MODUL I
MODUL I
ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR
ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR
1.1
1.1PENDAHULUANPENDAHULUAN Dala
Dalam m mermerancancang ang banbangungunan an airair, , kitkita a perperlu lu menmengetgetahuahui i sifsifat-sat-sifat ifat atauatau kar
karaktakterierististik k alialiran ran air air yanyang g melmelewaewatintinya. ya. PenPengetgetahuahuan an ini ini dipdiperlerlukaukan n untuntuk uk mem
membuabuat t banbangungunan an air air yanyang g akaakan n sansangat gat berbergunguna a daldalam am penpendisdistritribusbusian ian air air maupun pengaturan sungai.
maupun pengaturan sungai. Dala
Dalam m perpercobcobaan aan kalkali i ini ini kitkita a akaakan n menmeninjinjau au alialiran ran daldalam am ambambang ang yanyangg merup
merupakan aliran akan aliran berubberubah ah tiba-ttiba-tiba. Ambang iba. Ambang yang digunakyang digunakan an adalah ambangadalah ambang lebar.
lebar.
Alasan kita menggunakan ambang lebar adalah: Alasan kita menggunakan ambang lebar adalah: 1.
1. AmbAmbang ang ini ini akaakan n menmenjadjadi i modmodel el untuntuk uk diadiapliplikaskasikaikan n daldalam am perperancancanganganan bangunan pelimpah. Selain itu dengan memperhatikan aliran pada ambang, bangunan pelimpah. Selain itu dengan memperhatikan aliran pada ambang,
kita dapat mempelajari karakteristik dan sifat aliran secara garis besar. kita dapat mempelajari karakteristik dan sifat aliran secara garis besar. 2.
2. BenBentuk tuk ambambang ang ini ini adaadalah lah benbentuk tuk yanyang g palpaling ing sedsederherhana ana sehsehingingga ga proprosesses pelaksanaan percobaan dapat dilakukan dengan
pelaksanaan percobaan dapat dilakukan dengan lebih mudah.lebih mudah.
Gambar 1.1
Dalam percobaan ini kita akan mengamati karakteristik aliran yang melalui ambang lebar dengan tipe karakteristik sebagai berikut:
1. Keadaan loncat. Keadaan loncat adalah tinggi muka air di hulu saluran tidak dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran.
2. Keadaan peralihan. Keadaan peralihan adalah tinggi muka air di hulu saluran mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir saluran.
3. Keadaan tenggelam. Keadaan tenggelam adalah 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 analisa model fisik dari sifat aliran yang diamati. Dalam kondisi kenyataan di lapangan, ambang ini berguna untuk meninggikan muka air di sungai atau pada saluran irigasi sehingga dapat mengairi areal persawahan yang luas. Selain itu, ambang juga dapat digunakan untuk mengukur
debit air yang mengalir pada saluran terbuka.
1.1TUJUAN PERCOBAAN
Tujuan dari dilakukannya percobaan ini adalah:
1. Mempelajari karakteristik aliran yang melalui ambang lebar.
2. Mempelajari pengaruh perubahan keadaan tinggi muka air di hilir dan hulu saluran.
3. Mempelajari hubungan tinggi muka air di atas ambang terhadap debit air yang melimpah di atas ambang.
1.1ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN
Alat-alat yang digunakan pada percobaan ini adalah sebagai berikut:
Keterangan: 1. Ambang lebar
2. Alat pengukur kedalaman 3. Meteran
4.Venturimeter dan pipa manometer 5. Sekat pengatur hilir
6. Penampung air
7. Generator dan pompa air
1.1TEORI DASAR DAN RUMUS 1.1.1 Debit Aliran (Q)
Dengan menerapkan prinsip kekekalan energi, impuls–momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), serta dengan asumsi terjadi kehilangan energi, dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada kontraksi.
Gambar 1.3Venturimeter
Besarnya aliran debit aliran (Q) dapat diperoleh dengan menggunakan rumus:
Dimana: D1 = 3,15 cm D2 = 2,00 cm g = 9,81 m/s2 Pair = 1,00 gr/cm3 PHg = 13,60 gr/cm3 1.1.2 Koefisien Pengaliran (C)
Gambar 1.4 Profil Aliran Melalui Ambang Tajam
Kecepatan aliran yang lewat diatas pelimpah adalah:
V = ( g ∙ y )1/2= ( g ∙ He )1/2 (1.2)
He = Y – t (1.3)
Dimana:
g = Percepatan gravitasi = 9,81 m/s2
t = tinggi ambang = 10,7 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 (1.4)
• Dengan mensubtitusi C = c ∙ g1/2 ke persamaan (1.4) maka diperoleh
Q = C ∙ L ∙ He3/2 (1.5)
• Apabila debit yang mengalir sudah diketahui nilainya, maka nilai koefisien pengaliran (C) dapat diperoleh dengan menggunakan rumus:
C = Q / (L ∙ He3/2) (1.6)
Dimana: L = lebar saluran = 9,7 cm
1.1PROSEDUR PERCOBAAN
1. Ambang lebar dipasang pada posisi tertentu dalam model saluran terbuka.
2. Alat pengukur kedalaman dan venturimeter dikalibrasikan. Dimensi ambang dicatat.
3. Pompa dinyalakan dengan debit air tertentu sesuai dengan yang dinginkan tetapi tidak meluap.
4. Sekat di hilir diatur sedemikian rupa sehingga diperoleh keadaan loncat pertama, loncat kedua, peralihan, tenggelam pertama, dan tenggelam
kedua. Untuk masing-masing keadaan diperiksa apakah aliran sudah stabil. Jika sudah, pengambilan data dapat dilakukan.
5. Untuk masing-masing keadaan data tinggi muka air pada delapan titik pengamatan dicatat untuk mengambil profil aliran, dan untuk
menghitung debit maka dapat dicatat dari venturimeter.
6. Langkah 4 dan 5 diulang untuk empat debit yang berbeda, namun yang dicatat hanya kedalaman air di hulu (y1) dan kedalaman air di hilir (y2)
saja.
7. Setelah selesai langkah 6, sekat di hilir dikosongkan. 8. Debit aliran diatur (mulai dari yang besar ke yang kecil).
9. Tinggi muka air sebelum ambang (y1) dan tinggi raksa pada manometer
dicatat.
10. Langkah 8 dan 9 diulangi sampai didapat debit minimum yang masih dapat mengalir.
1. Gambarkan profil muka air sesuai dengan data yang didapat. 2. Hitung besarnya debit yang mengalir (Q). Gunakan rumus 1.1. 3. Hitung besarnya He1dan He2. Gunakan rumus 1.3.
4. Hitung koefisien pengaliran (C). Gunakan rumus 1.6. 5. Menentukan nilai Cddan Hd. Gunakan grafik He1vs C.
1.1GRAFIK DAN KETERANGANNYA
1. Gambar profil muka air untuk kelima keadaan pada 1 gambar
• Data yang diambil adalah data yang dapat menggambarkan profil
aliran dari hulu, pada saat melewati ambang, keadaan setelah melewati ambang, dan hilir. (Ambil x dari sebelum ambang sampai setelah ambang).
• Semua profil aliran digambarkan dalam satu grafik.
1. He1vs He2
• Grafik ini bertujuan untuk membuktikan karakteristik air yang
melewati ambang, kondisi tinggi muka air di hulu dan di hilir ditunjukan dalam bentuk grafik He1 vs He2. Idealnya, nilai He1 akan
selalu sama selama air masih dalam kondisi loncat. Artinya bahwa tinggi muka air dihulu belum dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir dan seterusnya.
• Semua debit yang digunakan digambarkan dalam satu grafik.
1. He1vs Q
• Grafik ini digunakan untuk menunjukan hubungan antara He1 dan Q.
Idealnya, nilai He1 akan makin besar pada saat Q yang dialirkan juga
makin besar. Hubungan tersebut ditunjukan dengan persamaan hasil regresi power (pangkat). Coba semua trendline, pilih trendline yang mempunyai nilai R2~1. Idealnya, trendline yang sesuai adalah regresi power .
1. He1vs C
• Grafik ini bertujuan untuk menentukan nilai Cd dan Hd. Nilai Cd
Nilai C yang dianggap menyimpang tidak digunakan. Sedangkan nilai Hd didapat dengan cara menarik garis lurus sejajar sumbu x ke arah sumbu y dari nilai Cd.
• Grafik ini tidak perlu diberi trendline.
1. Q vs C
• Grafik ini digunakan untuk menunjukan hubungan antara Q dan C.
Nilai C akan relatif konstan untuk setiap nilai Q yang berbeda. Grafik ini juga dipakai untuk menunjukan hubungan antara nilai C dan Q dimana persamaan C yaitu C = Q / (L . He3/2).
• Coba semua trendline, pilih trendline yang mempunyai nilai R2~1.
Idealnya, trendline yang sesuai adalah regresi power .
1. He1/Hd vs C/Cd (gunakan nilai Hd dan Cd yang diperoleh dari grafik He1
vs C)
• Digunakan untuk membuktikan bahwa pada saat He1/Hd bernilai 1,
maka C/Cd juga akan bernilai 1.
Analisa Grafik Profil Muka Air Ambang Lebar
Grafik ini merupakan sifat profil aliran yang melewati ambang berdasarkan tiga karakteristik aliran yaitu loncat, peralihan dan tenggelam yang didapat dengan cara mengatur sekat pada hilir saluran.
• Keadaan loncat 1 dan loncat 2.
Tinggi muka air di hulu tidak mengalami perubahan oleh tinggi muka air di hilir.
• Keadaan peralihan.
Tinggi muka air di hulu mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir.
• Keadaan tenggelam 1 dan tenggelam 2.
Tinggi muka air di hulu semakin dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir.
Tujuan grafik ini adalah untuk mempelajari pengaruh debit dan karakteristik aliran yang melewati ambang pada keadaan loncat, peralihan dan tenggelam, sebagai parameternya adalah tinggi muka air, tinggi ambang dan debit.
• Pada keadaan loncat, grafik terlihat mendatar. Hal ini menunjukkan bahwa
besar He1 cenderung tetap pada kondisi ini dimana tinggi muka air di hulu
(Y1) tidak berubah, walaupun terjadi perubahan tinggi muka air di hilir.
• Pada kondisi peralihan, grafik juga masih terlihat mendatar. Hal ini
menunjukan bahwa besar He1 cenderung tetap pada kondisi ini dimana tinggi
muka air di hulu (Y1) tidak berubah, walaupun terjadi perubahan tinggi muka
air di hilir (Y2).
• Pada kondisi tenggelam, grafik masih terlihat mendatar pada kondisi
tenggelam 1. Sedangkan pada kondisi tenggelam 2, grafik terlihat naik jauh sekali ke arah vertikal miring. Hal ini menunjukan tinggi muka air di hulu (Y1)
berubah secara linier terhadap perubahan tinggi muka air di hilir (Y2).
Analisa Grafik He1 vs C Berdasarkan rumus : 2 / 3 He b Q C × = 1 2/3 ) (b C Q He × = Identik dengan 3 / 2 − = ax Y
, sehingga untuk menunjukan hubungan He vs C
digunakan regresi power.
Cd diperoleh dengan cara merata- ratakan nilai C yang cenderung konstan.
s Cd = 22,2630cm1/2 /
Data grafik ambang lebar Data alat
Tinggi ambang (t) = 10,8 cm Lebar ambang (b) = 9,8 cm Panjang ambang (L)= 25,8 cm
Data Untuk Menggambar Profil Muka Air
Sebelum Sesudah H1 = 56 mm H2 = 90 mm Koreksi = 34 mm H1 = 75 mm H2 = 80 mm ΔH = 5 mm
Tabel 1.1Data Untuk Menggambar Profil Muka Air
Titi k
Loncat I Loncat II Peralihan Tenggelam I Tenggelam II
X Y X Y X Y X Y X Y (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) 1 33,50 0,7 32,00 3,1 32 12,60 32,00 14,10 32,00 15,5 0 2 75,00 1,20 75,00 5,00 75,00 12,80 75,00 14,50 75,00 15,8 0 3 125,0 0 1,50 125,0 0 5,40 125,0 0 13,30 125,00 14,90 125,0 0 16,2 0 4 175,0 0 1,40 175,0 0 5,90 175,0 0 13,90 175,00 15,50 175,0 0 16,8 0 5 225,0 0 1,30 225,0 0 6,60 225,0 0 14,60 225,00 16,10 225,0 0 17,5 0 6 275,0 0 1,20 275,0 0 7,50 275,0 0 15,30 275,00 16,80 275,0 0 18,3 0 7 300,0 0 1,40 300,0 0 7,80 300,0 0 15,70 300,00 17,30 300,0 0 18,5 0 8 325,0 0 1,40 325,0 0 8,30 325,0 0 16,00 325,00 17,80 325,0 0 18,9 0
Tabel 1.2Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Debi t Manometer (mm) Q Jenis Y1 Y2 He1 He2 H1 H2 Koreksi ΔH cm3/s Aliran (cm) (cm) (cm) (cm) Q1 64,0 0 83,00 34,00 15,00 2089,38 L1 13,30 1,50 2,50 9,30 L2 13,40 8,50 2,60 2,30 P 13,50 16,00 2,70 5,20 T1 14,00 17,90 3,20 7,10 T2 15,00 19,30 4,20 8,50 Q2 87,0 0 58,00 34,00 5,00 1206,30 L1 12,00 1,30 1,20 9,50 L2 12,10 10,50 1,30 0,30 P 12,20 14,80 1,40 4,00 T1 13,20 17,50 2,40 6,70 T2 14,80 19,00 4,00 8,20 Q3 36,0 0 112,00 34,00 42,00 3496,21 L1 14,10 2,00 3,30 8,80 L2 14,20 10,40 3,40 0,40 P 14,30 16,60 3,50 5,80 T1 14,40 18,30 3,60 7,50 T2 15,00 19,30 4,20 8,50 Q4 83,0 0 78,00 34,00 29,00 2905,17 L1 14,20 1,90 3,40 8,90 L2 14,20 8,50 3,40 2,30 P 14,00 17,40 3,20 6,60 T1 14,50 18,50 3,70 7,70 T2 15,00 19,40 4,20 8,60
Debit Manometer (mm) Q Y1 He1 C Cd Hd He1/Hd C/Cd H1 H2 Koreks i ∆H cm 3/s (cm) (cm) (cm0.5/s) Q1 64,00 83,00 34,00 15,00 2089,3 8 13,84 3,04 40,22 44,45 145,3 8 0,0209 0,904 8 Q2 87,00 58,00 34,00 5,00 1206,3 0 12,86 2,06 41,63 44,45 145,3 8 0,0141 0,936 5 Q3 36,00 112,0 0 34,00 42,00 3496,2 1 14,40 3,60 52,22 44,45 145,3 8 0,0247 1,174 8 Q4 83,00 78,00 34,00 29,00 2905,1 7 14,38 3,58 43,76 44,45 145,3 8 0,0246 0,984 4 Contoh Perhitungan Diketahui : H1 = 75 mm H2 = 80 mm Koreksi = 34 mm π = 3,14 b = 9,8 cm = 98 mm ∆H = 5 mm = 0,5 cm He = 2,53 cm = 25,3 mm Maka dapat dihitung
∆H =H2-H1-Koreksi = 80-75-34 = 29 mm Q1 = 171,808 ∙ 3,14 ∙ ( ∆H )1/2 = 171,808 ∙ 3,14 ∙ ( 0.5 )1/2 = 381,48 cm3/detik He1( Q1) = Y1 – t = 13,84 – 10,8 = 3,04 cm
C1 = Q1b∙He32
=
2089,389,8∙3,04 32=
40,22 cm0.5/s Cd=
∑C4=
177,84=
44,45 cm0.5/s Hd= 0,0056 x ( Cd
2.6788)
= 145,38 cm He1/ Hd=
3,04145,38=
0,0209 C1 / Cd=
40,2244,45=
0,90481.1 GRAFIK DAN ANALISA
Grafik 1.1 Profil Muka Air (Ambang Lebar)
Grafik ini merupakan sifat profil aliran yang melewati ambang berdasarkan tiga karakteristik aliran; loncat, peralihan, dan tenggelam yang didapat dengan cara mengatur sekat pada hilir saluran.
• Keadaan Loncat 1 dan Loncat 2
Tinggi muka air di hulu tidak mengalami perubahan oleh tinggi maka air di hilir.
• Keadaan Peralihan
Tinggi muka air di hulu mulai dipengaruhi oleh tinggi muka air di hilir. • Keadaan Tenggelam 1 dan Tenggelam 2
Tinggi muka air di hulu semakin tinggi karena dipengaruhi semakin tingginya muka air di hilir.
Grafik 1.2 He1 vs He2 (Ambang Lebar)
Tujuan grafik ini adalah untuk mempelajari pengaruh debit dan karakteristik aliran yang melewati ambang pada keadaan loncat, peralihan dan tenggelam. Sebagai parameternya adalah tinggi muka air, tinggi ambang dan debit.
• Pada keadaan loncat, grafik terlihat mendatar. Hal ini menunjukan bahwa
besar He1 cenderung tetap pada kondisi ini. Tinggi muka air di hulu ( Y1 )
tidak berubah, walaupun terjadi perrubahan tinggi muka air di hilir ( Y2).
• Kedalaman peralihan, ditunjukan oleh grafik yaitu pada saat grafik mulai
berubah dari datar menjadi lengkung ke arah vertikal. Pada kondisi ini nilai He1mulai berubah akibat kenaikan tinggi muka air di hilir ( Y2)
• Pada keadaan tenggelam grafik semakin naik. He1 naik seiring dengan
kenaikan He2.Keadaan ini ditunjukan oleh bagian grafik yang merupakan garis
miring. Pada kondisi ini muka air di hulu ( Y1) berubah secara linear terhadap
perubahan tinggi muka air di hilir ( Y2).
• Besar debit yang berbeda memberikan tinggi muka air yang berbeda pula.
Grafik 1.3 He1 vs Q (Ambang Lebar)
Tujuan grafik ini adalah untuk menunjukan hubungan antara He1 dan Q.
Idealnya, nilai He1akan makin besar pada saat Q yang dialirkan juga makin besar.
Hubungan tersebut ditunjukan dengan peramaan hasil regresi power ( pangkat ). Pada keadaan idealnya, grafik tersebut akan menghasilkan R 2 ~ 1 jika diberi
trendline berupa regresi power . Namun pada percobaan yang kami lakukan ini grafik tersebut akan memberikan hasil R 2~ 1 jika diberi trendline berupa regresi
berupa polinomial berorde 3.
Grafik 1.4 He1 vs C (Ambang Lebar)
Tujuan grafik ini adalah untuk menentukan nilai Cd dan Hd. Nilai Cd didapatkan dengan merata-ratakan nilai C yang berdekatan. Nilai C yang dianggap menyimpang tidak digunakan. Dengan menggunakan cara tersebut, maka didapatkan nilai Cd = 17,49 cm0.5/s . Sedangkan nilai Hd didapat dengan cara
menarik garis lurus sejajar sumbu x kearah sumbu y dari nilai Cd. Jika kita gunakan cara grafis seperti yang ditunjukan oleh cara tersebut, maka akan didapat nilai Hd sekitar 3,40 cm. Namun, jika kita gunakan persamaan Hd=Q(b∙Cd)3/2 Maka akan didapatkan nilai Hd sebesar 11,95 cm.
Grafik 1.5 Q vs C (Ambang Lebar)
Grafik digunakan untuk menunjukan hubungan antara Q dan C. Pada keadaan idealnya, nilai C akan relative konstan untuk setiap nilai Q yang berbeda. Namun, pada grafik ini hubungan antara nilai C dan Q ditunjukan dengan persamaan dari
hasil trendline regresi power yaitu y = 148,2x – 4164,5 dimana y = Q serta x = C .
Grafik 1.6 He1/Hd Vs C/Cd (Ambang Lebar)
Grafik ini digunakan untuk membuktikan bahwa pada saat He1/Hd bernilai 1,
maka C/Cd juga akan bernilai 1. Keadaan tersebut akan terpenuhi jika dari hasil perhitungan tersebut kita plot kemudian diberi trendline berupa regresi linear, maka persamaan yang dihasilkan adalah y = x . Namun pada percobaan kali ini, setelah dibuat grafik dengan menggunakan regresi linear dengan set intetcept 0,0 maka persamaan yang diperoleh adalah y = 0,0237x – 0,0026. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pada percobaan ini tidak terbukti jika He1/Hd bernilai 1 ,maka
C/Cd juga tidak bernilai 1.
1.1 KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan yang telah kami lakukan, kita dapat mengetahui bahwa karakteristik aliran air yang melewati ambang lebar terbagi menjadi 3 keadaan, yaitu keadaan loncat keadaan peralihan dan keadaan tenggelam. Pembagian karakteristik aliran air tersebut berdasarkan pengaruh perbedaan tinggi muka air di hulu dan di hilir. Selain itu, kita juga dapat
mengetahui hubungan tinggi muka air di atas ambang terhadap debit air yang melimpah di atas ambang.
