KRAN AIR
(Dwikie Mahendra Sani)
Setiap hari pasti kita semua sering menggunakan air untuk keperluan tertentu terutama terkait dengan kebersihan. Untuk mendapatkan air, banyak beragam cara yang dapat dilakukan, bisa langsung mengambil dari bak dan menggunakan kran air.. Akan tetapi apabila kita menggunakan kran air sepertinya lebih mudah karena kita bisa menentukan jumlah atau volume air sesuai dengan keinginan kita dengan mudah. Semisal kita mau mengisi air dengan volume 300 ml kita hanya langsung membuka kran dengan cara memutarnya, setelah penuh langsung bisa menutupnya dengan waktu yang cukup singkat.
Kran air merupakan alat yang digunakan untuk mengeluarkan air dalam sistem pengaturan air. Karena ukurannya lebih simpel dan kecil, maka kran sangat diperlukan sebagai suatu komponen dalam pengggunaan air. Kran air atau westafel sering kita jumpai pada toilet, tempat cuci piring kamar mandi dan sebagainya. Fungsi utama dari kran air adalah untuk membersihkan diri (cuci tangan, gosok gigi, berkumur dan lain sebagainya). Fungsi khusus dari kran air itu sendi yaitu untuk mengontrol sejumlah air yang dikelurkan. Kamar mandi dan selang pasti memerlukan kran air.
Suatu hal yang sering kita jumpai yaitu saat menggunakan kran air untuk bersih diri. Dilihat dari sudut pandang fisika, ternyata banyak konsep-konsep fisika yang dapat dilihat dari kran dan sangatlah menarik untuk diungkap. Mengapa? Marilah kita mengupasnya,,,
Saat kita mengisi air dengan kran terdapat konsep fisika yang seringkali kita semuanya tidak menyadari. Mulai dari kita membuka kran, mengisi air sampai menutup kran. Sehingga dalam belajar fisika kita tidak harus mencari buku dan informasi yang menunjukkan prinsip fisika akan tetapi kita bisa menggunakan alat dalam kehidupan sehari-hari untuk bisa
mempelajarinya. Nah, pada bab ini kita akan memperdalam lagi terkait konsep-konsep fisika yang ada pada kran air. Secara tidak langsung hanya dengan kran air kita bisa belajar untuk memahami fisika melaluinya. Penggunaan krain air ini ditujukan karena setiap hari kita semuanya sering melihat dan menggunakannya.
Saat membuka dan menutup kran, konsep fisika yang digunakan adalah
1. Saat membuka dan menutup kran
Pada saat kita membuka kran, kita biasanya dalam memutar kran kita harus menggunakan arah yang berlawanan daripada saat kita membuka kran. Mengapa demikian? Kok tidak boleh searah? Nah jawabannya demikian..
Pada saat membuka dan menutup kran, pasti terjadi rotasi atau perputaran dan ada gaya yang dilakukan pada kran tersebut. Hal ini berkaitan dengan momen gaya pada kran yang dinamakan momen kopel.
Sebelum kita masuk momen kopel terlebih dahulu kita harus paham momen gaya. Momen gaya adalah besaran yang dipengaruhi oleh gaya lengan.Momen gaaya terjadi karena gaya yang bekerja pada benda tidak tepat pada pusat massa. Maka ketika benda yang bergerak pada lintasan lurus maka benda tersebut bergerak secara translasi. Tetai, ketika benda bergerak pada sumbu putarnya atau lintasn melingkar benda tersebut bergerak secara rotasi. Sedangkan ketika benda bergeraj translasi benda akan menerima gaya luar. Gaya yang diberikan akan merubah arah lintasan benda. Tetapi ketika benda bergerak melingkar benda tersebut dpat menerima gaya yang lebih dikenal sebagai Torsi.
Gambar 1. Perputaran Kran air
Kopel merupakan sepasang gaya atau dua gaya pada sebuah benda yang mempunyai besar yang sama, akan tetapi arahnya berlawanan Dengan syarat garis aksi pada kedua gaya idak pada satu garis lurus.
Gambar 2. Gaya Aksi Kopel
Ketika dua gaya yang sama pada sebuah benda (menyebabkan benda tersebut berotasi (berputar) dan sistem gaya tersebut disebut dengan momen kopel.
Ketika kopel bekerja pada tutup kran berotasi tanpa berpindah pada sumbu dari tutupnya. Jika digambarkan garis diatas maka jarak akan tegak lurus antara garis aksi dari dua gaya pembentuk kopel disebut lengan kopel. Jika digambarkan pada garis di atas maka dua gaya yang besarnya sama P dan Q bekerja pada titik A dan B dalam arah berlawanan membentuk kopel dengan AB sebagai lengan kopel.
Secara matematis momen kopel dirumuskan sebagai berikut:
M = momen kopel
F = gaya
D = panjang lengan gaya
Karena kopel memilki besar dana arah, maka momen kopel termasuk dalam besaran vektor. Nilai dari momen kopel sebagai berikut:
Gambar 4. Arah Momen Kopel
a. Momen kopel bernilai positif bila arah putarannya berlawanan arah dengan jarum jam.
b. Momen kopel bernilai negarif bila arah putarannya searah dengan jarum jam.
Jika beberapa momen kopel bekerja pada suatu bidang, persamaanya menjadi:
Sifat-sifat momen kopel antara lain:
a. Jumlah momen kopel dari kopel-kopel yang sebidang sama dengan jumlah momen kopel dari kopel tersebut.
Momen gaya terhadap O = P × OB - P × OA
= P(OB - OA)
= P × AB
Momen gaya terhadap O = P × OB + P × OA
= P(OB + OA)
= P × AB
Momen gaya terhadap O = P × OA - P × OB
= P(OA - OB)
= P × AB
b. Sebuah kopel dapat diganti dengan kopel yang lain yang arah dan besarnya sama.
c. Dua kopel yang bekerja pada suatu tempat pada benda tegar yang mana momen-momennya sama tetapi arahnya belawanan, setmbang satu sama lain.
d. Gaya yang bekerja pada benda tegar dapat diganti dengan gaya yang sama seperti gaya yang bekerja pada titik lain dan sebua kopel yang mana momennya sama dengan momen gaya erhadap titik dimana gaya yang sama bekerja.
e. Beberapa kopel sebidang adalah ekuivalen dengan sebuah kopel single yang momennya sama terhadap jumlah aljabar momen-momen dai setiap kopel.
Keseimbangan dari tiga gaya :
a. Resultan dua buah gaya akan sama besar dan berlawanan arah dengan gaya yang lain.
b. Hasil bagi setiap besar gaya dengan sinus sudut di seberangnya selalu bernilai sama.
Sehingga dapat diilustrasikan sebagai berikut:
Gambar 5. Rotasi Kopel
Untuk perbandingan gaya-gayanya persamaannya sebagai berikut:
Dari beberapa penjelasan di atas dapat diketahui mengapa saat membuka kran arahnya berlawanan dan menutup kran. Untuk selanjutnya mari kita membahas konsep fisika terkait proses keluarnya air dari kran
dalam hal ini konsep mengenai Debit, Persamaan Kontinuitas, dan Tekanan.
2. Proses Keluarnya Air dari Kran
Ketika kita memutar kran untuk mengisi suatu wadah, maka kita bisa mengatur untuk cepat tidaknya air untuk mengisi wadah itu. Biasanya tergantung kepentingan kita. Jika terlalu terburu-buru biasanya kita memaksimalkan putaran kran sehingga air yang keluar lebih cepat. Peristiwa yang demikian berkaitan dengan debit air yang keluar dari kran air. Jarang disadari bahwa ada prinsip fisika pada proses tersebut. Untuk itu mari kita pahami prinsip debit air.
Kita semuanya sering mendengar istilah debit air. Debit merupakan jumlah air yang mengalir setiap waktu, atau boleh dikatakan banyaknya volume air yang mengalir untuk setiap waktu. Atau dapat dikatakan debit merupakan besaran yang menyatakan banyaknya air yang mengalir selama 1 detik yang melewati suatu luas penamang. Nah pada kran air kita bisa mengatur debit air yang keluar dengan cara memutar krannya. Sehingga dari pengertian itu dapat dirumuskan debit adalah Dengan keterangan Q = debit air V = Volume t = waktu
Jika kita menggunakan kran air untuk mengisi sebuah wadah maka secara langsung kita bisa menghitung besarnya debit air yang keluar dari kran. Apabila sebuah selang dan disambungkan pada ujung kran
air dan jika selama 3 detik air yang mengalir melewati ujung selang adalah 6 maka debit airnya adalah (6/3) = 2 .
Debit air yang dikeluarkan oleh kran bisa diatur dengan cara menggunakan konsep momen kopel pada pembahasan sebelumnya yaitu saat kita membuka dan menutup kran.
Selain konsep debit, saat kta mnyalakan kran air khususnya pada westafel dapat kita lihat terdapat pola aliran yang menarik pula. Jika melihat aliran air bila semakin mendekati bak penamppungan air, pola aliran yang dihasilkan akan lebih semakin tajam. Jika diamati secara teliti, bentuk aliran berupa tabung dengan diameter air yang semain kecil pada bagian bawahnya.. Perhatikan gambar berikut!
Berdasarkan Gambar di atas, dapat dilihat semakin kebawah maka bentuk aliran air semakin runcing sehingga diametir aliran air juga semakin kecil. Mengapa peristiwa tersebut dapat terjadi? Bagaimana kita dapat memahai peristiwa tersebut? Coba kita lihat dan menganalisnya.
Sebelumnya sudah dapat dipahami bahwa debit merupakan volume aliran air untuk setiap waktu. Debit pada aliran kran air biasanya selalu tetap. Berdasarkan Gambar di atas, terlihat jelas bahwa semakin kebawah pola aliran semakin runcing dimana diameter aliran air semakin kecil. Suatu pertanyaan yang menarik kemudian
muncul adalah mengapa fenomena tersebut dapat terjadi. Bagaimana kita secara sederhana dapat memahami fenomena tersebut? Marilah sejenak berpikir dan mencoba menganalisisnya.
Secara sederhana dapat kita pahami bahwa debit aliran air pada aliran wastafel senantiasa tetap. Kita sudah memahami bahwa debit adalah volume air yang mengalir tiap waktunya. Sehingga kita sudah dapat mengukur debit air pada wastafel dengan cara menampung air pada suatu bejana ukur (misal gelas ukur, gayung yang sudah kita hitung volumenya) dan mengukur waktu yang diperlukan untuk memenuhi bejana tersebut yang kemudian kita hitung berdasarkan persamaan. Dari persamaan debit diketahui debit air sebanding dengan kecepatan aliran airnya dan luas penampangnya yang mana kita dapat menuliskan sebagai berikut:
Dimana:
v : kecepatan aliran air
A : luas penampang aliran (m2)
A :
Jika kita membayangkan air yang mengalir melalui ujung keran wastafel sebagai partikel jatuh (Gerak vertikal) dimana kecepatannya pada ketinggian h dari ujung keran adalah;
atau
Karena tadi kita sudah mengetahui jikalau debit alirannya itu tetap, maka kita dapat menyatakan diameter d
Dari persamaan tersebut dapat pahami jika semakin kebawah (h semakin besar), kecepatan aliran air pada wastafel akan semakin tinggi. Karena debit air konstan, pola aliran air sedemikian rupa akan berkurang diameter alirannya. Untuk lebih jelas lagi kita dapat mempelajari konsep hukum Bernauili dalam pembahasan berikutnya. Karena juga semakin tinggi aliran suatu fluida tekanannya akan berkurang dan tekanan dari luar akan memaksa fluida (dalam hal ini air) semakin mampat sehingga diameter alirannya akan semakin kecil.
Sehubungan dengan diameter kran, maka kita tidak terlepa dengan yang namanya luas penampang pada kran. Jika diperhatikan, kran air yang luas penampangnya lebih besar itu akan mengalirkan air lebih lambat dibandinkan dengan kran air yang luas penampangnya lebih kecil. Mengapa demikian? Jika kita mengacu pada hukum alam terkait fluida yang menjelaskan jika flioda yang mengalir dari titik satu ke titik lainnya, massanya tidak akan bertambah dan juga tidak akan berkurang (Kekal). Hukum itu dikenal dengan hukum kekekalan massa.
Coba kita perhatikan ilustrasi berikut ini:
Gambar 6. Perbedaan Luas Penampang
Dari gambar di atas air atau fluida pada titik nomor 1 sama dengan air pada titik nomor 2 tetapi pada watu yang berbeda. Pada titik nomor 1 dapat kita lihat luas penampangnya lebih besar, kemudian setelah fluida mengalir menuju titik nomor 2 yang memiliki luas penampang yang lebih sempit. Sudah dirumuskan sebelumnya bahwa kecepatan merupakan jarak dibagi waktu, Artinya semakin panjang jarak yang diempuh dalam waktu yang bersamaan pasti kecepatannya semakin
beasar. Sehinga data diketahui bahwa kecepatan pada titik nomor 2 lebih besar dari kecepatan pada titik nomor 1.
Persamaan kontinuitas menghubungkan kecepatan fluida di suatu tempat dengan tempat lain. Sebelum menurunkan hubungan ini, kita harus memahami beberapa istilah dalam aliran fluida. Garis alir (stream line) didefinisikan sebagai lintasan aliran fluida ideal (aliran lunak). Garis singgung di suatu titik pada garis alir menyatakan arah kecepatan fluida. Garis alir tidak ada yang berpotongan satu sama lain. Tabung air merupakan kumpulan dari garis-garis alir. Pada tabung alir, fluida masuk dan keluar melalui mulut-mulut tabung. Fluida tidak boleh masuk dari sisi tabung karena dapat menyebabkan terjadinya perpotongan garis-garis alir. Perpotongan ini akan menyebabkan aliran tidak lunak lagi.
Sehingga secara matematis, penjalaan diatas dapat dituliskan sebagai berikut:
Dengan A merupakan luas permukaan dan v merupakan kecepatan fluida. Sebelumnya diketahui bahwa perkalian A dan v disebut debit.
Oleh karena itu, dapat dikatakan jika hukum kontinuitas berbunyi “Debit suatu aliran tidak akan bertambah atau berkuang pada suatu sistem tertutup (jika tidak terdapat tambahan debit dari luar. Berikut adalah contoh kasus penjelasan persamaan diatas: Misalkan luas permukaan pada titik 1, dan kecepatan di titik 1, . kemudian ketika melewati titik 2, luas permukaan menyempit menjadi setengahnya yaitu, maka dapat dihitung kecepatan di titik 2 sebagai berikut: , diperoleh . Kita lihat dari angka-angka ini bahwa ketika kita mengecilkan luas permukaan menjadi setengahnya. (1 menjadi 0,5), maka kecepatan akan naik menjadi dua kali lipatnya (3 menjadi 6). Atau secara bahasa, kecepatan berbanding terbalik dengan luas permukaanya, makin kecil luas permukaan makin tinggi kecepatan di tempat tersebut.
Karena alirannya lunak (steady) dan massa konstan, maka massa yang masuk penampang A1 harus sama dengan massa yang masuk penampang A2. Oleh karena itu persamannya menjadi:
Persamaan di atas dikenal dengan nama persamaan kontinuitas. Karena fluida inkonpresibel (massa jenisnya tidak berubah), maka persamaan menjadi:
Menurut persamaan kontinuitas, perkalian luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang suatu tabung alir adalah konstan. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melewati pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit. Itulah sebabnya ketika orang berperahu disebuah sungai akan merasakan arus bertambah deras ketika sungai menyempit.
Perkalian antara luas penampang dan volume fluida (A × v) dinamakan laju aliran atau fluks volume (dimensinya volume/waktu). Banyak orang menyebut ini dengan debit (Q = jumlah fluida yang mengalir lewat suatu penampang tiap detik). Secara matematis dapat ditulis :
Q = A × v = V/t
Selain itu pada kran air terdapat fenomena lain yaitu ketika menutup keran secara cepat, di kamar mandi terdengar bunyi benda di belakang dinding menabrak sesuatu secara keras? Hal tersebut dinamakan water hammer- atau palu air.
Perhatikan Gambar berikut
Gambar 8 Ilustrasi Water Hammer
Jika ingat hukum Newton, bahwa untuk setiap aksi timbul reaksi yang sama, maka anda pasti mengerti ketika air mengalir maka aliran tersebut memiliki energi kinetik. Energi ini baik-baik saja selama air dibiarkan mengalir, namun apa yang terjadi saat aliran ditutup secara cepat? Energi kinetik tersebut tidak bisa keluar melalui ujung aliran, sehingga energinya akan menyebar ke segala arah dalam bentuk tekanan. Tekanan ke segala arah ini, untungnya, cukup kecil untuk keran-keran air di rumah. Tapi apa yang terjadi jika air ini mengalir dari sebuah pipa berdiameter besar dengan kecepatan tinggi? Kanan ke segala arah ini, untungnya, cukup kecil untuk keran-keran air di rumah. Tapi apa yang terjadi jika air ini mengalir dari sebuah pipa berdiameter besar dengan kecepatan tinggi? Silahkan lihat
akibatnya pada gambar di bawah ini:
Gambar 9: Kerusakan akibat Water Hammer
Kerusakan yang diakibatkan water hammer, untuk kasus ini disebabkan oleh variannya yaitu steam hammer. Biasanya water hammer akan merusak siku-siku pipa karena di situlah arah tekanan menyebar paling besar dan ketahanan siku pipa lebih rendah daripada pipa yang lurus. Water hammer juga bisa disebabkan pada pipa yang berada di puncak bukit. Apabila pompa yang memberikan suplai air ke lokasi di bawah bukit dimatikan dan saluran ditutup, maka akan terjadi kondisi vakum di dalam pipa karena air di tengah-tengah pipa masih mengalir ke bawah bukit karena gravitasi. Tentu saja, pipa yang vakum akan penyok karena tidak ada tekanan dari dalam pipa yang bisa menahan tekanan dari luar pipa. Nah untuk menanggulangi water hammer kita bisa menggunakan cara sebagai berikut:
Membatasi tekanan di dalam aliran fluida dengan menggunakan regulator Mengurangi kecepatan aliran fluida di dalam pipa dengan mengatur
besaran pipa dan besar debit fluida yang mengalir di dalamnya. Menggunakan valve yang berjenis slow closed / penutupan lambat
Menggunakan pipa yang tahan tekanan tinggi (mahal ongkos pembuatannya)
Melakukan prosedur pembukaan dan penutupan aliran dengan tepat Menggunakan alat hidropneumatik untuk menyerap tekanan yang
berlebih
Menggunakan water tower / menara air untuk menstabilkan debit aliran dan menangkap tekanan-tekanan berlebih (dalam sistem aliran air minum)
Nah itulah beberapa fenomena fisika yang sering kita lihat pada kran air.. mudah bukan? So… kita bisa belajar tanpa harus pergi jauh dari rumah.. Masih banyak fenomena-fenomena lain yang kita temukan disekitar kita, ayo lanjut di Bab berikutnya…
