Skala odel daat dibedakan bedasakan, 1. Kaakteistiknya i. odel fisik a. odel hidolis odel b. odel non-hidolis ii. odel nueik. Gaya yang doinan i. odel Reynolds ii. odel oude iii. odel Newton i. odel Eule. odel Webbe Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -8

9 . Jenis dasa odel i. odel dasa teta (fixed bed odel) ii. odel odel dasa beubah (oeble bed odel) 4. Jenis alian, dan koessibilitas fluida... Menentukan Skala Model Skala dasa untuk sebaang odel hidolis adalah skala geoetis, yaitu nisbah antaa diensi anjang dala odel dan diensi anjang dala ototie. Peilihan skala geoetis yang cocok tegantung ada tie siste fluida yang akan distudi, dan begantung ada uang yang tesedia untuk ebuat odel. Naun deikian esyaatan kesetaaan dinais daat diakai juga untuk enentukan skala odel yang lain. Hal ini dielukan untuk endaatkan odel yang eenuhi kesetaaan dinais sehingga engukuan yang dilakukan ada odel daat digunakan untuk enentukan haga-haga dala ototie. Walauun kiteia skala begantung ada huku odel khusus yang haus diikuti, osedu yang diakai untuk enentukan skala tidak beubah. Oleh kaena itu disini hanya akan dibahas dua aca huku yang aling banyak diakai dala odel hidolika, yaitu huku odel untuk gaya gaitasi dan gaya iskositas. Sedangkan skala odel bedasakan gaya-gaya yang lain akan dibeikan esuenya dala tabel. Kiteia oude Jika gaya gaitasi doinan dala suatu siste, aka skala odel yang diakai bedasakan Bilangan oude. Bilangan oude haus saa antaa odel dan ototie. ( ) ( ) =... (.) g = g... (.4) diana subski dan enunjukkan odel dan ototie. Dengan engangga bahwa eceatan gaitasi adalah konstan diseluuh uka bui, aka Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai -9

10 = 1... (.5) Dala hal ini / dinaakan skala geoeti. Dala ebahasan disini skala geoetis selalu dibeikan dala bentuk /, dan nisbah dinyatakan dengan satuan enyebutnya. Pesaaan (.5), dan skala-skala lain yang akan diuaikan, daat dinyatakan dala (dua) caa. Petaa diakai untuk enentukan keceatan diana odel haus dioeasikan untuk enjain bahwa odel akan ensiulasi keceatan ototi secaa akuat. = 1....(.6) Kedua, kobinasi yang lebih uu, yaitu diakai untuk eediksi keceatan ototi bedasakan keceatan yang diuku dai odel. = 1... (.7) Skala lain daat dituunkan dengan enstansfoasikan esyaatan oude kedala bentuk yang lain. ansfoasi untuk enentukan koonen skala waktu dilakukan dengan caa: sehingga...(.8) = 1 1 atau =...(.9) Skala gaya ditentukan dengan caa yang sedikit bebeda. Kaena gaya inesia selalu diehitungkan ada seua siste fluida, aka ada uunya skala gaya didasakan ada nisbah antaa gaya teuku dan gaya inesia, atau Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai

11 Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai 1 = ρ ρ....(.1) sehingga, = ρ ρ... (.11) Jika odel dan ototi enggunakan edia fluida yang saa, nisbah aat assa saa dengan unity, sehingga esaaan (.11) enjadi = atau =....(.1) Skala Reynolds Skala untuk odel yang elibatkan gaya iskositas dikebangkan dengan caa esis diatas, hanya disini digunakan gaya iskositas: =... (.1) atau =....(.14) Selanjutnya, waktu dan gaya daat dituunkan sebagai beikut: = atau =... (.15) dan = ρ ρ... (.16)

12 Jika ada odel diakai fluida yang saa, dan dioeasikan ada kondisi yang saa, aka aat assa dan iskositas antaa odel dan ototi adalah saa, sehingga esaaan-esaaan (.15) dan (.16) betuut-tuut enjadi, = = 1 atau atau =...(.17) o =...(.18) Besaan-besaan yang lain daat dituunkan dengan caa yang saa. abel. eelihatkan skala odel untuk aaete geoetis, kineatis, dan dinais bedasakan huku oude, Reynolds, Webe, dan Cauchy. abel. Skala odel bedasa kiteia yang diakai. Kaakteistik Sibol Diensi Skala odel dai huku yang diakai oude Reynolds Webe Coucy Geoetis Panjang, leba, B M inggi, kedalaan H, d M uas A Volue, isi V Kineatis Waktu S ekuensi s -.5 Keceatan V /s Peceatan A /s - - Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai

13 Kaakteistik Sibol Diensi Skala odel dai huku yang diakai oude Reynolds Webe Coucy Gaitasi G /s - - Debit Q /s Debit/satuan leba Q 1.5 /s..5 Dinais Massa kg Iulse i kg./s.5.5 Viskositas dinais μ kg./ Raat assa Ρ kg/ Gaya (Beat) N Keja W N 4 Moen M N 4 Enegi E N 4 egangan eukaan Σ N/ 1 ekanan P N/ - Beat sesifik γ N/ - - enaga P N/ja.5.5 Keteangan : = / Sube: Robet J Kodoatie,. Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai

14 Dala eodelan fisik bangunan engaan antai, yang digunakan adalah skala dengan kiteia oude... Model edistosi Dala bebeaa kasus, dielukan ebuatan odel yang tidak setaa bena dengan ototinya. Khususnya untuk odel-odel yang sangat luas, isalnya sungai, estuai, elabuhan, oses antai, dan lain-lain, odel tidak daat dibuat sebesa yang sehausnya. Dai segi biaya dan uang, lebih diinginkan ebuatan odel yang lebih kecil. Naun hal ini enyebabkan kedalaan akan enjadi hanya bebeaa illiete, deikian juga kekasaan eukaan, sehingga kondisi tubulen tidak daat tecaai. Oleh kaena itu dielukan jalan kelua untuk eenuhi kedua esyaatan tesebut dan sekaligus etibangan biaya dan uang. Jalan kelua yang daat diteuh adalah ebuatan odel tedistosi, yaitu suatu odel diana skala diensi etikal tidak saa dengan skala diensi hoizontal. Ada bebeaa alasan yang daat dikeukakan, engaa kita elu eakai odel tedistosi, yaitu: Menguangi biaya Meekecil uang Meeceat keceatan alian Meeendek waktu engetesan odel Meningkatkan Bilangan Reynolds dala odel Meebaiki secaa elatif tingkat akuasi engukuan Menguangi kehilangan ai dala odel Model tedistosi etikal adalah alat untuk encaai sedekat ungkin kesetaaan tehada oses alaiah dengan eehatikan aaete kaakteistik tetentu yang doinan. Model ini selalu diakai ketika kesetaaan geoeti odel tidak tedistosi secaa teknis tidak daat dibuat. Disaing alasan eilihan odel tedistosi tesebut diatas, ada bebeaa ketebatasan dala ebuat odel tedistosi, yaitu: Ketesediaan uang dala laboatoiu ebatasi ukuan aksiu odel yang akan dibuat (scale-liit sace). Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai 4

15 oleansi aksiu yang diekenankan dala ebuat odel juga ebatasi batas aksiu skala odel yang ungkin dibuat. K Untuk enghindai kekasaan odel yang belebihan, kekasaan odel lebih dai seuluh kali dai kekasaan ototie tidak boleh K. Ketentuan ini juga beean ikut K K = K s enentukan skala odel.. Jika ateial ganula tidak kohesif (non-cohesie) diakai untuk odel dasa tidak teta (oeble bed), ukuan atikel haus cuku besa untuk encegah tejadinya tansotasi atikel tesebut oleh alian (soothness liit). Kaasitas debit aksiu ada laboatoiu juga ungkin enjadi enentu skala odel yang dibuat (dischage liit). Dala odel tedistosi dikenal aa yang disebut fakto distosi atau laju distosi n yang enyatakan hubungan antaa skala hoizontal tehada skala etikal, n = H V = = 1 untuk odel tedistosi etikal, dan n H V untuk odel tidak tedistosi. Pebandingan kuantitas fisik untuk odel tedistosi dan tidak tedistosi bedasakan huku odel oude disajikan dala abel. beikut, abel. Pebandingan Skala Model Antaa Model edistosi dan ak edistosi. > 1 Quantitas fisik Satuan ak edistosi edistosi Panjang M H eba inggi, kedalaan M M H uas H. V atau H Volue H. Waktu Dt 1/ ( H.n).5 = ( H / ).5 ekuensi 1/dt / ( H.n) -.5 = ( H / ) -.5 Keceatan /dt 1/ ( H /n) = Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai 5

16 Peceatan /dt 1/n = / H Debit.5 /dt ( H.5 /n 1.5 ) = H / 1.5 Gaya N - ekanan N/ H/n = Beat sesifik N/ 1/n = /H Bilangan Reynolds (H/n)1.5 = 1.5 Sube: Robet J Kodoatie,. Di dala ebahasan selanjutnya ebandingan antaa skala odel:skala ototie untuk suatu kuantitas tetentu dilabangkan dengan N, = = N V V = N V Diana dsb N adalah ebandingan antaa skala anjang odel dan ototie. ebandingan antaa skala keceatan odel dan ototie. N V adalah Uji Model isik Peecah Gelobang ie iang Pancang Betiai 6