MODUL V PINTU SORONG DAN AIR LONCAT 6.1. Pendahuluan 6.1.1. Latar Belakang Pintu sorong adalah sekat yang dapat diatur bukaannya. Pada bangunan air, aplikasi pintu sorong adalah pintu pembilas. Fungsinya yaitu mencegah sedimen layang masuk ke dalam pintu pengambilan (intake) dan membilas sedimen yang menghalangi aliran. Aliran setelah pintu sorong mengalami perubahan kondisi dari subkritis ke superkritis. Di lokasi yang lebih hilir terjadi peristiwa yang disebut air loncat/lompatan hidraulik (hydraulic jump). Air loncat memiliki sifat aliran yang menggerus. Adanya pintu sorong mengakibatkan kemungkinan terjadinya gerusan pada saluran di hilir pintu sorong. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan untuk desain saluran pada hilir saluran agar tahan terhadap gerusan air akibat adanya pintu sorong. \ r mm ^ : Gambar 6. 1 Aliran pada Pintu Sorong Secara fisik profil aliran pada pintu sorong dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 6. 2 Profil Aliran pada Pintu Sorong dan Air Loncat 51
6.1.2. Tujuan Tujuan percobaan ini adalah Mempelajari sifat aliran yang melalui pintu sorong Menentukan koefisien kecepatan dan koefisien kontraksi Menentukan gaya-gaya yang bekerja pada pintu sorong Fg dan Fb Mengamati profil aliran air loncat Menghitung besarnya kehilangan energi akibat air loncat Menghitung kedalaman kritis dan energi minimum 6.2. Landasan Teori Pintu sorong yang akan digunakan dalam percobaan ini adalah pintu air gesek tegak dengan tipe aliran bawah. Pada rancangan pintu sorong jenis ini, hal yang menjadi perhatian utama adalah hubungan antara debit dengan distribusi tekanan pada pintu dan bentuk pinggiran pintu. Namun karena rancangan pinggiran pintu air sangat bervariasi, maka fokus dari modul ini lebih kepada hubungan debit dan distribusi tekanan (seperti disebutkan dalam tujuan praktikum). 6.2.1. Debit Aliran (Q) Debit Berdasarkan Venturimeter Dalam praktikum, pengukuran debit digunakan dengan venturimeter. Dengan menerapkan prinsip kekekalan energi, impuls-momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), serta dengan asumsi terjadi kehilangan energi, dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada kontraksi. Besarnya debit (Q) dapat diperoleh dengan rumus: Gambar 6. 3 Venturimeter Q = (ρr ρa)(1 4 πd 1 2 ) 2 2g h [( d 1 d2 )4 1]ρa (6.1) 52
dimana: d1 d2 = 3,15 cm = 2,00 cm g = 9,81 m/s 2 ρair = 1,00 gr/cm 3 pada suhu 0 o C ρhg = 13,60 gr/cm 3 53
Gambar 6. 4 Profil Aliran pada Pintu Sorong Besarnya debit teoretis adalah Q r = by 1 2gY 0 (1+ Y 1 Y0 ) (6.2) Dengan memasukkan harga koefisien kecepatan (CV) dan koefisien kontraksi (CC) ke dalam persamaan (5.2) maka dapat diperoleh Debit Aktual (QA) C c = Y 1 Y g dan C v = Q A Q T Q A = bc c C v Y g 2gY 0 ( C cyg Y0 +1) (6.3) dimana: g = percepatan gravitasi = 9,81 m/detik 2 b = lebar saluran = 8 cm Yo, Y1, dan Yg (lihat gambar 5.4) 6.2.2. Gaya Yang Bekerja Pada Pintu Sorong Faktor penting yang perlu dipertimbangkan dalam desain pintu air adalah gaya yang bekerja, alat pengangkat (mesin atau manusia), sekat kedap air, dan bahan bangunan. Gaya yang berpengaruh adalah gaya akibat tekanan air horizontal bekerja pada plat pintu dan diteruskan ke sponning. 54
Tekanan yang bekerja pada permukaan pintu dapat dianalisis dengan pengukuran langsung pada model. Tekanan normal pada permukaan pintu dapat dinyatakan oleh komponen horisontal FH. Letak dan besarnya gaya-gaya pada pintu dapat ditentukan secara grafis, dengan menggunakan diagram distribusi. Cara yang lebih sederhana dalam menentukan besarnya tekanan adalah dengan menganggap bahwa tekanan horisontal pada permukaan pintu terdistribusi secara hidrostatis. Gaya dorong yang bekerja pada pintu sorong akibat tekanan hidrostatis dapat dihitung dengan menggunakan rumus: Gambar 6. 5 Distribusi Gaya yang Bekerja pada Pintu Fh = 0.5 p g ( Yo - Yg ) 2 (6.4) h = Yo - Yg Sedangkan gaya dorong lainnya yang bekerja pada pintu sorong dapat dihitung dengan rumus: dimana: F g = [0,5ρgY 1 2 ( Y 0 2 g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s 2 Y 1 2 1)] + [ ρq2 by 1 (1 Y 1 Y 0 )] (6.5) b = lebar saluran = 8 cm Yo, Yi, dan Yg (lihat gambar 2.5) 6.2.3. Air Loncat Aliran pada pintu sorong adalah aliran tak tunak yang berubah tiba-tiba sehingga muncul perubahan tinggi muka air dari subkritis menjadi superkritis. Aliran yang keluar dari pintu biasanya mempunyai semburan kecepatan tinggi yang dapat mengikis dasar saluran ke arah hilir. Peristiwa ini disebut air loncat dan sering terjadi pada saluran di hilir kolam pembilas atau di kaki pelimpah. 55
Bilangan Froude Bilangan Froude adalah bilangan tak berdimensi yang merupakan indeks rasio antara inersia terhadap gaya akibat gravitasi. Energi spesifik dalam suatu penampang saluran dinyatakan sebagai energi air per satuan berat pasa setiap penampang saluran, diperhitungkan terhadap dasar saluran. Untuk saluran dengan kemiringan kecil dan dan tidak ada kemiringan dalam aliran airnya (a=1), maka energi spesifik dapat dihitung dengan persamaan: E = y + V2 2g (6.8) dimana: E = energi spesifik pada titik tinjauan (m) y = kedalaman air di titik yang ditinjau (m) V = kecepatan air di titik yang ditinjau (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Untuk energi spesifik tertentu terdapat dua kemungkinan kedalaman, misalnya Ya dan Yb. Kedalaman hilir disebut alternate depth dari kedalaman hulu dan begitu juga sebaliknya. Pada keadaan kritis kedua kedalaman tersebut seolah menyatu dan dikenal sebagai kedalaman kritis (Yc). Rumus untuk menghitung kedalaman kritis (Yc) dan energi minimum (Eminimum) adalah sebagai berikut: 1 y c = ( Q2 3 2gb 2) (6.9) E minimum = 2 3 y c (6.10) 6.3. Alat-Alat Percobaan Alat-alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut: a. Pintu sorong b. Pompa c. Alat pengukur kedalaman d. Meteran e. Manometer f. Sekat pengatur hilir g. Penampung air 56
Gambar 6. 6 Saluran Terbuka untuk Percobaan Pintu Sorong 6.4. Prosedur Kerja Percobaan pada modul ini dibagi dalam 2 tahapan, yaitu percobaan dengan debit tetap dan percobaan dengan bukaan pintu yang tetap. Prosedurnya adalah sebagai berikut: 6.4.1. Percobaan dengan Debit Tetap 1. Pintu sorong dan flume dikalibrasikan dahulu pada titik nol terhadap dasar saluran 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. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam perhitungan debit menggunakan venturimeter. 4. Alirkan air dengan debit tertentu yang memungkinkan terjadinya jenis aliran yang diinginkan. 5. Atur kedudukan pintu sorong. Tentukan kira-kira pada interval berapa profil air loncat masih cukup baik. 6. Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yi, Ya, Xa, Yb dan Xb dimana: Yo = tinggi muka air di hulu pintu sorong Yg = tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran Y1 = tinggi muka air terendah di hilir pintu sorong Y2 = tinggi muka air tertinggi di hilir pintu sorong Ya = tinggi muka air tepat sebelum air loncat Yb = tinggi muka air tepat setelah air loncat Xa = kedudukan horizontal titik Ya dari titik nol saluran Xb = kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran Parameter di atas dicatat pada formulir pengamatan Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah 7. Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah tinggi bukaan pintu sorong. 6.4.2. Percobaan dengan Debit Berubah 1. Tentukan dan catat kedudukan pintu sorong terhadap dasar saluran (Yg tetap). 2. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada 57
kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit menggunakan venturimeter. 3. Alirkan air dengan debit minimum yang memungkinkan terjadinya aliran yang diinginkan. 4. Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yb, Ya, Xa, Yb dan Xb pada formulir pengamatan Percobaan B : Debit Berubah, Yg Tetap 5. Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah debit aliran Seluruh prosedur kerja secara umum terangkum dalam diagram alir berikut ini: A. Percobaan dengan Debit Tetap Gambar 6.7 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit tetap) 58
B. Percobaan dengan Debit Berubah Gambar 6.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit berubah) 59
6.5. Pengambilan Data Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan panduan tabel di bawah ini: Tabel 6. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama Percobaan No Lembar Data Data yang Diambil Simbol Sat. Jumlah Data Total Keterangan Tinggi kedua pipa manometer h1 cm 1 Debit yang untuk menghitung debit h2 cm 1 digunakan hanya 1 nilai saja Tinggi muka air di hulu pintu sorong Tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran Yo cm 1 X jumlah perubahan Yg cm 1 X jumlah perubahan 1 Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah Tinggi muka air terendah di hilir pintu sorong Y1 cm 1 X jumlah perubahan Tinggi muka air tertinggi di hilir Y2 cm 1 X jumlah perubahan pintu sorong Tinggi muka air tepat sebelum Ya cm 1 X jumlah perubahan air loncat Tinggi muka air tepat setelah air loncat Yb cm 1 X jumlah perubahan Kedudukan horizontal titik Ya 1 X jumlah perubahan Xa cm dari titik nol saluran Untuk lebih jelas dalam pengambilan data, praktikan hendaknya mempelajari Gambar 2.3 Kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran Xb cm 1 X jumlah perubahan Tinggi kedua pipa manometer untuk menghitung debit h1 cm 5 Mengambil 5 nilai h2 cm 5 debit baru. 2 Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap Tinggi muka air di hulu pintu sorong Yo cm 1 X jumlah perubahan debit = 5 Tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran Yg cm 1 (kondisi Yg tetap) Tinggi muka air terendah di Y1 cm 1 X jumlah perubahan hilir pintu sorong debit = 5 Tinggi muka air tertinggi di hilir Y2 cm 1 X jumlah perubahan pintu sorong debit = 5 Tinggi muka air tepat sebelum Ya cm 1 X jumlah perubahan air loncat debit = 5 Tinggi muka air tepat setelah Yb cm 1 X jumlah perubahan air loncat debit = 5 Kedudukan horizontal titik Ya 1 X jumlah perubahan Xa cm dari titik nol saluran debit = 5 Untuk lebih jelas dalam pengambilan data, praktikan hendaknya mempelajari Gambar 2.3 60
Kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran Xb cm 1 X jumlah perubahan debit = 5 6.6. Pengolahan Data Pengolahan data dilakukan dengan membuat tabel perhitungan pada program Microsoft Excel agar proses perhitungan yang dilakukan menjadi lebih mudah. Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut. Pintu Sorong Tabel 6. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data Pintu Sorong No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama Acuan Gambar/Grafik 1 Hitung Qt dan QA untuk masing- masing pengukuran tinggi pipa venturimeter. Gunakan persamaan 2.2 dan 2.3 Qt dan Qa digunakan untuk menghitung koefisien kecepatan(cv) 2 Hitunglah koefisien kontraksi (CC) dan koefisien kecepatan (CV). 3 Ulangi perhitungan seperti pada no. 1. Gunakan data pada tabel Percobaan A (pintu sorong). Gunakan data pada tabel Percobaan B (pintu sorong). Grafik ini menjadi Grafik 2.1 Cv vs Yg/Yo debit tetap dan Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo debit berubah. Grafik ini menjadi Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo debit berubah dan Grafik 2.4 Cv vs Yg/Yo debit berubah. 4 Hitung Fg dan Fh Gunakan data pada tabel Gunakan persamaan 2.4 Percobaan A dan Percobaan dan 2.5, B (pintu sorong). Grafik ini menjadi Grafik 2.5 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit tetap dan Grafik 2.6 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit 61
Tabel 6. 3 Langkah-langkah Pengolahan Data Air Loncat No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama Acuan Gambar/Grafik 1 Hitung debit yang mengalir (Q) Gunakan persamaan 2.1 dan persamaan 2.6. 2 Hitung bilangan Froude pada bagian hulu air loncat (Fra) Hitung Yb/Ya pengukuran Gunakan data pada tabel Bilangan Froude pada Hitung Yb/Ya teoretis Percobaan A dan Percobaan bagian hulu air loncat B (air loncat) (Fra) didapat dari perhitungan pada no.1. Gunakan persamaan 2.7 untuk menghitungan Yb/Ya teoretis Grafik ini menjadi Grafik 2.7 Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk debit tetap dan Grafik 2.8 Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk debit berubah. 3 Hitungan L Gunakan data pada tabel Percobaan A dan Percobaan Bilangan Froude pada B (air loncat) bagian hulu air loncat (Fra) didapat dari perhitungan pada no.1. Grafik ini menjadi Grafik 2.9 L/Yb vs Fra untuk debit tetap dan L adalah panjang loncatan Grafik 2.10 L/Yb vs yang diperoleh dari Fra untuk debit perhitungan (Xb-Xa) berubah. 4 Hitung kedalaman kritis Gunakan nilai Y yang Gunakan persamaan 2.9 (Yc) dan energi minimum tersedia pada tabel untuk menghitug Energi (E^mum) untuk masingmasing nilai debit. Percobaan A dan Percobaan spesifik (E) B (air loncat). Grafik ini menjadi Grafik 2.11 Y vs E untuk debit tetap dan Grafik 2.12 Y vs E untuk debit berubah 62
6.7. Analisis Data Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis berdasarkan masing-masing grafik, sebagai berikut: Pintu Sorong Tabel 6. 4 Grafik dan Analisis Pintu Sorong No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis 1 Grafik 2.1 Cc vs Yg/Yo debit tetap Tujuan pembuatan grafik tersebut. dan Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo debit Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cc. berubah. Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda. Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva. 2 Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo debit berubah dan Grafik 2.4 Cv vs Yg/Yo debit berubah. Tujuan pembuatan grafik tersebut. Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cv. Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda. Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva. 3 Grafik 2.5 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk Tujuan pembuatan grafik tersebut. debit tetap dan Grafik 2.6 Fg/Fh vs Pengaruh bukaan pintu sorong dan faktor ketahanan pintu Yg/Yo untuk debit berubah. (perbandingan gaya). Hubungan antara ketahanan pintu sorong (Fg)dan gaya hidrostatis Air Loncat Tabel 6. 5 Grafik dan Analisis Air Loncat No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis 1 Grafik 2.7 Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk debit tetap dan Grafik 2.8 Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk debit Tujuan pembuatan grafik tersebut. Hubungan Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk 2 kondisi debit tetap dan berubah. Penggunaan intercept dalam penggambaran grafik 2 Grafik 2.9 L/Yb vs Fra untuk debit Tujuan pembuatan grafik tersebut. tetap dan Grafik 2.10 L/Yb vs Fra Cari alasan mengapa harus dibuat grafik L/Yb vs Fra untuk debit berubah. Bandingkan kedua kondisi debit, berubah dan tetap. 3 Grafik 2.11Y vs E untuk debit Tujuan pembuatan grafik tersebut. tetap dan Grafik 2.12 Y vs E untuk Hubungan antara Y dan E. debit berubah. Bandingkan kedua kondisi debit, debit tetap dan debit berubah. Buktikan persamaan 2.10 dan 2.11 63
6.8. Kesimpulan Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum, garis besar hasil analisis dari data yang sudah didapatkan, dan perbandingannya dengan keadaan ideal (sesuai atau belum). Berikan juga penilaian singkat jika hasil percobaan kurang sesuai dengan kondisi ideal. Dari kesimpulan yang telah didapat, buatlah saran-saran yang dapat berguna untuk percobaan selanjutnya, adanya temuan lain yang didapat selama percobaan berlangsung dan mungkin dapat diteliti lebih lanjut, serta perbaikan praktikum secara keseluruhan di masa mendatang. 6.9. Daftar Pustaka Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd. 64
FORMULIR PENGAMATAN Modul V: PINTU SORONG DAN AIR LONCAT Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil No. Kelompok: Lembar 1/1 No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM 1 2 3 4 5 TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN: Data alat Lebar Saluran = (...... cm) Assiten : (... ) Data Pengamatan Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah Bacaan Manometer Hi = (... cm), H2 = (cm), Ah = (... cm) Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap Yg = (... cm) Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah No. 1 2 3 4 5 Praktikum Pintu Sorong (cm) Praktikum Air Loncat (cm) Y g Y0 Y1 Xa Ya Xb Yb Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap No. 1 2 3 4 5 H1 (cm) Bacaan Manometer H2 (cm) Ah (cm) Praktikum Pintu Sorong (cm) Praktikum Air Loncat (cm) Y2 Y0 Y1 Xa Ya Xb Yb 65