TKS 4005 – HIDROLIKA DASAR / 2 sks
Hidrostatika
C
ivilE
ngineeringD
epartmentU
niversity ofB
rawijayaIr. Suroso, M.Eng., Dipl.HE Dr. Eng. Alwafi Pujiraharjo
C
ivilE
ngineeringTekanan
Tekanan didefinisikan sebagai gaya normal
akibat fluida per satuan luas.
Unit (satuan) dari tekanan adalah N/m
2, yang
disebut pascal (Pa).
Jika satuan Pa sangat kecil untuk tekanan
Jika satuan Pa sangat kecil untuk tekanan
yang dijumpai dalam praktek, biasanya
digunakan kilopascal (1 kPa = 10
3Pa) dan
megapascal (1 MPa = 10
6Pa).
Unit (satuan) yang lain adalah bar, atm,
C
ivilE
ngineeringTekanan Pada Titik
Ditinjau free-body diagram dalam fluida
Dimana tidak ada tegangan geser, gaya luar yang
bekerja pada baji fluida (wedge) hanya karena tekanan dan berat sendiri
C
ivilE
ngineeringTekanan Pada Titik
Hukum Newton II (F = ma) dalam arah x dan z
sin 2 cos -y y S y F p x z p x s x y z a x y z F p x y p x s d d d d d d d d d d d d d d g
; 2 2 y S y Z S Z y z p p a d p p a g dp
p
p
cos -2 2 Z z S z F p x y p x s x y z a d d d d g d d d
sin cos y s z sd
d
d
d
d
d
d
C
ivilE
ngineeringTekanan Pada Titik
Tekanan pada titik
dalam fluida diam, atau
bergerak, adalah
tidak tergantung pada arah
sepanjang tidak ada tegangan geser.
Hasil ini dikenal sebagai
Hukum Pascal
sebagai penghargaan Blaise Pascal
(1623-sebagai penghargaan Blaise Pascal
(1623-1662).
C
ivilE
ngineeringVariasi Tekanan Terhadap Kedalaman
Dengan adanya pengaruh gravitasi,
tekanan bertambah seiring bertambahnya kedalaman
Untuk mendapatkan hubungan
variasi tekanan, ditinjau elemen segi empat
empat
Keseimbangan gaya arah-z:
Dibagi x, akan didapat: 2 1
0
0
z zF
ma
P x P x
g x z
P
P
P
g z
g
z
C
ivilE
ngineeringVariasi Tekanan Terhadap Kedalaman
Tekanan pada fluida diam, tidak tergantung
pada bentuk tempatnya.
Tekanan sama pada semua titik pada bidang
horisontal dalam fluida.
C
ivilE
ngineeringHukum Pascal
Tekanan yang diberikan
pada fluida terkekang
menaikkan tekanan dalam
fluida ke semua arah
sama besar.
Dalam gambar, piston
Dalam gambar, piston
sama tinggi
Rasio A
2/A
1disebut ideal
mechanical advantage
1 2 2 2 1 2 1 2 1 1F
F
F
A
P
P
A
A
F
A
C
ivilE
ngineeringHubungan Tekanan – Kedalaman
Hubungan tekanan-kedalaman pada fluida
statis
Integrasikan untuk
menentukan distribusi
tekanan dalam fluida
g
g
dz
dp
Batasan:
Fluida statis.
Body force hanya gravitasi (berat).
Sumbu z vertikal dan ke atas
tekanan dalam fluida
statis dengan kondisi
batas yang tepat.
C
ivilE
ngineeringTekanan Pada Fluida Tak Termampatkan (incompressible fluids)
Fluida dengan density konstan disebut fluida
tak termampatkan
2 1 1 2 p z pdp
g
zdz
dp
g
dz
g
p1 - p2 = g(z2-z1) = gh p1 = gh +p2 h = z2-z1,h adalahkedalaman fluida diukur ke bawah dari lokasi p2.
C
ivilE
ngineeringTinggi Tekanan Pada Fluida Statis
Perbedaan tekanan antara dua titik dalam
Perbedaan tekanan antara dua titik dalam
fluida
fluida diam
diam::
1 2
(
1 2)
p
p
g
z
z
g
h
h h disebut tinggi tekanan disebut tinggi tekanand
dan an ddiinterpretiinterpretasikan asikan sebagai tinggi k
sebagai tinggi kololoom m
1 2
p
p
h
g
sebagai tinggi ksebagai tinggi kololoom m ffluidluida dengan a dengan specific specific weight
weight gg yang yang diperlukan untuk diperlukan untuk memberi perbedaan memberi perbedaan tekanan tekanan pp11 –– pp22 ..
C
ivilE
ngineering
Te
Tekanan
kanan p
p p
pa
ada sembarang kedalaman
da sembarang kedalaman h
h di
di
b
ba
aw
wah permukaan bebas
ah permukaan bebas s
s dinyatakan
dinyatakan
0
C
ivilE
ngineeringTekanan Atmosfer, Relatif, dan Absolut
Udara di atmosfer mempunyai berat, maka udara mempunyai tekanan di permukaan bumi.
Rapat massa udara tidak konstan, tergantung
ketinggian, temperatur dan kelembaban sehingga
tekanan atmosfer yg disebabkan berat atmosfer atau udara sulit ditentukan.
udara sulit ditentukan.
Tekanan aktual pada titik tertentu disebut tekanan
absolut.
Pada umumnya alat pengukur tekanan di kalibrasi untuk titik nol pada tekanan atmosfir, dan oleh
karenanya yang dibaca pada alat ukur, tekanan relatif, gage abs atm
C
ivilE
ngineeringTekanan Atmosfer, Relatif, dan Absolut
Tekanan di bawah tekanan atmosfir disebut
tekanan vacum,
Tekanan relatif atau tekanan terukur: tekanan
yang diukur berdasar titik nolnya tekanan
vac atm abs
p
p
p
yang diukur berdasar titik nolnya tekanan
atmosfer.
Bila udara tidak mempunyai berat maka
tekanan dimuka bumi nol. Tekanan ini disebut
tekanan nol absolut.
C
ivilE
ngineeringTekanan Atmosfer, Relatif, dan Absolut
Tekanan atmosfer diukur berdasarkan tinggi kolom zat cair yg bisa ditahan.
Tinggi tekanan di suatu tempat diukur dengan
barometer air raksa. Terdiri dari tabung kaca cukup
panjang, salah satu ujungnya tertutup dan diisi air
raksa. Ujung lainnya terbuka dan diasukkan ke dalam raksa. Ujung lainnya terbuka dan diasukkan ke dalam air raksa. Pada kondisi setimbang, permukaan air
raksa di dalam tabung akan turun sampai tinggi kolom air raksa dalam tabung adalah h. Ruangan di atas air raksa mengandung uap air raksa.
C
ivilE
ngineeringTekanan Atmosfer, Relatif, dan Absolut
Tekanan uap = pvapor Tekanan atmosfer = patm
Bila berat unit air raksa adalah g, maka
atm vapor
p
g
h
p
Karena tekanan uap air raksa pd suhu 200C = 1,6
x 10-6 kgf/cm2, maka dapat diabaikan
sehingga
Untuk air raksa, h = 76 cm Untuk air, h = 10,33 m
atm
C
ivilE
ngineeringContoh
Tabung berbentuk silinder dengan tinggi 1,5m dan luas
penampang 5 cm2 diisi air sampai ketinggian 1,0m dan sisanya diisi minyak dengan rapat massa relatif terhadap air = 0,8 seperti gambar berikut.
Tabung tersebut terbuka terhadap udara luar.
patm
5 2
1, 031 1, 013 10 /
p bar N m
Hitung tekanan terukur dan tekanan absolut pada dasar tabung. Hitung pula gaya pada dasar tabung.
h1 = 0,5m h2 = 1,0m A B pa pabs 5 2 1, 031 1, 013 10 / atm p bar N m
C
ivilE
ngineeringPenyelesaian
1
2
: rapat massa minyak
: rapat massa air
S = rapat massa relatif minyak
Tekanan terukur:
Tekanan absolut:
p
gh
p
p
p
1 1 2 2 2(
2 1)
A atm B A atmp
gh
p
p
p
gh
g h
Sh
p
C
ivilE
ngineeringPenyelesaian
C
ivilE
ngineeringManometer
Teknik standar untuk
pengukuran tekanan
termasuk penggunaan
kolom zat cair dalam
tabung vertikal atau miring
..
Alat pengukur tekanan berdasarkan teknik ini
disebut
manometer
.
Barometer air raksa
adalah salah satu contoh jenis manometer
,
tetapi banyak kemungkinan konfigurasi lain,
tetapi banyak kemungkinan konfigurasi lain,
tergantung pada
aplikasi
.
Piezometer Tube
Piezometer Tube
U
U--Tube manometer
Tube manometer
C
ivilE
ngineeringPiezometer Tube
Persamaan Dasar:
0p
g
h
p
0 1 tekanan terukur( 0)specific weight zat cair dalam kontainer
A p p g
Hanya tepat bila tekanan pada container lebih besar dari
tekanan atmosfir, dan tekanan yang diukur harus relatif kecil
sehingga tinggi kolom yang diperlukan tidak terlalu tinggi. Fluida
dalam
container
container harus zat cair bukan
harus zat cair bukan gas
gas..
1 diukur dari meniscus pada
permukaan atas ke titik (1)
C
ivilE
ngineeringSimple U-tube Manometer
Fluid
Fluida dalam
a dalam manometer
manometer disebut
disebut gage fluid.
gage fluid.
A(1)(2)(3)terbuka
p
A+ g
1h
1– g
2h
2= 0
p
A= g
2h
2– g
1h
1 p
A= g
2h
2– g
1h
1
Jika pipa A berisi gas
maka g
1h
1≒0
p
A= g
2h
2C
ivilE
ngineeringDifferensial U-tube Manometer
A(1)(2)(3)(4)(5)B
p
A+g
1h
1-g
2h
2-g
3h
3= p
B
Perbedaan tekanan:
-
p
A- p
B= g
2h
2+g
3h
3-g
1h
1C
ivilE
ngineeringInclined-tube Manometer
Untuk mengukur perubahan tekanan kecil,
sering digunakan inclined-tube manometer
p
A+ g
1h
1– g
2l
2sinθ – g
3h
3= p
B p
A– p
B= g
2l
2sinθ + g
3h
3– g
1h
1
Jika pipa A dan B berisi gas maka g
3h
3≒
≒
Jika pipa A dan B berisi gas maka g
3h
3≒
g
1h
1≒0
C
ivilE
ngineering10m 4m
8m
Air mengalir melalui pipa A dan B seperti gambar berikut:
Contoh Soal 2:
3m
4m 5m
Hitung perbedaan tekanan antara pipa A dan B (pA – pB) jika diketahui SGair = 1; SGoil = 0.88 ; SGHg = 13.6
C
ivilE
ngineering Pipa dibagi menjadi ruas: A-C, C-D, D-E, E-F, dan F-B
d1=10 4m d2=3 d =4 d =5 d5=8 F D
Penyelesaian:
Hitungan dimulai dari titik A:
d2=3
d3=4 d4=5
E
C Hitungan dimulai dari titik A: pA – pC = – air g d1
pC – pD = +Hg g d2 pD – pE = – Oil g d3 pE – pF = +Hg g d4 pF – pB = +air g d5
C
ivilE
ngineering pA – pB = (pA – pC) + (pC – pD) + (pD – pE) + (pE – pF) + (pF – pB) = – air g d1 + Hg g d2 – Oil g d3 + Hg g d4 + air g d5 = air g (–d1 + 13.6 d2 – 0.88 d3 + 13.6 d4 + d5) = 1000*9.81(-10 + 13.6*3 – 0.88*4 +13.6*5+8) N/m2 = 9.8*103.28 kN/m2C
ivilE
ngineeringHidrostatika
Hidrostatika menjelaskan persoalan yang berhubungan dengan fluida diam.
Dalam hidrostatika, tidak ada gerakan relatif antara lapisan fluida disekitarnya.
Oleh karena itu, tidak ada tegangan geser dalam fluida yang akan mengalami deformasi.
fluida yang akan mengalami deformasi.
Tegangan dalam hidrostatika hanya tegangan normal
Tegangan normal karena tekanan
Variasi tekanan hanya karena berat fluida → fluid statics hanya relevan bila ada pengaruh gravitasi.
Aplikasi: benda terapung atau tenggelam, bendungan dan pintu air, zat cair dalam tangki, dll.
C
ivilE
ngineeringHoover Dam
C
ivilE
ngineeringHoover Dam
C
ivilE
ngineeringHoover Dam
Contoh tinggi elevasi (energi potensial) z
dikonversikan menjadi tinggi kecepatan
C
ivilE
ngineeringTekanan Hidrostatis Pada Bidang Datar
Pada bidang datar, gaya hidrostatis membentuk sistim gaya-gaya sejajar Untuk aplikasi, besar dan
letak garis kerja, yang disebut pusat tekanan disebut pusat tekanan (center of pressure), harus ditentukan.
Tekanan atmosfir patm dapat diabaikan bila
bekerja pada dua sisi dari bidang permukaan.
C
ivilE
ngineeringGaya Hidrostatis Pada Bidang Datar
Bila permukaan terendam dalam fluida, gaya-gaya yang terjadi pada permukaan karena distribusi
tekanan hidrostatis dari fluida.
Menentukan gaya-gaya ini sangat penting dalam
perencanaan tangki/tandon air, kapal, bendungan dan bangunan air lainnya
bangunan air lainnya
33
Distribu
Distribussii tekanan tekanan ddan an resultanresultan gaya
gaya hhiidrostatidrostatiss pada dasar pada dasar tangki terbuka
tangki terbuka..
Distribu
Distribussii tekanan pada sisi tekanan pada sisi tangki terbuka
C
ivilE
ngineeringGaya Hidrostatis Pada Bidang Datar
Menentukan besarnya gaya.
Menentukan arah gaya.
Menentukan garis kerja gaya.
Menentukan
resultan
gaya
yang
bekerja
benda terendam.
C
ivilE
ngineeringGaya Hidrostatis Pada Bidang Terendam
Gaya hidrostatis pada
sembarang elemen bidang
bekerja tegak lurus pada bidang dF = p dA.
Gaya resultan
sin
F
g
h dA
g
y
dA
Karena g dan konstan
sin
R A AF
g
h dA
g
y
dA
sin
R AF
g
y dA
A
y
ydA
C A
C
ivilC
ivilE
ngineeringGaya Resultant
Besarnya gaya
Besarnya gaya resultan
resultan adalah sama dengan
adalah sama dengan
tekanan yang bekerja pada pusat berat
tekanan yang bekerja pada pusat berat
bidang dikalikan luas
bidang dikalikan luas total
total
y
y
ccadalah k
adalah koordinat
oordinat y dari
y dari
pusat berat
pusat berat
bidang
bidang
y
y
ccadalah k
adalah koordinat
oordinat y dari
y dari
pusat berat
pusat berat
bidang
bidang
A.
A.
h
h
ccadalah jarak
adalah jarak verti
vertik
kal d
al dar
ari
i permukaan
permukaan fluid
fluida
a
sampai
C
ivilE
ngineeringLetak Gaya Resultant
Bagaimana menentukan letakBagaimana menentukan letak ((xR,yRxR,yR) ) dari gaya dari gaya rresultantesultant??
Momen dari gaya resultant harus sama dengan momen dari gaya tekanan yang terdistribusi
2
sin
R RF y
R R
y dF
g
sin
y dA
F
R
g
A y
csin
g
h A
c A AF y
y dF
g
y dA
F
R
g
A y
csin
g
h A
c 2 x xc A R c c c cy dA
I
I
y
y
y A
y A
y A
IxIx adalah momen adalah momen inertia.inertia.
Dengan
Dengan teoremteorema sumbu sejajara sumbu sejajar……
2
x xc c
I
I
Ay
Gaya r
Gaya resultanesultan
ttidak melaluiidak melalui ppuussat at berat tetapi selalu berat tetapi selalu di bawahnya
C
ivilE
ngineeringContoh 1
Diketahui diagram gaya yang pada didinding
vertikal selebar b dan kedalaman h berikut:
y
Hitung gaya yang bekerja (F
R) dan pusat
gayanya (y
R)
39R
C
ivilE
ngineeringJawaban Soal 1
Gaya yang bekerja:
Pusat Gaya:
2 1 1 2 2Volume Prisma
RF
g
h
h b
g
bh
2 x xc Ay dA
I
I
y
R
A
x
xc
y
c c c cy
y
y A
y A
y A
3 1 12 1 2 xc cI
bh
y
h
A bh
3 1 12 1 1 1 2 2 6 2 3 1 2 xc R c cbh
I
y
y
h
h
h
h
y A
h bh
C
ivilE
ngineeringContoh 2:
Diketahui diagram gaya yang pada dinding
vertikal selebar b dan berada kedalaman
seperti gambar berikut:
C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 2
CARA 1
0 p 0 y R y Gaya yang bekerja:
0 0 2 1 1 2 1 2 1 2 2 2 1 ( ) ( )( ) ( ) R F p A y b h h b h h h h b h h g g g R F
C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 2
Pusat Gaya:
CARA 1
0 0 0 x RI
y
y
y A
0 0 0 3 1 2 1 12 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) x R I y y y A b h h h h h h b h h 1 0 1 2 2 1 3 1 0 12 2 1 2 1 ( ) ( ) ( ) x y h h h I b h h A b h h 2 1 2 1 2 2 1 2 1 12 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 3 2 2 1 2 1 2 1 2 6 6 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 6 2 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( ) (4 4 4 ) ( ) h h b h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 2
CARA 2
Gaya yang bekerja:
2 1
1 2 1( 2 1) 2 ( 2 1)
R
C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 2
Pusat Gaya
2 1 12
h
h
y
2 2 12(
)
3
h
h
y
F y
1 1
F y
2 2 A RF y
F y
y
F
1
R
A
y
y
h
C
ivilE
ngineeringContoh 3:
Pintu air berbentuk segi empat dengan tinggi 4,00 m dan lebar 3,00 m. Pintu tersebut direncanakan untuk membuka secara otomatis apabila tinggi air H. Bila letak sendi/ hinge/sumbu putar h=1,75 m dari
dasar,tentukan H dan hitung besar serta letak garis kerja gaya hidrostatis pada pintu sesaat sebelum terbuka.
C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 3
C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 3
Besarnya gaya hidrostatis:
Pusat gaya: 0 0 1 2
9.81 (
4) (3 4)
117.72
235.44
R wF
p
A
h
A
H
kN
H
kN
g
Pusat gaya: 0 0 0 3 1 12 . . (3 4 ) ( 2) (3 4) ( 2) 16 ( 2) 12( 2) p I h h A h H H H H C
ivilE
ngineeringJawaban Contoh 3
Pintu akan mulai terbuka jika pusat gaya hidrostatis berada di atas sendi, sehingga:
2 16 ( 2) 2.25 12( 2) p h H H H H
Gaya hidrostatis sebelum pintu terbuka:
10 3 16 0.25 12( 2) 3( 2) 16 H H H m
117.72 3.333 235.44
294.45
RF
kN
kN
C
ivilE
ngineeringSifat Geometris Bentuk Umum
C
ivilE
ngineeringPrisma Tekanan untuk Bidang
Segiempat Miring
Te
Tekanan yang terjadi kanan yang terjadi tergantung pada
tergantung pada jarak
C
ivilE
ngineeringTekanan Hidrostatis Pada Bidang
Lengkung
FR pada bidang lengkung lebih rumit bila memerlukan
integrasi gaya tekanan yang berubah arah sepanjang permukaan.
C
ivilE
ngineeringTekanan Hidrostatis Pada Bidang
Lengkung
Pd elemen luas dA,bekerja gaya dF
dF = p.dA p =
g
.h Komponen gaya arah sb. X, Y :
g
.
sin
.
sin
sin
p
dA
h
dA
dF
dF
x
Proyeksi bidang lengkung pada bidang vertikal:
dAy = dA.sin
Proyeksi bidang lengkung pada bidang horisontal:
dAx = dA.cos
g
.
sin
.
sin
sin
p
dA
h
dA
dF
dF
x
.
cos
ydF
g
h dA
C
ivilE
ngineeringBesar dan Arah Gaya Resultant
Besar resultan gaya
2
2
y
x
F
F
F
Arah
terhadap horisontal:
1
ta n
y xF
F
C
ivilE
ngineering Komponen Gaya Arah x dan y:
0
sin
x x y yF
dF
h dA
h dA
h A
g
g
g
cos
y y xF
dF
g
h dA
g
h dA
Komponen horisontal = gaya pada proyeksi
bidang lengkung pada bidang vertikal
Komponen vertikal = berat zat cair di atas
bidang lengkung.
dV
V
g
g
C
ivilE
ngineeringSoal Latihan 1
Pintu air segiempat dengan lebar 2 m dan tinggi 2.5 m diletakkan miring seperti gambar berikut:
H
Jika berat pintu 25 kN. Hitung tinggi air H dan Resultant Gaya Hidrostatis yang bekerja pada pintu supaya pintu
1.5 m
C
ivilE
ngineeringSoal Latihan 2
Sebuah bendung beton berbentuk trapesium dengan tinggi 10 m,
lebar puncak 1 m dan lebar dasar 6 m. Sisi hulu bendung berupa dinding vertikal.
Selidiki stabilitas bendung
1 m
10 m
Selidiki stabilitas bendung terhadap penggulingan dan
geseran, jika muka air hulu sama dengan puncak bendung dan di hilir tidak ada air.
Koefisien Gesekan antara dasar pondasi dengan tubuh bendung adalah 0,6 dan berat jenis beton = 2400 kgf/m3.
10 m
C
ivilE
ngineeringPenyelesaian
Gaya-gaya yg bekerja ditunjukkan pada Gambar di Samping
Tekanan hidrostatis pd dasar:
Gaya hidrostatis di hulu bendung per 1 m
1 m H =10 m W1 Fx 2 10 1000 10.000 / B p Hg kgf m
Gaya hidrostatis di hulu bendung per 1 m lebar:
Gaya angkat di dasar bendung per 1 m lebar: b =6 m W2 A B pB pB F y 1 1 2 1 2 10.000 10 1 50.000 50 x B F p H kgf ton 1 1 2 1 2 10.000 6 1 y B F p b
C
ivilE
ngineeringPenyelesaian
Berat sendiri bendung per 1 m lebar dibagi menjadi 2 bagian;
1 m H =10 m W1 Fx 1 1 10 2.400 1 24.000 24 b W a H kgf ton g 1 2 2 1 2 ( ) (6 1) 10 2.400 1 b W b a H g
Stabilitas terbadap geser
Fx > T Bendung tidak aman terhadap
geser 59 b =6 m W2 A B pB pB F y
total y
84 30
0, 6 32, 4 T W F f ton 2 (6 1) 10 2.400 1 60.000kgf 60ton 1 2 24 60 84 total W W W tonC
ivilE
ngineeringPenyelesaian
Stabilitas terhadap guling:
Momen Penyebab GulingTerhadap Titik A: 1 m H =10 m W1 Fx 1 2 1 3 3 1 2 3 3 50 10 30 6 286,67 x y M F H F b ton meter
Momen Penahan Guling Terhadap Titik A:
Bendung aman terhadap guling
b =6 m W2 A B pB pB F y