debit air pada saluran terbuka

PAPER MEKANIKA FLUIDA

Debit Air Pada Saluran Terbuka

SARTIKA

05091006006

JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

INDRALAYA

2009

PENDAHULUAN

 

1.   Latar Belakang

                 Saluran adalah suatu sarana untuk mengalirkan fluida dari suatu tempat ketempat yang lain. Saluran dapat berupa saluran terbuka (open chanel flow) dan saluran tertutup. Aliran-saluran-terbuka harus memiliki permukaan bebas (free surface, sedangkan aliran-pipa tidak demikian, karena air harus mengisi seluruh saluran. Permukaan bebas dipengaruhi oleh tekanan udara. Aliran-pipa, yang terkurung dalam saluran tertutup, tidak terpengaruh langsung oleh tekanan udara,kecuali oleh tekakan hidrolik.

Analisis yang dilakukan pada saluran terbuka lebih sulit dibandingkan analisis yang dilakukan pada aliran dalam pipa dan pada umumnya analisis pada saluran terbuka menggunakan persamaan-persamaan empiris. Hal tersebut dilakukan karena analisis aliran pada saluran terbuka memiliki banyak variabel yang berubah-ubah dan tidak teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel-variabel tersebut antara lain penampang saluran, kekasaran permukaan saluran, kemiringan saluran, debit aliran, kecepatan aliran, pertemuan saluran (junction), dan angin. Terdapat tiga persamaan konservasi untuk menyelesaikan analisis pada suatu aliran, yaitu persamaan konservasi massa, persamaan konservasi energi, dan persamaan konservasi momentum.

Dalam suatu saluran tertutup tidak selalu bersifat aliran pipa. Bila terdapat suatu permukaan bebas, harus digolongkan sebagai aliran saluran terbuka. Misalnya, saluran pembuangan air banjir yang merupakan saluran tertutup, biasanya dirancang untuk aliran saluran terbuka sebab aliran dalam saluran pembuang diperkirakan hampir setiap saat memiliki permukaan bebas.

 

2.   Tujuan

Untuk mengetahui jenis-jenis saluran terbuka, sifat-sifatnya, contoh penerapannya pada kehidupan dan mengetahui debit air pada saluran tersebut.

TINJAUAN PUSTAKA

 

Saluran terbuka, saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaaan bebas disebut saluran terbuka. Menurut asalnya, saluran dapat digolongkan menjadi saluran alam (natural) dan saluran buatan (artificial). Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran-saluran-terbuka (open chanel flow). Kedua jenis aliran tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal penting. Aliran-saluran-terbuka harus memiliki permukaan bebas (free surface, sedangkan aliran-pipa tidak demikian,karena air harus mengisi seluruh saluran. Permukaan bebas dipengaruhi oleh tekanan udara. Aliran-pipa, yang terkurung dalam saluran tertutup, tidak terpengaruh langsung oleh tekanan udara,kecuali oleh tekakan hidrolik.

Meskipun kedua jenis aliran tersebut hampir sama, penyelesaian masalah aliran dalam saluran terbuka jauh lebih sulit dibandingkan dengan aliran pipa dalam pipa tekan. Kondisi aliran dalam saluran terbuka yang rumit berdasarkan kenyataan bahwa kedudukan permukaan bebas cenderung berubah sesuai dengan waktu dan ruang, dan juga bahwa aliran, debit, kemiringan dasar saluran dan permukaan bebas adalah tergantung stu sam lain. Biasanya sulit diperoleh data percobaan yang dapat dipercaya mengenai aliran dalam saluran terbuka. Lagi pula kondisi fisik saluran terbuka jauh lebih bervariasi dibandingkan dengan pipa. Penampang melintang aliran dalam pipa sudah tertentu, karena dapat dinytakan berdasarkan bentuk saluran. Penampang pipa suatu ssaluran biasanya bundar, namun pada pada saluran terbuka dapat beraneka macam, dari bentuk bundar sampai bentuk tak beraturan dari sungai alam. Kekasaran permukaan bagian dalam pipa berkisar antara bahan kuningan yang baru dan halus atau pipa dari bahan kayu, sampai pipa besi karatan atau pipa baja. Pada saluran terbuka, permukaanya bervariasi dari logam yang dipoles, yang dipakai untuk menguji talang sampai dasar sungai yang kasar dan tidak teratur. Lagi pula kekasaran dalam suatu saluran terbuka tergantung pada permukaan bebas. Sebab itu pemilihan koefisien gesekan untuk saluran terbuka lebih bersifat tidak pasti disbandingkan dengan pada aliran pipa. Metode empiris ini merupakan metode yang terbaik yang ada saat ini, dan bila diterapkan secara hati-hati dapat menghasilkan nilai yang sesuai dengan praktek.

Aliran dalam saluran terbuka dapat digolongkan menjadi berbagai jenis dan diuraikan dengan berbagai cara. Penggolongan berikut ini dibuat berdasarkan perubahan kadalaman ailran sesuai dengan waktu dan ruang.

Aliran tunak (steady Flow) dan aliran tak tunak (Unsteady Flow) : Waktu sebagai kriteria. Aliran dalam saluran terbuka dikatakan tunak (steady) bila kedalaman aliran tidak berubah atau dapat dianggap konstan selama suatu selang waktu tertentu. Aliran diktakan taktunak (Unsteady) bila kedalamannya berubah sesuai dengan waktu. Sebagian besar persoalan tentang saluran terbuka umumnya hanya memerlukan penelitian mengenai perilaku aliran dalam keadaan tunak. Namun bila perubahan keadaan aliran sesuai dengan waktu ini, merupakan masalah utama yang harus diperhatikan, maka aliran harus dianggap bersifat tak tunak. Misalnya, banjir dan gelombang yang merupakan contoh khas untuk aliran tak tunak, taraf aliran berubah segera setelah gelombang berlaku, dan unsure waktu yang menjadi hal yang sangat penting dalam perancangan pengendali.

Hukum kontinuitas bagi aliran tak tunak memerlukan pertimbangan akibat pengaruh waktu. Persamaan kontinuitas untuk aliran kontinu tak tunak ini harus mencakup unsur waktu sebagai suatu variabel.

Aliran seragam (Uniform Flow) dan aliran berubah ( Varied Flow) : Ruang sebagai kriteria. Aliran saluran terbuka dikatakan seragam bila kedalaman air sama pada setiap penampang saluran. Suatu aliran seragam dapat bersifat tunak atau taktunak, tergantung apakah kedalamannya berubah sesuai dengan perubahan waktu.

Aliran seragam yang tunak (Steady uniform flow) merupakan jenis poko aliran yang dibahas dalam dalam saluran terbuka. Kedalaman aliran tidak berubah selama suatu waktu tertentu yang telah diperhitungkan. Penetapan bahwa suatu akiran bersifat seragam taktunak (unsteady uniform flow) harus dengan syarat bahwa permukaan air berfluktuasi sepanjang waktu dan tetap sejajar dasar saluran. Jelas bahwa hal ini merupakan suatu keadaan yang praktis tidak mungkin terjadi. Sebab itu istilah “aliran seragam” di sini selanjutnya hanya dipakai untuk menyatakan aliran seragam yang tunak.

Aliran disebut berubah (varied), bila kedalaman air berubah di sepanjang saluran. Aliran berubah dapat bersifat tunak maupun taktunak. Karena aliran seragam tak tunak jarang terjadi, istilah “aliran taktunak selanjutnya khusus dipakai untuk aliran taktunak yang berubah.

Aliran berubah dapat dibagi-bagi lagi menjadi berubah tiba-tiba (rapidly varied) dan berubah lambat laun (gradually varied). Aliran disebut berubah tiba-tiba bila kedalamanya berubah tiba-tiba juga disebut sebagai gejala setempat (local phenomenon), contohnya adalah loncatan hidrolik dan penurunan hidrolik.

Debit adalah satuan besaran air yang keluar dari Daerah Aliran Sungai (DAS). Satuan debit yang digunakan adalah meter kubik per sekon (m3/s). Debit aliran adalah laju aliran air (dalam bentuk volume air) yang melewati suatu penampang melintang sungai per satuan waktu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HASIL PEMBAHASAN

 

             Keadaan aliran atau perilaku aliran saluran terbuka pada dasarnya ditentukan oleh pengaruh kekentalan dan gravitasi sehubungan dengan gaya-gaya inersia perilaku aliran. Tegangan permukaan air dalam keadaan tertentu dapat pula mempengaruhi perilaku aliran, tetapi pengaruh ini tidak terlalu besar dalam masalah saluran terbuka pada umumnya yang ditemui dalam dunia perekayasaan.

Pengaruh kekentalan (Viscosity) Aliran dapat bersifat laminar, turbulen atau peralihan, tergantung pada pengaruh kekentalan sehubungan dengan kelembamanya.

Aliran adalah laminar bila gaya kekentalan relative sangat besar dibandingkan dengan inersia sehingga kekentalan berpengaruh besar terhadap perilaku aliran. Dalam aliran laminar, butir-butir air seolah-olah bergerak menurut lintasan tertentu yang teratur atau lurus, dan selapis cairan yang sangat tipis seperti menggelincir diatas lapisan sebelahnya.

Aliran adalah turbulen bila gaya kekentalan relative lemah dibandingkan dengan gaya kelembamannya. Pada aliran turbulen, butir-butir air bergerak menurut lintasan menunjukkan gerak maju dalam aliran secara keesluruhan.

Diantara keadaan laminar dan turbulen terdapat suatu campuran, atau keadaan peralihan.

Pengaruh kekentalan relative terhadap kelembamamannya dapat dinyatakan dengan bilangan Reynolds, didefinisikan sebagai :

Dimana V adalah kecepatan aliran dalam kaki perdetik (kpd); L adalah karakteristik dalam kaki, di sini dianggap sama dengan dengan jari-jari hidrolik R saluran; dan v kekentalan kinematik dalam kaki²/detik adalah sama dengan kekentalan kinematik (kinematic viscosity) air dalam kaki²/detik adalah sama dengan kekentalan dinamis µ (mu) dalam slug kaki-detik dibagi kerapatan massa p (rho) dalam slug/kaki³. Untuk air pada 60ºC (20ºC), µ = 2,09 x 10ˉ dan p = 1,937; sebab itu v = 1,08 x 10ˉ dan ρ = 1,937; sebab itu v =1,08 x 10ˉ

Aliran saluran terbuka adalah laminar bila bilangan Reynolds R kecil, dan turbulen bila R besar. Banyak percobaan menunjukan  bahwa aliran dalam pipa berubah dari laminar ke turbulen bila interval R terletak diantara nilai kritis 2000 dan suatu nalai yang tinggi dapat mencapai 50.000, Dalam percobaan ini garis tengah pipa diambil sama dengan panjang karakteristik yang dinyatakan dalam bilangan Reynolds. Bila jari-jari hidrolik diambil sama dengan panjang karakteristik, interval tersebut berkisar dari 500 sampai 12.500,* Karena garis tengah pipa adalah 4x lipat jari-jari hidroliknya.

Keadaan laminar, turbulen dan peralihan dari aliran saluran terbuka dapat dinyatakan dengan suatu diagram yang menunjukkan hubungan antara bilangan Reynolds dan factor gesekan dari rumus Darcy-Weisbach. Diagram tersebut umumnya dikenal sebagai diagram Stanton [1], telah dikembangkan untuk aliran dalam pipa.

Analisis aliran pada saluran terbuka memiliki banyak variabel yang berubah-ubah dan tidak teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel-variabel tersebut antara lain penampang saluran, kekasaran permukaan saluran, kemiringan saluran, debit aliran, kecepatan aliran, pertemuan saluran (junction) dan angin. Terdapat tiga persamaan konservasi untuk menyelesaikan analisis pada suatu aliran, yaitu persamaan konservasi massa, persamaan konservasi energi dan persamaan konservasi momentum.

Aliran air yang mengalir bisa disimpulkan merupakan aliran laminer. Hal ini dapat dilihat dari jalannya daun kering yang terapung di atas aliran air. Daun tersebut mengindikasikan bahwa bagian-bagian elememter dari air bergerak teratur dan menempati tempat yang relatif sama pada penampang-penampang berikutnya dan partikel-partikel fluida bergerak di sepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan. Keadaan ini dapat terjadi karena kekentalan fluida dalam aliran laminer sangat dominan sehingga mencegah setiap kecenderungan menuju kondisi turbulen.

Data mengenai debit aliran sangat diperlukan untuk mengetahui ketersediaan air, salah satu contohnya di tempat pengelolaan sumber daya air. Debit aliran dapat dijadikan sebuah alat untuk memonitor dan mengevaluasi neraca air suatu kawasan melalui pendekatan potensi sumberdaya air permukaan yang ada. Besarnya ketersediaan air sebagai dasar alokasi air dapat diperoleh dengan peramalan debit aliran sungai, agar hasil peramalan debit aliran sungai memenuhi persyaratan diperlukan tata cara pengukuran debit air.

Peranan debit dalam bidang pertanian sangat penting, antara lain peranannya dalam bidang irigasi. Data debit suatu daerah akan memperjelas jumlah ketersediaan air, dari jumlah tersebut kita dapat menganalisis atau meramalkan apa yang harus dikembangkan pada daerah tersebut.

Debit Q pada suatu penampang saluran untuk sembarang aliran dinyatakan dengan    Q = V A

Dimana V mecepatan rata-rata dan A adalah luas penampang melintang tegak lurus terhadap arah aliran, karena kecepatan rata-rata dinyatakan sebagai debit dibagi luasa ppenampang melintang.

Dalam sebagian besar persoalan aliran tunak, berdasarkan suatu pertimbangan, maka debit dianggap tetap di sepanjang bagian saluran yang lurus; dengan kata lain aliran bersifat kontinu. Oleh sebab itu, berdasarkan persamaan diatas.

                                  Q = V1 A1 = V2A2

Dimana indeks menunjukan penampang saluran yang berlainan. Ini merupakan persamaan kontinuitas untuk aliran tunak kontinu (Continuos steady flow). Namun persamaan 2 tidak dapat dipakai bila debit aliran tunak, tak seragam (nonuniform) di sepanjang saluran, yakni bila air mengalir keluar atau masuk disepanjang arah aliran. Jenis aliran ini dikenal sebagai aliran berubah beraturan ( spatially varied flow) atau, aliran diskontinu (discontinuos flow) terdapat di selokan jalan, pelimpahan luapan samping, air pembilas melalui saringan, cabang saluran disekitar tangki pengolahan air buangan, saluran pembuangan utama dan saluran pembawa dalam siatem irigasi.

 

 

 

KESIMPULAN DAN SARAN

 

1.   Kesimpulan

Dari pembahasan diatas dapat disimpulkan :

a.    Saluran adalah suatu sarana untuk mengalirkan fluida dari suatu tempat ketempat yang lain. Saluran dapat berupa saluran terbuka (open chanel flow) dan saluran tertutup.

b.    Analisis yang dilakukan pada saluran terbuka lebih sulit dibandingkan analisis yang dilakukan pada aliran dalam pipa dan pada umumnya analisis pada saluran terbuka menggunakan persamaan-persamaan empiris.

c.    Debit aliran adalah laju aliran air (dalam bentuk volume air) yang melewati suatu penampang melintang sungai per satuan waktu.

d.    Debit aliran dapat dijadikan sebuah alat untuk memonitor dan mengevaluasi neraca air suatu kawasan melalui pendekatan potensi sumberdaya air permukaan yang ada.

e.    Data debit suatu daerah akan memperjelas jumlah ketersediaan air, dari jumlah tersebut kita dapat menganalisis atau meramalkan apa yang harus dikembangkan pada daerah tersebut.

f.      Saluran terbuka ini dapat dimanfaatkan dalam pembuatan irigasi, selokan, dan tambak yang sangat berguna bagi kehidupan kita.

 

2.   Saran

Dalam pembuatan saluran terbuka sebaiknya terlebih dahulu diperhatikan bahan yang akan dipakai dengan tingkat ketahanan yang diperlukan untuk tujuan tertentu yang diinginkan, sehingga didapat saluran yang cocok dengan tujuan yang akan dicapai.

 

DAFTAR PUSRAKA

 

Dake, J, M, K. 1972. Hidrolika Teknik. Erlangga : Jakarata.

Euler,Leonard. 1983. Mekanika Fluida. Jakarta : Erlangga.

Haliday, D. 1996. Fisika 2. Jakarta : Erlangga.

Raswari. 1986. Teknologi Dan Perencanaan Sistem Perpipaan. Jakarta : Universitas

              Indonesia.

Soedradjat, S. 1983. Mekanika Fluida dan Hidrolika. Bandung : Nova.