Download - BAB 1 - Ambang
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
1/19
BAB I
ALIRAN MELALUI AMBANGLEBAR DAN TAJAM
1.1 Pendahuluan
1.1.1 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.
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 1.1Ambang Tajam
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
2/19
Gambar 1.2Ambang Lebar
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.
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.
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
3/19
1.3 Alat-alatPercobaan
a. Ambangtajamdanlebar
b.
Alatpengukurkedalaman
c. Alatpengukurpanjang
d. Venturimeterdanpipa manometer
e.
Sekatpengaturhilir
f. Bakpenampung air
g. Pompa air
1.4TeoriDasardanPenurunanRumus
1.4.1Debit BerdasarkanVenturimeter
Dalampercobaan, digunakanventurimeteruntukmengetahui debit yang
sebenarnyamengalirdaripompa. Debit yang
melaluiambangdapatdihitungdenganprinsipkekekalanenergi,impuls - momentum,
dankontinuitas (kekekalanmassa), sehinggadapatditerapkanpersamaan Bernoulli
untukmenghitungbesar debit berdasarkantinggimuka air
sebelumdanpadasaatkontraksipadaventurimeter.
Gambar 1.3Venturimeter
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
4/19
PersamaanBernoulli (tanpakehilangantinggitekan)
2
2
221
2
11
22z
g
vPz
g
vP
ww
; karena (z1= z2)maka g
vPg
vP
ww 22
2
22
2
11
g
vvPP
w 2
2
1
2
221
...................................... (1)
diketahui:
wHg .6,13 ; g
hgP
Maka :
hPPwHg )(21
hPPww
)6,13(21
hPPw 6,1221 ........................................... (2)
Persamaan (2) disubsitusikankepersamaan (1)
g
vvh
w
w
2
6,12 2
1
2
2
hgvv .2.6,122
1
2
2 ....................................(3)
Persamaankontinuitas:
2211 vAvA
2
2
21
2
14
1
4
1vDvD
1
2
2
1
2 v
D
Dv
................................................... (4)
Persamaan (4) disubsitusikan ke persamaan (3):
2
1
2
1
4
2
1.2.6,12 vvD
Dhg
2
1
4
2
1 1.2.6.12 vD
Dhg
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
5/19
1
.2.6.124
2
1
1
D
D
hgv ........................................... (5)
diketahui:
Q=A.v
Makadidapatrumusdebit :
aD
D
hDgar
Q
1
.4
12.
4
2
1
2
2
1
D1 = 3,15 cm
a = 1,00 gr/cm3
D2 = 2,00 cm
r = 13,60 gr/cm3
g = 9,81 m/s2
1.4.1 Koefisien Pengaliran (C)
Energi Khas:
Untuksaluranpersegipanjangdenganlebarkonstan, Energikhasdapatditulisdalam debit
per satuanlebar:
Maka,
gY
v
gY
q
dY
dE 2
3
2
11
BilanganFroude:
gY
vFr
2
maka 21 FrdY
dE ..................... (1)
Energi Total:
zg
vYzEH
2
2
(konstan)
diferensiasiterhadap X:
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
6/19
0.0 dX
dz
dX
dY
dY
dE
dX
dz
dX
dE.................. (2)
persamaan (1) disubsitusikankepersamaan (2):
01 2
dX
dz
dX
dY
Fr ................................... (3)
dX
dz= kenaikan / penurunan dasar saluran
dX
dY= kenaikan / penurunanmuka air
Karenaterjadikenaikan dasar saluran (ambang) maka 0dX
dz. Jadi 01 2
dX
dYFr .
Bila aliransubkritisFr< 1, 0dXdY tinggialiran di atasambangberkurang.Setelah itu tinggi
dasar saluran akan tetap / konstan, yang berarti 0dX
dz, jadi : 01 2
dX
dYFr dan
kemungkinanterjadiadalah : 0)1( 2 Fr atauFr = 1berarti di atasambang akan
terjadialirankritis.Padaalirankritisterjadi E minimum atau 0dY
dE.
Makamenurutpersamaan(1)
012
gY
v
dY
dE
gYv 2 gYv atau gHev
Besardebit di atasambang :
AvQ
HegLHeQ ...
23.. HeLgQ
Dari eksperimen, harga Q merupakankelipatanharga di atas, maka:
23
... HeLgCdQ
23
.HeL
QC
Q = debit yang melaluiambang
C = koefisien pengaliran
L = lebarsaluran (8 cm)
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
7/19
He = tinggialiran di atasambang
1.5 ProsedurPercobaan
Gambar 1.4Diagram alirprosedurkerjapraktikumaliranmelaluiambang [berlanjut]
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
8/19
Gambar 1.5Diagram alirprosedurkerjapraktikumaliranmelaluiambang
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
9/19
1.6 ContohPerhitungan
1.6.2 Perhitungan pada Ambang Lebar
a. MenghitungDebit yang Mengalir
H1= 136cmHg ; H2= 133cmHg
H = 20 cmHg
934,88628 cm3/s
b. Menghitung He1dan He2
Y1 = 17.1 cm
Y2 = 2,6 cm
Tinggiambang(T) = 4 cm
c. MenghitungNilai C
L = 8,3 cm
Q = 934,88268 cm
3
s
-1
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
10/19
1.7 Tabulasi Data
1.7.1 Data AmbangLebar
Data Alat
TinggiAmbang = 9,8 cm
LebarSaluran = 8,3 cm
Data Pengamatan
KeadaanAwal (Kalibrasi)
Bacaan Manometer
H1 = 136 cmHg
H2 = 133 cm Hg
Dh = 3 cmHg
Tabel 1.1Data UntukMembuatProfilAliran
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
11/19
Tabel 1.2Data UntukMembuatGrafik He1 vs He2 dan He1 vs Q
Tabel1.3DataUntukMembuatGrafik He1 vs C
0,061 23,2266 1,13383 0,95764
0,059 23,3978 1,09665 0,9647
0,057 23,8286 1,05948 0,98246
0,053 24,1028 0,98513 0,993760,039 26,7146 0,72491 1,10145
He1 / Hd C / CdHe1 (m) C
(cm^0,5/s)
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
12/19
Tabel 1.4Data untukmembuat He1/HdVs C/Cd Ambanglebar
1.8 Grafik dan Analisis
1.8.1 AmbangLebar
Grafik 1.1ProfilAliranMukaAmbangLebar
Grafik diatas menunjukkan tinggi muka air di sepanjang saluran. Pada kondisi loncat,
tinggi air di hilir tidak terlaludipengaruhioleh tinggi air di hulu saluran. Pada kondisi
peralihan, tinggi muka air di hilir mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di hulu saluran.
Tinggi air di hilir dipengaruhi oleh tinggi air di hulu pada keadaan tenggelam sehingga
ambang seakan-akan tidak berfungsi.
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000
Profil Aliran
Loncat 1
Loncat 2
Peralihan
Tenggelam 1
Tenggelam 2
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
13/19
Grafik 1.2He1 vs He2
Grafik di atasmenunjukanhubungan He1 dan He2.Dari grafik di atas, dapat dilihat
bahwa nilai He1 selalu bernilai positif, sedangkan He2dapat bernilai positif maupun negatif.
He1 selalu bernilai positif, menunjukkan bahwa Y1 selalu lebih besar dari tinggi ambang.
Pada He2yang bernilai negatif, tinggi Y2 lebih tinggi dari tinggi ambang. Bila He2bernilai
positif, tinggi Y2 lebih rendah dari tinggi ambang.
Pada keadaan loncat, nilai He2 adalah positif dan nilai He1 relatifkonstan, artinya
tinggi muka air di hulu cenderung tidak dipengaruhi tinggi air di hilir.
Pada keadaan peralihan, nilai He2lebih mendekati nol daripada saat keadaan yang lain.
Hal ini menunjukkan bahwa saat peralihan ketinggian air di hilir memiliki tinggi yang lebih
dekat dengan tinggi ambang.
Padakeadaantenggelam, nilai He2semakinlebihtinggidaripadatinggiambang.
Padakeadaantenggelam,
keberadaanambangbisadiabaikankarenasudahtidakberpengaruhpadaaliran.
0
1
2
3
4
5
67
8
9
-10 -5 0 5 10 15
He1
He2
He1 vs. He 2
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
14/19
Grafik 1.3 He1 vs Q
Grafikdiatasmenunjukanhubunganantara He1 dan Q. Terlihatbahwa Q
hampirberbandinglurusdengan He1.Berdasarkanrumus
seharusnya hubungan
antara He1 dan Q adalahpower.Secaralogisadalahmasukakaljikamuka air
meningkatseiringmembesarnya debit yang disuplaikeambang.
y = 8E-05x + 4.5065
R = 0.0101
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2000 4000 6000 8000
AxisTitle
Axis Title
He1 vs. Q
He1 vs. Q
Linear (He1 vs. Q)
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
15/19
Grafik1.4He1 vs C
Grafikdiatasmenunjukanhubunganantaratinggimuka air
diatasambangdankoefesienambang.Harga C padaumumnyaberada di sekitar
7.Nilaiiniseharusnyakonstandisetiap debit karena C adalahsuatukoefisien yang
bernilaikonstan.Dikarenakanketerbatasanparapraktikan, hanyamampudidapatsuatnilai yang
mendekatikonstan.Disini Cd bernilai 8,6066 cm0.5/sdanHd yang bernilai 4,62 cm.
y = -0.3427x + 7.5696
R = 0.7316
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20
He1
c
He1 vs. c
He1 vs. c
Linear (He1 vs. c)
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
16/19
Grafik 1.5Q vs C
Dari grafikdapatdilihathubunganantara debitdengankoefisienpengaliran.Karena C
merupakankoefisienseharusnya C nilainyakonstan.Dari Grafik 1.4 dan 1.5
bisadisimpulkankoefisienpengaliranhanyalahdipengaruhiolehkondisidanspesifikasiambang.
y = -35.065x + 957.21R = 0.4349
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 5 10 15 20
Q
c
Q vs. c
Q vs. c
Linear (Q vs. c)
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
17/19
Grafik 1.6He1/Hdvs C/Cd
Grafik ini menunjukkan hubungan antara dan
. Dari grafik ini bisa terlihat
bahwa selalu mendekati harga 1. Semakin
bernilai konstan, maka semakin akurat
lah percobaan yang dilakukan.
y = -0.6385x + 1.6385
R = 0.7316
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 0.5 1 1.5 2 2.5
He1/Hd
C/Cd
(He1/Hd) vs. (C/Cd)
(He1/Hd) vs. (C/Cd)
Linear ((He1/Hd) vs. (C/Cd))
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
18/19
1.8.2 AmbangTajam
Grafik 1.6 ProfilAliranAmbangTajam
Dari grafik ini dapat dilihat tinggi permukaan air di sepanjang saluran. Pada keadaan
loncat tinggi muka air di hilir saluran tidak dipengaruhi oleh tinggi muka air di hulu saluran.
Pada keadaan peralihan tinggi muka air di hilir mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di
hulu saluran. Sedangkan pada keadaan tenggelam tinggi muka air di hulu saluran
dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran. Padakeadaaniniseolah-olah ambang tidak
berfungsi lagi.
1.9Simpulan dan Saran
1.9.1 Simpulan
Karakteristik aliran yang melalui ambang dapat dibedakan menjadi tiga tipe, yaitu
keadaan loncat, peralihan dan tenggelam. Pada keadaan loncat ketinggian muka air di hulu
saluran tidak dipengaruhi oleh ketinggian muka air di hilir saluran. Keadaan peralihan
adalah keadaan dengan ketinggian muka air di hulu saluran mulai terpengaruh oleh
ketinggian air di hilir saluran. Pada keadaan tenggelam, ketinggian muka air di hulu
saluran sudah terpengaruh oleh tinggi muka air di hilir saluran.
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000
Profil Aliran
Loncat 1
Loncat 2
Peralihan
Tenggelam 1
Tenggelam 2
-
8/11/2019 BAB 1 - Ambang
19/19
Percobaan ini menunjukkan bahwa tinggi muka air di hilir mulai
mempengaruhitinggi muka air di hulu saluran pada keadaan peralihan, sedangkan
ketinggian muka air di hulu sudah terpengaruh oleh tinggi muka air di hilir saluran pada
saat keadaan tenggelam. Jika tinggi permukaan air di atas ambang terlalu besar, aliran
akan berada pada keadaan tenggelam sehingga He2dan He1saling berhubungan seakan-
akan ambang tidak berfungsi.
Bisadisimpulkanjugabahwahargakoefisienpengaliranhanyalahdipengaruhiolehkondis
iatauspesifikasiambang.
1.9.2 Saran
Sebaiknya dilakukan lebih banyak percobaan dengan nilai debit yang berbeda, serta
dengan metode pengukuran yang lebih akurat.
1.10Referensi
Chow, V. T. (1959). Open-channel Hydraulics.McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.
Munson, B., Young, D., & Okiishi, T. (2002).Fundamentals of Fluid Mechanics.John Wiley
& Sons, Inc.
Panduan Praktikum Mekanika Fluida dan Hidraulika. 2013