BAB 2 KARAKTERISTIK GELOMBANG

2.1 Definisi GelombangGelombang laut atau ombak merupakan gerakan air laut yang paling umum dan mudah kita

amati. Helmholts menerangkan prinsip dasar terjadinya gelombang laut sebagai berikut : “Jika ada

dua massa benda yang berbeda kerapatannya (densitasnya) bergesekan satu sama lain, maka

pada bidang gerakannya akan terbentuk gelombang”.

Gambar 2.1 Panjang dan Tinggi Gelombang

Secara teori, pengertian gelombang laut (ideal) merupakan pergerakan naik turunnya muka

air laut yang membentuk lembah dan bukit mengikuti gerak sinusoidal. Gambar di bawah ini

menunjukkan gerak suatu gelombang yang berada pada sistem koordinat x-y, dan menjalar searah

sumbu x.

3

Gambar 2.2 Gambaran gelombang dan animasinya.

Gelombang pada permukaan laut disebabkan oleh angin. Angin di atas lautan mentransfer

energinya ke perairan, menyebabkan riak-riak, alun/bukit, dan berubah menjadi apa yang kita sebut

sebagai gelombang.

Gambar 2.3 Pergerakan Partikel Zat Cair pada Gelombang

Amati gerak pelampung di dalam gambar animasi gelombang di atas. Perhatikan bahwa

sebenarnya pelampung bergerak dalam suatu lingkaran (orbital) ketika gelombang bergerak naik

dan turun. Partikel air berada dalam satu tempat, bergerak di suatu lingkaran, naik dan turun

dengan suatu gerakan kecil dari sisi satu kembali ke sisi semula. Gerakan ini memberi gambaran

suatu bentuk gelombang. Pelampung yang mengapung di air pindah ke pola yang sama, naik turun

di suatu lingkaran yang lambat, yang dibawa oleh pergerakan air.

4

Di bawah permukaan, gerakan berputar gelombang itu semakin mengecil. Ada gerak orbital

yang mengecil seiring dengan kedalaman air, sehingga kemudian di dasar hanya akan

meninggalkan suatu gerakan kecil mendatar dari sisi ke sisi yang disebut “surge” .

2.2 Penyebab dan Gaya Terjadinya Gelombang LautGelombang terjadi karena beberapa sebab, antara lain:

1. Karena angin. Gelombang terjadi karena adanya gesekan angin di permukaan, oleh karena

itu arah gelombang sesuai dengan arah angin.

2. Karena menabrak pantai. Gelombang yang sampai ke pantai akan terjadi hempasan dan

pecah. Air yang pacah itu akan terjadi arus balik dan membentuk gelombang, oleh karena itu

arahnya akan berlawanan dengan arah datangnya gelombang

3. Karena gempa bumi. Gelombang laut terjadi karena adanya gempa di dasar laut. Gempa

terjadi karena adanya gunung laut yang meletus atau adanya getaran/pergeseran kulit bumi di

dasar laut. Gelombang yang ditimbulkan biasanya besar dan disebut dengan gelombang

“tsunami”. Contoh ketika Gunung Krakatau meletus 1883, menyebabkan terjadinya

gelombang tsunami yang banyak menimbulkan kerugian.

Gaya Pembangkit Gelombang,Gelombang/ombak yang terjadi di lautan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam

tergantung kepada gaya pembangkitnya. Gaya Pembangkit gelombang tersebut antara lain :

1. Pembangkit gelombang laut dapat disebabkan oleh: angin (gelombang angin),

2. Gaya tarik menarik bumi-bulan-matahari (gelombang pasang-surut),

3. Gempa (vulkanik atau tektonik) di dasar laut (gelombang tsunami), ataupun gelombang yang

disebabkan oleh gerakan kapal.

2.3 Bagian-Bagian GelombangSetiap gelombang secara umum memiliki bagian yang sama yaitu crest (puncak), through

(lembah), panjang gelombang, Tinggi gelombang yang ditunjukan oleh gambar berikut :

Gambar 2.4 Kejelasan mengenai Panjang, Tinggi dan Periode

Gelombang serta Puncak dan Lembah Gelombang

5

L = Panjang gelombang (Wave length)

H = Tinggi gelombang (Wave height)

T = Periode gelombang (Wave period)

Crest = Puncak gelombang

Through = Lembah gelombang

Sedangkan bagian-bagian gelombang permukaan dapat dikelompokan sebagai berikut:

a. Gerak osilasi, yaitu gerak gelombang akibat molekul air bergerak melingkar. Gerak osilasi

biasanya terjadi di laut lepas, yaitu pada bagian laut dalam. Adanya gelombang dibangkitkan

oleh kecepatan angin, lamanya angin bertiup, luas daerah yang ditiup angin (fetch), dan

kedalaman laut. Gelombang ini memiliki tinggi dan lembah gelombang. Puncak gelombang

akan pecah di dekat pantai yang disebut breaker atau gelora.

b. Gerak translasi, yaitu gelombang osilasi yang telah pecah lalu seperti memburu garis pantai,

bergerak searah dengan gerak gelombang tanpa diimbangi gerakan mundur. Gelombang ini

tidak memiliki puncak dan lembah yang kemucian dikenal dengan istilah surf. Gelombang ini

dimanfaatkan untuk olah raga surfing.

c. Gerak swash dan back swash berbentuk gelombang telah menyentuh garis pantai.

Kedatangan gelombang disebut swash, sedangkan ketika kembali disebut back swash.

Gambar 2.5 Bagian-bagian dari gelombang

Keterangan :

a. Gelombang osilasi

b. Gelora (surf atau breaker)

c. Gelombang translasi

d. Swash

e. Back swash

f. Arus dasar

6

2.4 Penyelidikan GelombangUntuk mengetahui keadaan gelombang yang sebenarnya, maka perlu diadakan penyelidikan

gelombang dilapangan. Data-data hasil penyelidikan ini kemudian dianalisa untuk perhitungan dan

model test, guna mendapatkan kolam pelabuhan yang tenang.

Penyelidikan harus dilakukan selama mungkin, tetapi bila tidak ada data sama sekali dan

data-data sangat diperlukan misalnya untuk model test, maka penyelidikan dapat dilaksanakan

minimum 3 – 4 bulan, dengan memilih musim dimana diperkirakan gelombang terbesar akan terjadi.

Dalam penyelidikan lapangan ini selain periode dan tinggi gelombang, harus pula arah gelombang

selalu dicatat. Disamping itu harus dilakukan penyelidikan angin pada waktu yang bersamaan

dengan penyelidikan gelombang.

Profil gelombang yang ada dilaut sangatlah tidak teratur, berbeda dengan profil gelombang

yang didapat dari percobaan di laboratorium, dimana profil gelombang dilaboratorium seolah-olah

berbentuk sinusoida. Karena itulah, definisi mengenai periode dan tinggi gelombang , hanya dibuat

sebagai dasar untuk menganalisa data-data. Misalnya : untuk mendapatkan data tinggi gelombang,

kita harus mempunyai minimal 100 data tinggi gelombang secara tidak terputus (Continues Record).

Rata-rata dari seluruh data tinggi gelombang tersebut merupakan Tinggi gelombang rata-rata (H).

Dari data tersebut dapat dibuat persamaan [ Hsign = H⅓ ≈ 1,6 H]

dimana H⅓ = H significant

Tentu saja dari 100 data itu akan ada tinggi gelombang yang lebih besar dari H⅓ (± 13% dari

seluruh data). Dalam hal ini kita bisa mengambil tinggi gelombang maximum (Hmax) sebagai berikut:

[ Hmax ≈ (1,6 s/d 2,0) H⅓]

Begitu pula, periode gelombang pun merupakan bilangan variable seperti halnya tinggi

gelombang. Untuk periode ini telah dibuat persamaan pendekatan

[ Tmax ≈ T⅓ ≈ 1,1 T]

dimana Tmax = periode dari gelombang terbesar

T⅓ = Significant wave periode ( periode dari gelombang significant ).

T = Periode rata-rata

Pemilihan antara Hmax, H⅓ atau H waktu mendesign, tergantung dari type konstruksinya,

untuk steel piling dan vertical wall (caisson) breakwater, pada umumnya didesign terhadap Hmax,

sebab dengan sekali hantaman oleh gelombang besar, kemungkinan konstruksi akan ambruk,

sedangkan untuk rubblemound breakwater, umumnya didesign dengan H⅓ atau Hsignificant, sebab

kemungkinan runtuhnya konstruksi hanya disebabkan oleh jumlah (banyaknya) hantaman

gelombang.

Telah diketahui bahwa gelombang dilaut, variable dalam tinggi, periode dan arah, dapat kita

anggap bahwa gelombang tersusun dari banyak sekali gelombang sinusoidal yang berbeda tinggi,

periode maupun arahnya. Karena itu sangat sulit menentukan bagaimana energi nya didistribusikan,

terutama dalam hal frekuensi dan arah. Fungsi yang menggambarkan distribusi dari energi

7

gelombang disebut wave spectrum, dan parameter yang menunjukan derajat wave energy

concentration terhadap arahnya dinyatakan dengan Smax.

Untuk swell Smax = 75, dimana energi tersebar ± 30o dari arah gelombang, sedangkan untuk

wind waves Smax = 10, dengan sudut penyebaran energi ± 60o dari arah gelombang (Smax = spectrum

maximum).

2.5 Klasifikasi Gelombang2.5.1 Gelombang Konstruktif

Ada dua tipe gelombang, bila dipandang dari sisi sifat-sifatnya. Yaitu:

a. Gelombang pembangun/pembentuk pantai (Constructive wave).

b. Gelombang perusak pantai (Destructive wave).

Yang termasuk gelombang pembentuk pantai, bercirikan mempunyai ketinggian kecil

dan kecepatan rambatnya rendah. Sehingga saat gelombang tersebut pecah di pantai akan

mengangkut sedimen (material pantai). Material pantai akan tertinggal di pantai (deposit)

ketika aliran balik dari gelombang pecah meresap ke dalam pasir atau pelan-pelan mengalir

kembali ke laut.

Gambar 2.6 Gelombang pembentuk pantai

2.5.2 Gelombang DestruktifSedangkan gelombang perusak pantai biasanya mempunyai ketinggian dan

kecepatan rambat yang besar (sangat tinggi). Air yang kembali berputar mempunyai lebih

sedikit waktu untuk meresap ke dalam pasir. Ketika gelombang datang kembali menghantam

pantai akan ada banyak volume air yang terkumpul dan mengangkut material pantai menuju

ke tengah laut atau ke tempat lain.

8

Gambar 2.7 Gelombang perusak pantai

2.5.3 Gelombang Pasang SurutPengertian gelombang yang dijelaskan di atas merupakan gelombang periode singkat

(wave of short period), yang biasanya dibangkitkan oleh tiupan angin di permukaan laut.

Selain tipe gelombang diatas, terdapat juga gelombang periode panjang (wave of long

period) yang mempunyai periode lebih lama dari gelombang yang disebabkan oleh angin.

Beberapa proses alam yang terjadi dalam waktu yang bersamaan akan membentuk variasi

muka air laut dengan periode yang panjang. Yang termasuk dalam kategori gelombang

periode panjang, antara lain: gelombang pasang surut (astronomical tide/tidal wave),

gelombang tsunami, dan gelombang badai (storm wave).

Gelombang pasang surut (pasut) adalah gelombang yang ditimbulkan oleh gaya tarik

menarik antara bumi dengan planet-planet lain terutama dengan bulan dan matahari.

Gelombang ini mempunyai periode sekitar 12,4 jam dan 24 jam. Gelombang pasut juga

mudah diprediksi dan diukur, baik besar dan waktu terjadinya. Sedangkan gelombang

tsunami dan gelombang badai tidak dapat diprediksi kapan terjadinya.

2.5.4 Gelombang PecahGelombang yang menjalar dari laut dalam menuju pantai mengalami perubahan

bentuk karena adanya pengaruh perubahan kedalaman laut. Pengaruh kedalaman mulai

terasa pada kedalaman lebih kecil dari setengah kali panjang gelombang. Dilaut dalam

profil gelombang adalah sinusoidal, semakin menuju ke perairan yang lebih dangkal puncak

gelombang semakin tajam dan lembah gelombang semakin mendatar. Selain itu kecepatan

dan panjang gelombang berkurang secara berangsur-angsur sementara tinggi gelombang

bertambah.

Gelombang pecah dipengaruhi oleh kemiringannya yaitu perbandingan antara tinggi

gelombang dan panjang gelombang. Di laut dalam kemiringan/gradien gelombang

maksimum di mana gelombang mulai tidak stabil diberikan oleh persamaan berikut :

9

Apabila gelombang bergerak menuju laut dangkal, kemiringan batas tersebut

tergantung pada kedalaman relatif d/L dan kemiringan dasar laut, m. Gelombang dari laut

dalam yang bergerak menuju pantai akan bertambah kemiringannya sampai akhirnya tidak

stabil dan pecah pada kedalaman tertentu, yang disebut dengan kedalaman gelombang

pecah db. Tinggi gelombang pecah diberi notasi Hb. Munk (1949 dalam CERC, 1984),

memberikan formula :

2.5.5 Gelombang Angin dan TsunamiGelombang laut itu lebih dipengaruhi proses atmospheric ketimbang proses dari

geologic. Artinya proses-proses serta kondisi udara lebih berpengaruh terhadap kondisi

gelombang ketimbang proses dasar laut.

Gambar 2. 8 Perbedaan Gelombang Angin dan gelombang Tsunami

10

H disebut dengan indeks tinggi gelombang pecah

Tetapi kenapa gelombang tsunami bisa jauh lebih merusak ketimbang gelombang

laut, Gelombang tsunami digambarkan sebagai gelombang yang menjalar sedangkan

gelombang laut biasa adalah gelombang naik-turun biasa, lihat gambar di atas.

Gelombang laut tidak akan bergerak kesamping seperti gelombang tsunami.

Sehingga daya rusak gelombang tsunami akan maksimum pada pinggir pantai. Di laut

gelombang tsunami tidak akan dirasakan oleh kapal laut. Karena kemarin kita menyaksikan

bagaimana gelombang tsunami yang diakibatkan oleh gempa besar (skala diatas 6.8 MI)

yang sangat merusak, tentunya secara intuisi kita melihat bahwa akan ada gelombang besar

ketika ada gempa besar.

Ketika gelombang mencapai pantai, seringkali diikuti dengan peningkatan ketinggian

gelombang karena laut semakin dangkal sedangkan volume air yang mengalir dalam jumlah

yang sama. Ketinggian “tembok gelombang tsunami” (tsunamic wave wall) ini yang terlihat

atau yang diamati di pantai, namun bukan berarti bahwa tinggi gelombang di tengah laut juga

setinggi itu. Hal inilah yang sering mengecoh perkiraan tinggi gelombang tsunami di tengah

laut.

2.6 Teori Gelombang2.6.1 Teori Laplace

Berdasarkan Laplace diperoleh persamaan frekuensi gelombang, bilangan

gelombang dan cepat rambat gelombang, sebagai berikut :

Dimana :

s = frekuensi gelombang

k = bilangan gelombang

g = gravitasi

T = periode gelombang

L = panjang gelombang

h = kedalaman perairan

C = cepat rambat gelombang

H = tinggi gelombang

a = amplitudo gelombang

2.6.2 Teori Gelombang LinearGelombang adalah suatu manifestasi dari gaya-gaya yang bekerja pada fluida yang

cenderung merubah bentuknya melawan tarikan gaya gravitasi dan tegangan permukaan.

Keadaan ini terjadi dalam berbagai bentuk dan ukuran, tergantung pada besarnya gaya yang

bekerja terhadap air (US Army Corps of Engineer, 1984).

Parameter penting untuk menggambarkan gelombang adalah panjang dan tinggi

gelombang, serta kedalaman saat gelombang berjalan. Parameter-parameter yang lain

11

seperti kecepatan dan percepatan partikel air akibat gelombang, dapat diturunkan secara

teoritis dari besaran-besaran ini. Pada Gambar 3.1 diperlihatkan suatu skema dua dimensi

dari sebuah gelombang yang berjalan dalam arah sumbu-x.

Gambar 2.9 Karakteristik Gelombang (Dean dan Dalrymple, 2002)

 Periode gelombang adalah waktu yang diperlukan oleh dua puncak gelombang yang

berurutan untuk melewati satu titik yang sama. Saat gelombang berpindah sejauh L dalam

waktu satu periode T, kecepatan gelombang, disebut celerity C, didefinisikan dengan rumus

C = L/T. Ketika gelombang merambat dengan celerity C, partikel air yang menyusun

gelombang tidak bergerak sesuai dengan arah gelombang (Dean dan Dalrymple, 2002).

2.7 Equivalent Deepwater waveSetelah tinggi gelombang akibat refraksi dan difraksi didapat, sebaiknya dihitung pula

Equivalent deepwater wave heights (Ho1)

[Ho1 = Kd.Kr (H⅓)o

Dimana : Kd = Koefisien difraksi

Kr = Koefisien refraksi

(H⅓)o = Tinggi gelombang significant diperairan dalam (significant wave height in the

deepwater).

Pada perairan yang dangkal dan rata harus diperhitungkan pengurangan akibat friction dasar

perairan pada Ho1. sedangkan untuk periodenya dapat diambil sama seperti periode dari deepwater

waves :

[ T⅓ = (T⅓)o ]

Konsep tentang equivalent deepwater waves ini hanyalah anggapan (buatan), untuk memungkinkan

penggunaan data-data laboratorium dua dimensi dari wave breaking, runup dan data-data lain bagi

prototype problems dalam tiga dimensi.

2.8 Fetch.

12

Timbulnya apa yang dinamakan fetch adalah sebagai berikut. Angin meniup dalam air, maka

timbul energi. Energi tersebut bergerak dengan kecepatan Cgr (celerity of energy propagations) dan

timbullah gelombang yang tumbuh (increasing wave). Pertumbuhan gelombang ini disebut fetch dan

jarak pertumbuhan gelombang itu disebut fetch limitation.

Gambar 2.10 Terjadinya apa yang disebut FETCH

2.9 Wave shoalingGelombang yang memasuki perairan dangkal dari perairan dalam akan mengalami

perubahan apa yang disebut wave shoaling. Pertama-tama tingginya sedikit berkurang kemudian

bertambah lagi dengan perlahan-lahan, akibat penyebarannya kearah pantai. Kejadian ini

disebabkan adanya perubahan kecepatan dari wave energy transport atau perubahan dari group

velocity Cgr.

Variasi tinggi gelombang akibat waves shoaling dapat dinyatakan dengan persamaan :

[ H = Ks.Ho’ ]

Dimana Ks = shoaling cocfficient, yang merupakan fungsi dari relative waterdepth (h/Lo) dan wave

steepness (Ho’/Lo), serta telah diestimate dengan berbagai macam teori untuk menghitung harganya.

2.10 Wave Breaking.Untunglah gelombang yang ada dilaut tidak bisa mencapai tinggi yang besar diluar batas

tertentu, sebab menurut hukum hydrodinamic, gelombang beserta ketinggian nya adalah goyah dan

akan pecah dengan sendirinya.

Bila tidak, mungkin harus direncanakan breakwater untuk menahan gelombang yang tingginya lebih

dari 100 mater.

Batas tinggi dari wave breaking tergantung dari panjang gelombang, kedalaman air dan kemiringan

dasar perairan. Untuk perairan dengan kedalaman yang tetap, secara teoritis didapat hubungan

sebagai berikut:

Hb ≈ 0,17 Lo untuk deepwater waves

Hb ≈ 0,83 h untuk very shallow water waves

Sedangkan untuk intermediate depth waves dan very shallow water waves pada perairan dengan

dasar yang miring, sumber informasi untuk menghitung breaker height, datang dari hydraulic model

test. Untuk keperluan ini telah dibuat rumus empiris sebagai berikut :

13

Sebenarnya wave breaking yang ada dilaut lebih kompleks dari pada yang dinyatakan dengan

rumus diatas, sebab ada waves tersusun dari berbagai tinggi yang silih berganti.

Apabila gelombang mendekati pantai, maka pertama-tama gelombang besar pecah diperairan yang

lebih dalam, sementara gelombang kecil tidak pecah, bahkan sampai keperairan yang sangat dekat

dengan pantai.

Daerah dimana gelombang pecah sendiri disebut “ surfzone”. Definisi mengenai breaker height dan

break depth dari proses random wave breaking, merupakan definisi yang tidak jelas, sebab

gelombang pecah tidak terjadi pada satu titik, melainkan bisa terjadi dimana-mana, akibatnya

dibutuhkan sejumlah data dari breaker height dan breaker depth, bila akan menganalisa gaya-gaya

gelombang yang berkerja pada konstruksi atau pantai.

2.11 Transformasi GelombangFenomena gelombang yang terjadi di laut ketika bergerak memasuki daerah pesisir akan

mengalami transformasi gelombang. Adanya transformasi ini akan berpengaruh terhadap proses

pesisir dan pantai setempat. Transformasi gelombang yang terjadi adalah shoaling (pendangkalan),

refraksi dan difraksi (pembelokan arah gelombang) dan juga terjadi fenomena break wave

(gelombang pecah) dan menimbulkan longshore current (arus sejajar pantai).

2.12 Refraksi Gelombang (wave refraction)Didalam pergerakannya menuju pantai, gelombang selalu berusaha untuk mengubah bentuk

dan arahnya. Bila gelombang masuk kedaerah perairan yang relatif dangkal (h ≤ ½L), maka

gelombang tadi mulai mencapai dasar perairan, dan secara perlahan-lahan merubah arah geraknya

terhadap garis tegak lurus pada contour kedalaman perubahan gerak akan terlihat jelas setelah

mencapai pantai, dimana puncak gelombang sejajar dengan garis pantai.

Kejadian diatas disebut wave refraction, yang terjadi akibat perbedaan kecepatan gerakan

gelombang dalam penyebarannya disebabkan perbedaan kedalaman. Wave refraction bukan saja

menyebabkan perubahan arah geraknya, tetapi juga berubah dalam tingginya, perubahan tinggi

gelombang akibat refraction, biasanya dinyatakan dengan Koefisien refraksi (Kr), yang

hubungannya [ H = Kr Ho).

dimana H = tinggi gelombang sesudah refraksi

Ho = tinggi gelombang diperairan dalam (deepwater)

Kr makin kecil, bila : h/Lo makin kecil, (α p)o makin besar dan Smax makin besar.

(Lo = deepwater wave length, (αp)o = incident angle to the deepwater contour).

14

Gambar 2.11 Surfzone, daerah dimana gelombang pecah.

Dimana : Hp = H pada waktu gelombang pecah

hp = h pada waktu gelombang pecah

Daerah dimana gelombang pecah, disebut surfzone. Bila kedalaman air berkurang dari laut menuju

pantai maka puncak-puncak gelombang (crest) menjadi lebih tinggi dan panjang gelombang (L),

menjadi berkurang sehingga nilai L/H menjadi kecil, makin lama crest menjadi makin tajam dan

akhirnya pecah. Pecahnya gelombang pada saat ini crest (puncak gelombang) sejajar pantai dan

peristiwa ini disebut refraksi (wave Refraction).

Bila kedalaman air h = 1,72 H dalam keadaan tidak ada angin, maka timbul yang disebut surf.

Akibat timbulnya surf ini timbul Arus lawan atau Contra

2.13 Difraksi Gelombang (wave diffraction)Gelombang bila dalam pergerakannya dirintangi, misalnya oleh pulau atau breakwater,maka

gelombang tersebut akan berusaha untuk mendorong dan menembus rintangan tersebut. Kejadiaan

ini disebut wave diffraction (difraksi)

Variasi diffracted wave heights dapat dihitung secara teoritis dan secara experiment dengan

hydraulic models. Diffracted wave heights ini sangat dipengaruhi oleh arah gelombang yang datang

pada rintangan, dan terjadi pada banyak parubahan pada periodenya disebabkan keadaan dasar

laut yang sembarang. Berdasarkan hasil perhitungan dan experiment dengan hydraulic models,

maka telah dibuat diagram-diagram tentang variasi dari diffracted wave heights, yang sangat

berguna untuk menaksir distribusi tinggi gelombang didalam kolam pelabuhan.

15

16