YEPE Kuliah Pengantar Rekayasa dan Desain 1 2016 D

(1)

Pengantar

Rekayasa dan Desain-1

Pengantar

Rekayasa dan Desain-1

Yuliman Purwanto

2016

(2)

Silabi

1. Rekayasa (

engineering

) dan insinyur (

engineer

)

2. Aspek-aspek dalam rekayasa

3. Jenis-jenis disiplin rekayasa

4. Analisis rekayasa

5. Problem solving

6. Konversi dan konservasi energi

7. Desain rekayasa

(3)

Konversi dan Konservasi Energi

• Konversi energi : pengubahan bentuk dari satu bentuk

energi ke bentuk energi lain  biasanya untuk

keperluan aplikasi energi dalam kerekayasaan.

• Konservasi energi : merujuk pada pengurangan

(4)

Pengertian Dasar

• Energi : kemampuan untuk melakukan kerja/usaha • Kerja/usaha :

(Joule) (Newton), (meter)

• Daya : kerja/usaha per satuan waktu

(Joule/detik atau Watt)

 Energi tidak bisa dibuat/diciptakan atau

(5)

Jenis Energi

• Energi Mekanikal :

 Energi kinetik  Energi potensial

• _EnergiMagnetik • Energi Elektrikal • Energi Gelombang • Energi Nuklir

• Energi Radiasi • Energi Kimiawi • Dlsb. • Magnet tetap • Gravitasi

(6)

(7)

Konversi Energi

• Untuk berbagai kepentingan, suatu energi perlu diubah

menjadi bentuk energi lain.

(8)

• Beberapa bentuk konversi energi yang lazim :

 Energi mekanikal  energi elektrik  Energi kimia  energi elektrik

(9)

• Perkakas utama konversi dari energi mekanikal ke

energi elektrik = generator • Jenis-jenis generator :

 Generator elektrostatis : generator Wimshurst,

generator Van de Graaff

 Generator elektrodinamik : dinamo Faraday,

dinamo Gramme

• Perkakas utama konversi dari energi elektrik ke

energi mekanikal = motor, solenoid • Jenis-jenis motor :

 Motor elektrik AC  Motor elektrik DC

(10)

Generator Wimshurst

(11)

Dinamo Faraday

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Prinsip motor AC sinkron

• _{Kecepatan konstan, tergantung pada frekuensi arus listrik.}

• _{Membutuhkan arus DC untuk eksitasi.}

• Stator tersusun dari belitan yang menghasilkan medan magnet

berputar yang sebanding dengan frekuensi arus listrik.

• Rotor terdiri dari magnet permanen yang disusun dengan kutub

menghadap ke arah kutub stator.

• Stator diberi pasokan tiga fasa, rotor akan berputar mengikuti

medan magnet stator. _• _{Putaran motor sinkron :}

(17)

Prinsip motor AC induksi

• _{Pada motor induksi, stator mirip dengan motor sinkron dengan}

gulungan tapi konstruksi rotor berbeda. Ada 2 jenis :

• _{Rotor sangkar-tupai terdiri dari bar tembaga atau}

aluminium yang tertanam dalam slot paralel.

• Rotor belitan tiga fase, lapisan ganda, belitan terdistribusi.

Jumlah belitan sebanyak jumlah kutub stator.

• Tidak perlu catu daya eksternal karena rotor bekerja

dengan prinsip induksi.

• Ketika konduktor

digerakkan melalui

medan magnet yang ada gerak relatif dari kedua menyebabkan arus

(18)

• _{Medan magnet di sekitar masing-masing konduktor rotor akan}

menyebabkan konduktor rotor bertindak seperti magnet permanen.

• _{Stator menghasilkan medan magnet berputar (karena efek dari}

tiga fase AC power supply), medan magnet induksi rotor akan tertarik dan akan mengikuti rotasi.

• Namun, untuk menghasilkan torsi, motor induksi harus terselip

lebih dahulu karena gulungan rotor tertinggal dengan medan yang magnet berputar di gulungan stator.

• Perbedaan utama antara motor sinkron dan motor induksi :

(19)

(20)

Konversi Energi Kimia



Energi Lain

• Energi kimia : energi yang masih tersimpan dalam bentuk

persenyawaan kimia pada suatu benda.

• Contoh : BBM, LPG, LNG, kayu bakar, makanan, asam sulfat

(H2SO4) dan timbal, mangan dioksida (MnO2), ammonium Chlorida (NH4Cl) dan karbon, dlsb.

• Konversi energi menjadi bentuk energi lain terjadi melalui

proses kimiawi, misalnya :

• BBM/gas diubah menjadi energi panas dengan pembakaran

• Makanan diubah menjadi energi gerak dengan pencernaan

• Asam sulfat dan timbal diubah menjadi energi elektrik

• Gas hidrogen dan oksigen diubah langsung menjadi energi

(21)

(22)

Konversi Energi Kimia



Energi Listrik Langsung

• Fuel Cell : mengkonversi gas hidrogen menjadi energi

listrik secara langsung.

• Anoda : serbuk platinum, katoda : nikel. Tiap sel

(23)

(24)

Konversi Energi Kimia



Energi Listrik tak Langsung

• Bahan bakar konvensional (bensin, solar, batu bara, kayu,

dlsb) dikonversi menjadi energi gerak lewat pembakaran untuk kemudian menggerakkan generator listrik.

(25)

Konversi Energi Panas



Energi Listrik Langsung

• Energi panas bisa diubah menjadi energi

listrik langsung oleh bahan yang memiliki sifat thermoelectric.

• _Fenomenathermoelectric_{pertama kali}

ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck.

• Ia menghubungkan tembaga dan besi

dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam dipanaskan, jarum

kompas ternyata bergerak  terjadi

karena aliran listrik yang muncul pada logam menimbulkan medan magnet 

(26)

(27)

• Tahun 1934 Jean Charles Peltier menemukan

kebalikan dari prinsip Seebeck : mengalirkan arus listrik pada sambungan dua logam untuk menghasilkan pendinginan/pemanasan  efek Peltier

• Prinsip ini sekarang digunakan untuk membuat

(28)

Contoh konversi energi panas ke energi listrik langsung :

• Komponen Peltier akan mengalami perbedaan suhu

(29)

Konversi Energi Magnet (primer)



Energi Lain

• Energi yang tersimpan pada magnet tetap bisa “dipanen”

dan dikonversi serta dimanfaatkan untuk berbagai keperluan tanpa memerlukan energi primer lainnya.

• _{Pada prinsipnya energi ini bisa dikonversi dengan}

beberapa cara :

1. Memanfaatkan gaya tarik-menarik (atau

tolak-menolak) antara kutub-kutub magnet  konversi ke

energi mekanik  kemudian dikonversi ke energi

listrik.

2. Memanfaatkan medan magnet tetap untuk memper-kuat medan magnet pada transformator sehingga menghasilkan keluaran yang lebih besar  konversi

(30)

1. Pemanfaatan gaya tarik atau gaya tolak magnet

• Gaya tarik/tolak dimanfaatkan untuk memutar sumbu

sehingga menghasilkan putaran mekanis.

(31)

 Contoh 2 : motor Bowman

• Menggunakan roda gigi presisi untuk memutar rotor pendorong dan penarik ke posisi yang tepat.

• Tidak memerlukan

kumparan dan

switching

.

• Motor akan berputar

(32)

Motor Bowman

(33)

 Contoh 3 : motor V-gate

(34)

 Contoh 4 : motor Muammer Yildiz

• Prinsip : menyusun magnet sedemikian rupa pada stator

(35)

• Medan magnet berputar/bergerak sejauh ini selalu

menggunakan bagian yang berputar (seperti pada motor dan generator)

• Namun medan magnet juga bisa dihasilkan tanpa

komponen bergerak sehingga efisiensi lebih baik.

• Peningkatan fluks magnetik bisa diperoleh dari

penggunaan pengaturan seperti ini:

Charles Flynn's

Magnetic Frame

(36)

(37)

Prinsip Dietmar Wehr

(38)

Prinsip Thane C. Heins

(39)

• Energi Radiasi adalah istilah Dr. Thomas Henry

Moray untuk menggambarkan sumber energi yang berasal dari kosmos ke bumi dan memancar dari bumi kembali ke kosmos.

• Energi ini mirip dengan partikel bercahaya yang

melingkupi semua ruang dan perilakunya sangat mirip dengan gelombang listrik.

• Tesla, Moray, dan banyak penemu lainnya sudah

membuktikan adanya energi ini, dan berhasil memanen serta mengubahnya menjadi energi listrik yg operasional !

• Menurut Moray, energi yang datang ke bumi

setiap saat berjumlah sangat besar : bisa

menghidupkan lampu berdaya 600 watt sebanyak 1.193.600 buah untuk setiap orang di dunia !

(40)

• Nikola Tesla berhasil membangun perangkat

antena yang menangkap energi radiasi dan dipatenkan pada 21 Mei 1901.

• Prinsipnya disebut “Apparatus for the

Utilisation of Radiant Energy”, US Patent No. 685,957.

• Hermann Plauson tahun 1925 berhasil

membangun pembangkit listrik energi radiasi sebesar 100 kilowatt.

• Thomas Henry Moray pd tahun 1936 berhasil

mendemonstrasikan energi listrik dari radiasi hingga 50 kilowatt.

(41)

Prinsip Penerima Energi Radiasi Tesla

• Kapasitor terbuat dari

mika  berupa kapasitor

listrik statik berkualitas tinggi.

• Tegangan yang dihasilkan

ekstra tinggi.

• Kapasitor termuati listrik

statis, sebuah saklar

vibrasi membuang muatan kapasitor lewat trafo

penurun tegangan.

• Daya keluaran sudah

(42)

(43)

(44)

(45)

Prinsip Penerima Hermann Plauson

• Tiga kapasitor seri “a1”,

“b1” and “c1” membentuk kapasitor tegangan tinggi tunggal.

• Ada 3 buah “blob” untuk

pengaman apabila ada petir.

• Sebuah spark gap akan

mengubah listrik statis menjadi listrik dinamis.

• Sebuah trafo digunakan

(46)

Prinsip Penerima Henry Moray

• Seutas kabel tunggal sepan-jang 60 meter atau lebih ditempatkan seperti antena radio dengan ketinggian 2 meter atau lebih.

• Muatan yang diterima dideteksi dan disimpan pada sebuah kapasitor. • Sirkuit ini mampu

(47)

(48)

(49)

Konversi Energi Gravitasi



Energi Gerak

• Energi gravitasi : energi potensial yang terkandung pada benda yang memiliki posisi tertentu sehingga

mengandung energi gerak.

• Energi gravitasi bisa “dipanen” dengan berbagai cara,

tergantung model dan konfigurasi bendanya.

• Beberapa contoh koversi energi gravitasi :

(50)

Prinsip Pemanfaatan Bandul

• Gaya tarik gravitasi menggerakkan bandul yang

kemudian bisa menggerakkan generator.

(51)

(52)

Prinsip Pemanfaatan Bola Gravitasi

• Gaya tarik gravitasi menggerakkan bola logam yang

dipasang sedemikian rupa sehingga akan memutar sebuah sumbu dan kemudian bisa menggerakkan generator.

• Contoh : Jentera dari Lawrence Tseung

• Bola jatuh ke bawah sepanjang tabung. Pada salah satu

(53)

• Purwarupa yang dibuat oleh Tseung ternyata tidak

sempurna karena putaran berhenti setelah 5 menit.

• Masalahnya adalah : rotasi tabung terlalu pelan untuk bisa

efektif sehingga jatuhnya bobot bola akibat gravitasi dan percepatan yang timbul terlalu kecil sehingga tekanannya kurang kuat.

• Modifikasi : pergerakan setiap bobot harus

(54)

(55)

Bisa langsung difungsikan sebagai generator

• Dipasang magnet dan kumparan pemetik daya listrik yang

(56)

(57)

Prinsip Pemanfaatan Roda Gila

• Roda gila merupakan roda dengan ukuran ketebalan yang

besar sehingga memiliki gaya kelembaman yang dipengaruhi oleh gravitasi.

• Efek ini bisa dimanfaatkan untuk menggerakkan

generator sementara energi untuk memutar roda beristirahat.

• Beberapa sistem yang ada :

(58)

Chas Campbell System

(59)

The Wilson Self-Powered DC Generator

(60)

Konversi Energi Gelombang



Energi Mekanik

• Gelombang terdiri dari berbagai jenis : • Gelombang akustik

• Gelombang elektromagnetik

• Gelombang fisik berupa gelombang air/laut

• Gelombang akustik : berasal dari semua sumber yang

menghasilkan getaran akustik, misalnya perangkat musik.

• Gelombang elektromagnetik : berasal dari sumber

penghasil gelombang e.m, misalnya pemancar radio atau benda-benda yang menghasilkan radiasi.

• Gelombang air/laut : muncul karena adanya hembusan

(61)

(62)

Contoh konversi energi ombak



energi mekanis

(63)

Sistem Kanal

• Gelombang disalurkan lewat suatu saluran kedalam

(64)

Sistem Rakit Cockerell

(65)

Sistem Tabung Tegak Kayser

(66)

• Aliran masuk dan keluarnya ombak ke dalam ruangan khusus

menyebabkan terdorongnya udara keluar dan masuk melalui saluran di atas ruang tersebut  aliran udara memutar turbin yang

menggerakkan generator.

• Masalah utama dengan desain ini adalah ketahanan struktur

bangunan terhadap ombak yang mengganas di musim angin barat.