MODUL V ALIRAN MELALUI AMBANG (TAJAM DAN LEBAR)

Transkripsi

1 MODUL V ALIRAN MELALUI AMBANG (TAJAM DAN LEBAR) 5.1. endahuluan Latar Belakang Ambang adalah salah satu jenis bangunan air yang dapat digunakan untuk menaikkan tinggi muka air serta menentukan debit aliran air. Dalam merancang bangunan air, perlu diketahui sifat-sifat atau karakteristik aliran air yang melewatinya. engetahuan ini diperlukan dalam perencanaan bangunan air untuk pendistribusian air maupun pengaturan sungai. Dalam percobaan ini akan ditinjau aliran pada ambang yang merupakan aliran berubah tiba- tiba. Selain itu, dengan memperhatikan aliran pada ambang dapat dipelajari karakteristik dan sifat aliran secara garis besar. Ambang yang akan digunakan adalah ambang lebar dan ambang tajam. Fungsi penggunaan ambang lebar dan ambang tajam adalah: 1. Ambang tersebut menjadi model untuk diaplikasikan dalam perancangan bangunan pelimpah pada waduk dan sebagainya. 2. Bentuk ambang ini adalah bentuk yang sederhana untuk meninggikan muka air. Sebagai contoh aplikasi, air yang melewati ambang lebar akan memiliki energi potensial yang lebih besar sehingga dapat dialirkan ke tempat yang lebih jauh dan dapat mengairi daerah yang lebih luas. Gambar 5. 1 Aliran pada Ambang Lebar 35

2 Gambar 5. 2 Aliran pada Ambang Tajam Terdapat perbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam, sehingga mempengaruhi jatuhnya aliran. ada ambang lebar air akan jatuh lebih lunak dari ambang tajam, meskipun tinggi dan lebar ambang sama. erbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam dapat dilihat pada di bawah ini. Gambar 5. 3 Ambang Tajam Gambar 5. 4 Ambang Lebar 36

3 Dalam percobaan ini akan diamati karakteristik aliran yang melalui ambang dengan tipe karakteristik sebagai berikut: 1. Keadaan loncat Keadaan loncat adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran tidak dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran. 2. Keadaan peralihan Keadaan peralihan adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran. 3. Keadaan tenggelam Keadaan tenggelam adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran. Dari percobaan ini dapat diperoleh gambaran mengenai sifat aliran, berupa bentuk atau profil aliran melalui analisis model fisik dari sifat aliran yang diamati. Dalam kondisi nyata di lapangan, ambang ini berguna untuk meninggikan muka air di sungai atau pada saluran irigasi sehingga dapat mengairi area persawahan yang luas. Selain itu, ambang juga dapat digunakan untuk menentukan debit air yang mengalir pada saluran terbuka Tujuan Tujuan percobaan ini adalah: 1. Mempelajari karakteristik aliran yang melalui ambang lebar dan ambang tajam. 2. Menentukan pengaruh perubahan keadaan tinggi muka air di hilir terhadap muka air di hulu saluran. 3. Menentukan hubungan tinggi muka air di atas ambang terhadap debit air yang melimpah di atas ambang Landasan Teori Aliran pada ambang atau pelimpah (spillway) adalah salah satu jenis aliran pada saluran terbuka. rofil pelimpah akan menentukan bentuk tirai luapan (flow nappe) yang akan terjadi di atas ambang tersebut. Tirai luapan ini dianggap mengalami pengudaraan, yaitu keadaan saat permukaan atas dan bawah tirai luapan tersebut memiliki tekanan udara luar sepenuhnya. Namun, pengudaraan di bawah tirai luapan kurang sempurana. Hal ini berarti terjadi pengurangan tekanan di bawah tirai luapan akibat udara yang tergantikan oleh pancaran air. engurangan tekanan ini menimbulkan hal-hal sebagai berikut: 37

4 - erbedaan tekanan meningkat di ambang - erubahan bentuk tirai luapan sesuai dengan ambang yang digunakan - eningkatan debit, disertai fluktuasi - Bentuk hidrolik yang tidak stabil. Hal-hal ini menyebabkan timbulnya koefisien pengaliran (C) yang berbeda-beda pada setiap ambang, yang akan dijelaskan lebih lanjut pada poin selanjutnya Debit Aliran Debit Berdasarkan Venturimeter Dalam percobaan, digunakan venturimeter untuk mengetahui debit yang sebenarnya mengalir dari pompa. Debit yang melalui ambang dapat dihitung dengan prinsip kekekalan energi, impuls - momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), sehingga dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada saat kontraksi pada venturimeter: Gambar 5. 5 Venturimeter Besar debit dapat diketahui melalui rumus: Q = (ρ r ρ a )( 1 4 πd 1 2 ) 2 2g h [( d 1 d2 )4 1]ρa (5.1) Dengan: d1 = 3,15 cm ρair = 1,00 gr/cm 3 pada suhu 0 C d2 = 2,00 cm ρhg = 13,60 gr/cm 3 G = 9,81 m/s2 38

5 Debit elimpah Debit aliran yang melalui ambang dengan tipe WES dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: di mana: C = koefisien pengaliran L = lebar saluran He = tinggi aliran di atas ambang Q = CLHe 3/2 (5.2) Koefisien engaliran (C) Gambar 5. 6 rofil Aliran Melalui Ambang Tajam Kecepatan aliran yang lewat diatas pelimpah adalah V = ( g.y ) 1/2 = ( g.he ) 1/2 (5.3) He = Y - t (5.4) di mana : g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s 2 t = tinggi ambang = 12 cm Karena debit aliran yang melalui pelimpah tersebut relatif kecil, maka diperlukan koefisien reduksi bagi debit (Q) maka: Q = c. g 1/2. L. He 3/2 (5.5) Dengan mensubstitusi C = c.g1/2 ke persamaan (1.4) maka diperoleh persamaan debit sebagai berikut: Q = C. L. He 3/2 (5.6) 39

6 Apabila debit yang mengalir sudah diketahui nilainya, maka nilai koefisien pengaliran (C) dapat diperoleh dengan menggunakan rumus: C = Q /(L. He 3/2 ) (5.7) di mana : L = lebar saluran = 8 cm 5.3. Alat-alat ercobaan a. Ambang tajam dan lebar b. Alat pengukur kedalaman c. Alat pengukur panjang d. Venturimeter dan pipa manometer e. Sekat pengatur hilir f. Bak penampung air g. ompa air Gambar 5. 7 Model penampang aliran pada ambang tajam 5.4. rosedur Kerja 1. astikan ambang telah terpasang dalam model saluran terbuka pada posisi yang tepat sesuai gambar pada modul. 2. Jika menggunakan alat pengukur kedalaman selain penggaris (mistar), alat tersebut perlu dikalibrasikan terlebih dahulu. Jika menggunakan penggaris, gunakan penggaris yang sama untuk setiap percobaan. 3. Catat dimensi ambang dengan menggunakan alat ukur yang tersedia. 4. eriksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit menggunakan venturimeter. 40

7 5. Nyalakan pompa air dengan debit tertentu sesuai keinginan, tetapi tidak sampai meluap. 6. Aturlah sedemikian rupa sehingga diperoleh keadaan sebagai berikut: - Loncat pertama - Loncat kedua - eralihan - Tenggelam pertama - Tenggelam kedua Untuk keadaan selain loncat pertama, pasangkanlah sekat di hilir saluran dan aturlah sedemikian rupa sehingga tercipta keadaan-keadaan tersebut. 7. Catatlah 8 (delapan) koordinat titik penting dari setiap keadaan di atas untuk menggambar profil aliran. Titik-titik tersebut umumnya adalah titik awal, titik akhir, setiap titik belok aliran, dan titik-titik saat terdapat fenomena air loncat. Sebaiknya, titik awal dimulai dari sebelum ambang dan titik terakhir yang dicatat adalah titik terjauh dari ambang di mana sudah tidak terdapat perubahan aliran lagi. 8. Catat ketinggian raksa pada pipa manometer dan cari selisihnya untuk menghitung debit aliran. 9. Ulang langkah ke 6 dan 8 untuk empat debit yang berbeda. Namun, yang dicatat hanya permukaan air di hulu (y1) dan kedalaman air di hilir (y2) saja. 10. Setelah selesai langkah ke-9, kosongkan sekat di hilir. 11. Atur debit aliran mulai dari yang terbesar (tetapi air tidak meluap). 12. Catat tinggi muka air sebelum ambang (y1) dan tinggi raksa pada manometer. 13. Ulang langkah 11 dan 12 dengan mengatur debit aliran dengan cara mengecilkannya sampai didapatkan debit minimum saat air masih dapat mengalir sampai didapat lima debit yang berbeda. 14. Masukkan data koordinat profil aliran beserta besar debit pertama pada Formulir engamatan Lembar 1 Data untuk Membuat rofil Aliran. Masukkan data yi, y2, dan besar debit pertama beserta data y1, y2, dan besar debit lainnya (4 nilai debit selanjutnya) pada Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q. Masukkan data y1 dan besar debit dari lima debit pertama tadi beserta data y1 dan besar debit lainnya (5 nilai debit selanjutnya/ terakhir) pada Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C. 15. Cara-cara di atas diulang kembali dengan menggunakan ambang yang berbeda. ada dasarnya, prosedur kerja dapat digambarkan melalui diagram alir berikut ini: 41

8 ! Jika menggunakan mistar, gunakan mistar yang sama untuk setiap percobaan.! Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi?! astikan orientasi ambang benar! astikan air tidak meluap! astikan aliran telah stabil! Jumlah pengambilan data masing-masing keadaan aliran: Lompat 2 kali eralihan 1 kali Tenggelam 2 kali Gambar 5.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang [berlanjut] 42

9 Gambar 5.9 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang 43

10 5.5. engambilan Data Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan panduan tabel di bawah ini: Tabel 5. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama ercobaan Lembar No. Data yang Diambil Simbol Sat. Jumlah Data Total Keterangan Data 1 Lembar 1 Koordinat titik-titik untuk membuat profil aliran (x,y) cm 8 x Jumlah Keadaan Aliran = 40 titik Debit yang sama digunakan juga untuk Lembar 2 dan 3 Debit pertama 2 Lembar 2 Tinggi kedua pipa manometer untuk menghitung debit hi cm 5 h2 cm 5 diambil sama dengan debit untuk Lembar 1, jadihanya mengambil 4 nilai debit yang baru. Tinggi air sebelum ambang y1 cm 5 x Jumlah Keadaan Aliran = 25 he1 = y1 - t Tinggi air sesudah ambang y2 cm 5 x Jumlah Keadaan Aliran = 25 he2 = t - y2 h1 cm 10 Debit pertama Tinggi kedua pipa sampai kelima manometer untuk diambil sama menghitung debit dengan debit untuk 3 Lembar 3 h2 cm 10 Lembar 2, jadi hanya mengambil 5 nilai debit yang baru. Tinggi air sebelum ambang y1 cm 10 Data yang diambil hanya pada keadaan loncat pertama. he1 Catatan: = y1 - t Jumlah keadaan aliran = 5 (loncat 1, loncat 2, peralihan, tenggelam 1, tenggelam 2) 44

11 5.6. engolahan Data engolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut ini: Tabel 5. 2 Langkah-langkah engolahan Data No. Langkah Formulir engamatan Keterangan Nama Acuan Gambar/Grafik 1 Menggambar profil Lembar 1 Data untuk Gambar ini menjadi muka aliran. Membuat rofil Aliran Menggunakan fungsi chart tipe scatter pada Grafik Aliran. 1.1 rofil program Microsoft Excel atau sejenis. 2 Menghitung besarnya Lembar 2 Data Untuk Gunakan rumus 1.1. seluruh debit yang mengalir (Q). Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C 3 Menghitung besarnya He1 dan He2. Membuat grafik He1 vs He2. Membuat Grafik He1 vs Q. Lembar 2 Data Untuk hat rumus 1.4 dan Gambar pertama Membuat Grafik He1 vs He2 Gambar 1.6 menjadi Grafik dan He1 vs Q Ingat pembuatan grafik 1.2 He1 vs He2. berarti sumbu y vs Gambar kedua sumbu x menjadi Grafik 1.3 He1 vs Q. 4 Menghitung nilai 5 koefisien pengaliran untuk tiap debit dan He1 yang telah dihitung. Membuat grafik He1 vs C. Membuat grafik Q vs C. Menentukan nilai koefisien desain (Cd) dan ketinggian desain aliran (Hd) dari ambang model Buatlah grafik He1/Hd vs C/Cd Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C Gunakan rumus 1.7. Grafik pertama menjadi Grafik 1.4 He1 vs C. Grafik kedua menjadi Grafik 1.5 Q vs C. Lembar 3 Data Untuk Gunakan Grafik 1.4 He1 Grafik ini menjadi Membuat Grafik Hei vs C vs C. Grafik 1.6 He1/Hd vs Untuk membuat grafik, C/Cd. gunakan nilai He1 dan C hasil perhitungan sebelumnya. 45

12 5.7. Analisis Data Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis sebagai berikut: Tabel 5. 3 Grafik dan Analisis No. Grafik Hal-hal yang erlu Dianalisis 1 Grafik 1.1 rofil Aliran Beberapa fenomena yang terjadi pada tiap keadaan 2 Grafik 1.2 Hei vs He2 profil aliran. enyebab terjadinya fenomena tersebut. erbedaan tiap keadaan (loncat, peralihan, tenggelam). erkiraan letak ambang pada sumbu koordinat Tujuan pembuatan grafik tersebut. Hubungan He1 dan He2. engaruh perubahan debit terhadap He1 dan He2. 3 Grafik 1.3 He1 vs Q Tujuan pembuatan grafik tersebut. Hubungan He1 dan Q. Kecenderungan regresi dari rumus perbandingan He1 dan Q. 4 Grafik 1.4 He1 vs C Tujuan pembuatan grafik tersebut. Hubungan He1 dan C. ersebaran titik-titik pada grafik. Mencari Cd dan Hd. 5 Grafik 1.5 Q vs C Tujuan pembuatan grafik tersebut. 6 Grafik 1.6 He1/Hd vs C/Cd Hubungan Q dan C. ersebaran titik-titik pada grafik. Kaitan nilai Cd dengan nilai C pada grafik ini. Tujuan pembuatan grafik tersebut. ersebaran titik-titik pada grafik. Hubungan He1, Hd, C, dan Cd Kesimpulan Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum dan saran untuk perbaikan di masa mendatang Daftar ustaka Chow, Ven Te, h.d Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd. 46

13 FORMULIR ENGAMATAN Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR raktikan: Mahasiswa rogram Studi Teknik Sipil No. Kelompok: Lembar 1/2 No Nama NIM araf TANGGAL RAKTIKUM 1 2 Asisten : 3 4 (... ) 5 TANGGALTERAKHIR EMASUKANLAORAN : Data alat Tinggi Ambang = (... Lebar Saluran = ( cm)... cm) Data engamatan Keadaan Awal (Kalibrasi) Bacaan Manometer H1 = ( cm), H2 =... cm), Ah =... cm) (... (... Lembar 1 Data Untuk Membuat rofil Aliran Titik Loncat 1 (cm) Loncat 2 (cm) eralihan (cm) Tenggelam 1 (cm) Tenggelam 2 (cm) X Y X Y X Y X Y X Y Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Debi t Manometer H1 (m) H2 (m) Ah (m) (m 3 / s) Q Jenis Aliran Y1 (m) Y2 (m) He1 (m) He2 (m) L1 Q1 L1 T1 Q2 L1 47

14 Q3 Q4 Q5 Ti Ti Ti Ti Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C Debit ke Manometer H1 (m) H2 (m) Ah (m) Q (m 3 /s) Y1 (m) He1 (cm) C (cm 05 /s) i io 48

15 FORMULIR ENGAMATAN Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG TAJAM raktikan: Mahasiswa rogram Studi Teknik Sipil No. Kelompok :... Lembar - 1/2 No Nama NIM araf TANGGAL RAKTIKUM 1 2 Assiten : TANGGAL TERAKHIR EMASUKAN LAORAN : (... ) Data alat Tinggi Ambang = (... Lebar Saluran = (......cm)... cm) Data engamatan Keadaan Awal (Kalibrasi) Bacaan Manometer H1 = ( cm), H2 =... cm), Ah =... cm) (... (... Lembar 1 Data Untuk Membuat rofil Aliran Titik Loncat 1 (cm) Loncat 2 (cm) eralihan (cm) Tenggelam 1 (cm) Tenggelam 2 (cm) X Y X Y X Y X Y X Y Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Debi t Q1 Q2 Manometer H1 (m) H2 (m) Ah (m) (m 3 / s) Q Jenis Aliran L1 L1 T1 L1 Y1 (m) Y2 (m) He1 (m) He2 (m) 49

16 Ti Q3 Ti Q4 Ti Q5 Ti Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C Debit ke Manometer H1 (m) H2 (m) Ah (m) Q (m 3 /s) Y1 (m) He1 (cm) C (cm 05 /s) i io 50