modul v aliran melalui ambang (tajam dan...
TRANSCRIPT
35
MODUL V ALIRAN MELALUI AMBANG
(TAJAM DAN LEBAR)
5.1. Pendahuluan
5.1.1. 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. Pengetahuan 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
36
Terdapat perbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam, sehingga mempengaruhi jatuhnya
aliran. Pada ambang lebar air akan jatuh lebih lunak dari ambang tajam, meskipun tinggi dan lebar ambang
sama. Perbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam dapat dilihat pada di bawah ini.
Gambar 5. 2 Aliran pada Ambang Tajam
Gambar 5. 3 Ambang Tajam
Gambar 5. 4 Ambang Lebar
37
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.
5.1.2. 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.
5.2. Landasan Teori
Aliran pada ambang atau pelimpah (spillway) adalah salah satu jenis aliran pada saluran terbuka. Profil
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. Pengurangan tekanan ini menimbulkan hal-hal sebagai berikut:
38
- Perbedaan tekanan meningkat di ambang
- Perubahan bentuk tirai luapan sesuai dengan ambang yang digunakan
- Peningkatan 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.
5.2.1. 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 = √(𝜌𝑟−𝜌𝑎)(
1
4𝜋𝑑1
2)22𝑔∆ℎ
[(𝑑1𝑑2)4−1]𝜌𝑎
(5.1)
Dengan:
d1 = 3,15 cm ρair = 1,00 gr/cm3 pada suhu 0 ̊C
d2 = 2,00 cm ρHg = 13,60 gr/cm3
G = 9,81 m/s2
39
Debit Pelimpah
Debit aliran yang melalui ambang dengan tipe WES dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
𝑄 = 𝐶𝐿𝐻𝑒3/2 (5.2)
di mana:
C = koefisien pengaliran
L = lebar saluran
He = tinggi aliran di atas ambang
5.2.2. Koefisien Pengaliran (C)
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/s2 t = tinggi ambang = 12 cm
Karena debit aliran yang melalui pelimpah tersebut relatif kecil, maka diperlukan koefisien reduksi bagi debit
(Q) maka:
Q = c. g1/2 . L . He3/2 (5.5)
Dengan mensubstitusi C = c.g1/2 ke persamaan (1.4) maka diperoleh persamaan debit sebagai berikut:
Q = C . L . He3/2 (5.6)
Gambar 5. 6 Profil Aliran Melalui Ambang Tajam
40
Apabila debit yang mengalir sudah diketahui nilainya, maka nilai koefisien pengaliran (C) dapat diperoleh
dengan menggunakan rumus:
C = Q /(L . He3/2) (5.7)
di mana :
L = lebar saluran = 8 cm
5.3. Alat-alat Percobaan
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. Pompa air
Gambar 5. 7 Model penampang aliran pada ambang tajam
5.4. Prosedur Kerja
1. Pastikan 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. Periksa 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.
41
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
- Peralihan
- 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 Pengamatan Lembar
1 Data untuk Membuat Profil 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.
Pada dasarnya, prosedur kerja dapat digambarkan melalui diagram alir berikut ini:
42
! Jika menggunakan mistar,
gunakan mistar yang
sama untuk setiap
percobaan.
! Jika terdapat selisih ketinggian
pada kedua pipa, catat
selisihnya, dan gunakan
sebagai kalibrasi
__ P? ! Pastikan orientasi ambang
benar
! Pastikan air tidak meluap
! Pastikan aliran telah stabil
! Jumlah pengambilan data
masing-masing keadaan
aliran:
• Lompat 2 kali
• Peralihan 1 kali
• Tenggelam 2 kali
Gambar 5.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang [berlanjut]
43
Gambar 5.9 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang
44
5.5. Pengambilan 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 Percobaan
Jumlah keadaan aliran = 5 (loncat 1, loncat 2, peralihan, tenggelam 1, tenggelam 2)
Lembar
Data
No. Data yang Diambil Simbol Sat. Jumlah Data Total Keterangan
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
2 Lembar 2
Tinggi kedua pipa
manometer untuk
menghitung debit
hi cm 5
Debit pertama
diambil sama
dengan debit untuk
Lembar 1, jadihanya
mengambil 4 nilai
debit yang baru. h2 cm 5
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
3 Lembar 3
Tinggi kedua pipa
manometer untuk
menghitung debit
h1 cm 10 Debit pertama
sampai kelima
diambil sama
dengan debit untuk
Lembar 2, jadi hanya
mengambil 5 nilai
debit yang baru.
h2 cm 10
Tinggi air sebelum
ambang y1 cm 10
Data yang diambil
hanya pada keadaan
loncat pertama. he1
= y1 - t
Catatan:
45
5.6. Pengolahan Data
Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut ini:
Tabel 5. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data
No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama Acuan Gambar/Grafik
1 Menggambar profil
muka aliran.
Lembar 1 Data untuk
Membuat Profil Aliran Menggunakan fungsi
chart tipe scatter pada
program Microsoft Excel
atau sejenis.
Gambar ini menjadi
Grafik 1.1 Profil
Aliran.
2 Menghitung besarnya
seluruh debit yang
mengalir (Q).
• Lembar 2 Data Untuk
Membuat Grafik He1 vs He2
dan He1 vs Q
• Lembar 3 Data Untuk
Membuat Grafik He1 vs C
Gunakan rumus 1.1.
3 • Menghitung
besarnya He1
dan He2.
• Membuat grafik
He1 vs He2.
• Membuat Grafik
He1 vs Q.
Lembar 2 Data Untuk
Membuat Grafik He1 vs He2
dan He1 vs Q
• Lihat rumus 1.4 dan
Gambar 1.6
• Ingat pembuatan grafik
berarti sumbu y vs
sumbu x
• Gambar pertama
menjadi Grafik
1.2 He1 vs He2.
• Gambar kedua
menjadi Grafik
1.3 He1 vs Q.
4 • Menghitung nilai
koefisien
pengaliran untuk
tiap debit dan He1
yang telah
dihitung.
• Membuat grafik
He1 vs C.
• Membuat grafik Q
vs C.
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.
5
• 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 Hei vs C
• Gunakan Grafik 1.4 He1
vs C.
• Untuk membuat grafik,
gunakan nilai He1 dan C
hasil
perhitungan
sebelumnya.
Grafik ini menjadi
Grafik 1.6 He1/Hd vs
C/Cd.
46
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
5.8. Kesimpulan
Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum dan saran untuk perbaikan di masa mendatang.
5.9. Daftar Pustaka
Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.
No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis
1 Grafik 1.1 Profil Aliran • Beberapa fenomena yang terjadi pada tiap keadaan
profil aliran.
• Penyebab terjadinya fenomena tersebut.
• Perbedaan tiap keadaan (loncat, peralihan,
tenggelam).
• Perkiraan letak ambang pada sumbu koordinat
2 Grafik 1.2 Hei vs He2
• Tujuan pembuatan grafik tersebut.
• Hubungan He1 dan He2.
• Pengaruh 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.
• Persebaran titik-titik pada grafik.
• Mencari Cd dan Hd.
5 Grafik 1.5 Q vs C • Tujuan pembuatan grafik tersebut.
• Hubungan Q dan C.
• Persebaran titik-titik pada grafik.
• Kaitan nilai Cd dengan nilai C pada grafik ini.
6 Grafik 1.6 He1/Hd vs C/Cd • Tujuan pembuatan grafik tersebut.
• Persebaran titik-titik pada grafik.
• Hubungan He1, Hd, C, dan Cd.
47
FORMULIR PENGAMATAN Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR
Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil
No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM
1
2 Asisten :
( ........................... )
3
4
5
TANGGALTERAKHIR PEMASUKANLAPORAN :
No. Kelompok: Lembar 1/2
Data alat
• Tinggi Ambang = ( .............. .......... cm) • Lebar Saluran = ( ................ ....... cm)
Data Pengamatan
Keadaan Awal (Kalibrasi)
Bacaan Manometer H1 = (............ ......... cm), H2 = ( ........
......... cm), Ah = ( .........
......... cm)
Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran
Titik Loncat 1 (cm) Loncat 2 (cm) Peralihan
(cm) Tenggelam 1 (cm) Tenggelam 2 (cm)
X Y X Y X Y X Y X Y
1
2
3
4
5
6
7
8
Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q
Debi
t
Manometer Q Jenis
Aliran
H1 (m) H2 (m) Ah (m) (m3/ s)
Y1 (m) Y2 (m) He1 (m) He2 (m)
L1
L1
Q1
P
T1
T2
Q2
L1
48
Li
P
Ti
T2
Q3
Li
Li
P
Ti
T2
Q4
Li
Li
P
Ti
T2
Q5
Li
Li
P
Ti
T2
Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C
Debit ke Manometer Q
(m3/s) Y1 (m) He1 (cm)
C (cm05/s)
H1 (m) H2 (m) Ah (m)
i
2
3
4
5
6
7
8
9
io
49
FORMULIR PENGAMATAN
Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG TAJAM
Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil
No. Kelompok : ................................................................................................................................... Lembar - 1/2
No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM
1
2 Assiten :
( ........................... )
3
4
5
TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN :
Data alat
• Tinggi Ambang = ( ................... ............cm)
• Lebar Saluran = ( .................... ......... cm)
Data Pengamatan
Keadaan Awal (Kalibrasi)
Bacaan Manometer H1 = ( ................. .......... cm), H2 = ( .........
.......... cm), Ah = ( .........
.......... cm)
Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran
Titik Loncat 1 (cm) Loncat 2 (cm) Peralihan
(cm) Tenggelam 1 (cm) Tenggelam 2 (cm)
X Y X Y X Y X Y X Y
1
2
3
4
5
6
7
8
Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q
Debi
t
Manometer Q Jenis
Aliran
H1 (m) H2 (m) Ah (m) (m3/
s)
Y1 (m) Y2 (m) He1 (m) He2 (m)
L1
L1
Q1
P
T1
T2
Q2
L1
50
Li
P
Ti
T2
Q3
Li
Li
P
Ti
T2
Q4
Li
Li
P
Ti
T2
Q5
Li
Li
P
Ti
T2
Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C
Debit ke Manometer Q
(m3/s) Y1 (m) He1 (cm)
C (cm05/s)
H1 (m) H2 (m) Ah (m)
i
2
3
4
5
6
7
8
9
io