BAB IV

KLASIFIKASI DAN SIFAT-SIFAT ALIRAN TERBUKA

Tujuan Pembelajaran:

Dapat menjelaskan jenis-jenis aliran dan klasifikasi serta sifat-sifat aliran pada

saluran terbuka

Dapat menggunakan rumus-rumus untuk menghitung saluran dalam aliran

terbuka.

4.1 Pendahuluan

Saluran terbuka adalah saluran dimana cairannya mengalir dengan permukaan

bebas. Ini berlawanan dengan aliran dalam pipa dimana cairan penuh mengisi pipa dan

alirannya ada dibawah tekanan. Aliran dalam pipa terjadi karena ada perbedaan tekanan,

sedangkan dalam saluran terbuka aliran terjadi karena ada kemiringan dasar saluran. Jadi,

dalam pipa dapat ada aliran meskipun sumbunya horizontal, akan tetapi dalam saluran

terbuka harus ada kemiringan pada saluran untuk memungkinkan terjadinya aliran.

Aliran dalam saluran terbuka dapat beraturan atau tak beraturan. Aliran itu beraturan

jika kedalamannya cairannya tetap. Jika kedalamnya berubah-ubah sepanjang saluran,

maka alirannya tak beraturan. Aliran tak beraturan disebut juga aliran berubah-ubah.

Aliran tak beraturan dapat dibagi atas dua jenis.

(1) Aliran yang berubah-ubah lambat laun

(2) Aliran yang berubah-ubah dengan tiba-tiba

Dalam aliran yang berubah-ubah dengan lambat laun, perubahan kedalaman

cairan disepanjang saluran adalah lambat laun, dalam aliran yang berubah-ubah dengan

cepat, perubahannya tiba-tiba.

Gambar 4.1

2

Jika air mengalir diatas bendung peluap, maka air dikaki bendung itu akan naik

dengan tiba-tiba, dan terjadilah loncatan hidrolik. Ini adalah kasus aliran yang berubah-

ubah dengan cepat. (gb. 4.2)

Aliran dalam saluran terbuka dapat laminar atau terbulen. Akan tetapi dalam

praktek, aliran laminar jarang sekali terjadi.

Gambar 4.2. Aliran berubah tiba-tiba

Aliran dalam saluran terbuka adalah mantap (steady flow) atau tak mantap (unsteay

flow). Aliran itu mantap, apabila disuatu penampang tertentu kedalaman cairan dan

parameter lainnya seperti kecepatan, luas penampang melintang, debit, tidak berubah

dengan waktu. Pembahasan dalam bab ini akan dibatasi pada pokok-pokok aliran mantap,

beraturan dan terbulen dalam saluran terbuka saja.

Perbandingan antara aliran pipa dan aliran dalam saluran terbuka (untuk aliran

beraturan) ditunjukkan pada Gambar 4.3. Gambar.4.3(a) memperlihatkan aliran pipa,

dimana tekanan didua penampang pipa ditunjukan oleh piezometer. Maka energi total

terhadap suatu garis 0 adalah jumlah ketinggian, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan.

Hilang energi yang terjadi, jika cairan mengalir dari penampang 1 kepenampang 2,

dinyatakan dengan hgs.

Diagram untuk aliran dalam saluran terbuka diperlihatkan pada Gb.4.3(b).

Permukaan cairan juga menyatakan garis gradient hidrolik. Kedalaman air bersesuaian

dengan tinggi piezometrik. Garis gradien energi ada pada jarak vertikal g

V

2

2

diatas

permukaan air, hilang energi dari penampang 1 ke penampang 2 adalah hgs. Pada

aliran beraturan dalam saluran terbuka penurunan Garis Gradien Energi sama dengan

penurunan dasar saluran. Dalam aliran pipa tidak ada hubungan antara penurunan Garis

Gradien Energi dan kemiringan sumbu pipa.

3

GGE hgs

GGH

1 2

Z1 Z2

Garis datum

Gambar 4.3 (a). Aliran Pipa

GGE

GGH

Dasar saluran

Garis datum

Gambar 4.3 (b). Aliran Saluran Terbuka

Garis gradien hidrolik (GGH) adalah garis yang menunjukan tinggi tekanan

diberbagai penampang di sepanjang saluran. Dalam hal saluran terbuka garis gradient

hidrolik berimpit dengan permukaan cairan. Jika piezometer dimasukkan dalam saluran

terbuka, cairan akan naik dalam tabung sampai setinggi permukaan cairan itu. Kemirngan

permukaan cairan (Sa) adalah kemiringan permukaan cairannya sendiri atau kemiringan

garis gradien hidrolik (gb. 4.4)

Garis gradient energi adalah garis yang menunjukan energi total cairan terhadap

garis nol yang kita pilih. Garis gradien enersi ada diatas gradien hidrolik. Jarak vertikal

antara kedua garis adalah g

V

2

2 , Dimana adalah factor pembagian kecepatan yang

V12

2g V1

2

2g

hgs

P1 P2

P2

P1

Z1 Z2

V12

2g V1

2

2g V2

2

2g

4

memperhitungkan penbagian yang tak merata dari kecepatan diseluruh penampang. Nilai

berubah-ubah 1,1 sampai 1,2 untuk aliran turbulen dalam saluran terbuka. Akan tetapi,

untuk memudahkan nilai a itu biasanya diambil satu.

Kemiringan garis energi (GGE) dinyatakan sebagai :

hgsSE ,

dimana l adalah panjang saluran yang penurunan garis energi totalnya adalah hgs.

Kemiringan-kemiringan garis energi (SE), garis gradient hidrolik (SW) dan kemiringan

dasar saluran (So) adalah sama.

4.2 Jenis Aliran

Saluran terbuka dapat berupa saluran alamiah atau buatan. Saluran alamiah adalah

sungai kecil dan besar, dll. Bentuk arah, dan kekasaran permukaannya umumnya tak

teratur. Saluran buatan dibuat untuk berbagai tujuan tertentu seperti irigasi, penyaluran

air, pembangkit tenaga air. Bentuk dan arahnya teratur. Kekasaran permukaan

sekelilingnya pun seragam.

Bergantung dari bentuknya, saluran dikelompokkan menjadi saluran prismatis dan

tak prismatis. Saluran disebut prismatis jika penampang melintangnya seragam dan

kemiringannya dasarnya tetap, dan saluran disebut tak prismatis jika penampang

melintangnya atau kemiringannya berubah, atau kedua-duanya. Jelaslah bahwa hanya

saluran buatan sajalah yang dapat prismatis. Saluran prismatis dapat mempunyai bentuk

teratur apapun.

Bentuk-bentuk yang paling umum adalah persegi panjang, parabol, segitiga,

trapezium atau lingkaran.

Tergantung pada bentuknya, saluran adalah eksponesial atau tak eksponensial.

Saluran disebut eksponesial apabila luas penampang melintang dapat ditulis dengan

bentuk

A = kym

Dimana A = luas penampang melintang

y = kedalaman aliran

k = konstanta

m = eksponen

Saluran berpenampang persegi panjang, parabol dan segitiga adalah eksponensial.

Saluran berpenampang trapezium dan lingkaran adalah tak eksponensial .

5

4.3 Pembagian Kecepatan Dalam Saluran Terbuka

Kecepatan dalam saluran terbuka tidak merata di seluruh penampang. Di dekat

permukaan saluran kecepatannya terhambat disebabkan oleh tahanan dengan permukaan

ini. Seandainya tidak ada tahanan selain tahanan dengan permukaan itu, maka kecepatan

maksimum akan terjadi di permukaan air bebas. Akan tetapi tegangan permukaan dan

angin menyebabkan tahanan pada aliran permukaan bebas. Maka kecepatan maksimum

terjadi pada suatu kedalaman di bawah permukaan bebas itu.

Gambar 4.4

Gambar 4.4. memperlihatkan kurva-kurva kecepatan sama dalam saluran. Kita

dapat melihat bahwa kecepatan berkurang semakin dekat ke sisi-sisi dan dasar saluran.

Kecepatan rata-rata dalam setiap penampang vertical terjadi pada kedalaman kira-kira 0.6

h di bawah permukaan bebas. Harga kecepatan rata-rata yang lebih teliti diperoleh

dengan mengukur kecepatan pada kedalaman 0.2h dan 0.8h dari permukaan cairan

kemudian mengambil rata-ratanya dari kecepatan-kecepatan ini

Gambar 4.5

Kecepatan di permukaan biasanya 1.1 kali kecepatan rata-rata. Akan tetapi

perbandingan ini dipengaruhi sekali oleh angina dan faktor-faktor lain sehingga tidak

dapat dipercaya. Kecepatan maksimum terjadi di suatu tempat antara permukaan cairan

Kurva-kurva kecepatan sama

Kurva-kurva kecepatan sama

6

dan sepertiga kedalaman3

h. Pada saluran dangkal, kecepatan maksimum terjadi di dekat

permukaan bebas sedangkan pada saluran dalam di 3

h dibawah permukaan bebas.

Pengukuran Kecepatan

Kecepatan aliran dalam saluran terbuka dapat ditentukan dengan berbagai cara.

Beberapa cara yang biasa dilakukan dibahas di bawah ini.

a. Tabung Pitot

Tabung pitot dipasang dengan hidungnya menghadap kea rah hulu di tempat

yang hendak diukur kecepatannya. Kenaikan cairan diatas permukaan bebas

diukur. Kecepatan dihitung dari rumus

ghcV 2

Dimana c : koefisien yang harus ditentukan secara eksperimental

h : kenaikan cairan diatas permukaan bebas.

b. Alat ukur arus

Alat ukur arus terdiri dari roda horizontal yang dipasangi ember-ember (atau

mangkuk-mangkuk) kecil.

Jika alat ukur arus dipasang dalam cairan yang mengalir, maka cairan itu

akan mendorong ember-ember itu sehingga roda mulai berputar. Dari sebuah

baterai dialirkan listrik ke roda itu. Baterai dipasang diatas permukaan bebas

dan dihubungkan dengan roda dengan kawat-kawat listrik. Pada tangkai roda

dipasang komutator. Komutator mengalirkan dan memutus aliran listrik satu

kali dalam tiap putaran. Banyaknya putaran tiap menit dapat dihitung dengan

earphone atau dengan alat lain. (Gb. 4.6)

Alat ukur arus dikalibrasi sebelum dipakai. Pengalibrasian dilakukan dalam

saluran dimana kecepatannya dapat diketahui atau dihitung. Dengan

mengubah-ubah kecepatan itu diperoleh tabel kalibrasi antara banyaknya

putaran tiap menit dan kecepatan.

Kecepatan V dapat dinyatakan sebagai

V = CN

7

Dimana C adalah konstanta alat ukur yang diperoleh dari tabel kalibrasi, dan

N adalah kecepatan putaran tiap menit.

Gambar 4.6

Dengan menggunakan tabel kalibrasi atau persamaan (V = CN), kecepatan

di tiap titik dapat diperoleh dari banyaknya putaran tiap menit.

c . Pelampung

Dalam cara ini suatu pelampung kecil dibiarkan terapung sejauh jarak

yang diketahui, dan waktu yang diperlukannya dicatat. Kecepatan di

permukaan dihitung dari jarak yang telah diukur dan waktunya.

Ketelitiannya amat dipengaruhi oleh tahanan yang disebabkan oleh angin.

Dari kecepatan di permukaan, kecepatan rata-ratanya dapat dikira-kira

berdasarkan pengalaman. Kecepatan rata-rata adalah 0.8 sampai 0.95 kali

kecepatan di permukaan.

Untuk mendapatkan ketelitian yang lebih besar, digunakan pelampung

ganda yang terdiri dari pelampung di permukaan dan pelampung di dalam

cairan. Pelampung di dalam cairan lebih berat daripada cairannya dan

digantungkan pada pelampung permukaan dengan tali yang panjangnya

tertentu. (Gb. 4.7). Kecepatan yang diukur adalah rata-rata kecepatan-

kecepatan di permukaan dan pada kedalaman pelampung yang di bawah

permukaan. Dengan menyesuaikan panjang tali, dapat ditentukan

kecepatan rata-rata di seluruh penampang saluran. Pelampung yang

Kabel Penggantung

Bandul

Pengarah

Roda horisontal

8

dibawah biasanya dipasang pada kedalaman 0.6 h dari permukaan bebas.

Pelampung ganda langsung memberi kecepatan rata-rata. Kadang-kadang

dipakai pelampung batang untuk mengukur kecepatan itu. Pelampung ini

terdiri dari dari batang kayu vertical dengan ujung bawah yang berat.

Panjang batangnya kira-kira 0.9 h (Gb. 4.8). Kecepatan yang batangnya

Gambar 4.7 Gambar 4.8

Pelampung ganda Pelampung batang