MODUL V ALIRAN MELALUI AMBANG (TAJAM DAN LEBAR) 5.1. Pendahuluan 5.1.1. 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.
Gambar 5. 1 Aliran pada Ambang Lebar
35
Gambar 5. 2 Aliran pada Ambang Tajam
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 5. 3 Ambang Tajam
Gambar 5. 4 Ambang Lebar
36
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.
5.1.2. 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.
5.2. Landasan Teori Aliran pada ambang atau pelimpah (spillway) adalah salah satu jenis aliran pada saluran terbuka. Profil pelimpah akan menentukan bentuk tirai luapan (flow nappe) yang akan terjadi di atas ambang tersebut. Tirai luapan ini dianggap mengalami pengudaraan, yaitu keadaan saat permukaan atas dan bawah tirai luapan tersebut memiliki tekanan udara luar sepenuhnya. Namun, pengudaraan di bawah tirai luapan kurang sempurana. Hal ini berarti terjadi pengurangan tekanan di bawah tirai luapan akibat udara yang tergantikan oleh pancaran air. Pengurangan tekanan ini menimbulkan hal-hal sebagai berikut:
37
-
Perbedaan tekanan meningkat di ambang
-
Perubahan bentuk tirai luapan sesuai dengan ambang yang digunakan
-
Peningkatan debit, disertai fluktuasi
-
Bentuk hidrolik yang tidak stabil.
Hal-hal ini menyebabkan timbulnya koefisien pengaliran (C) yang berbeda-beda pada setiap ambang, yang akan dijelaskan lebih lanjut pada poin selanjutnya.
5.2.1. Debit Aliran Debit Berdasarkan Venturimeter Dalam percobaan, digunakan venturimeter untuk mengetahui debit yang sebenarnya mengalir dari pompa. Debit yang melalui ambang dapat dihitung dengan prinsip kekekalan energi, impuls - momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), sehingga dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada saat kontraksi pada venturimeter:
Gambar 5. 5 Venturimeter
Besar debit dapat diketahui melalui rumus: 2 1 4 π 4 [( 1 ) β1]ππ π2
(ππ βππ )( ππ1 2 ) 2πββ
π=β
(5.1)
Dengan:
d1 d2 G
= 3,15 cm = 2,00 cm = 9,81 m/s2
Οair ΟHg
= 1,00 gr/cm3 pada suhu 0 ΜC = 13,60 gr/cm3
38
Debit Pelimpah Debit aliran yang melalui ambang dengan tipe WES dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: π = πΆπΏπ»π 3/2
(5.2)
di mana: C = koefisien pengaliran L = lebar saluran He = tinggi aliran di atas ambang
5.2.2. Koefisien Pengaliran (C)
Gambar 5. 6 Profil Aliran Melalui Ambang Tajam
Kecepatan aliran yang lewat diatas pelimpah adalah V = ( g.Y )1/2 = ( g.He )1/2
(5.3)
He = Y - t
(5.4)
di mana : g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2 t = tinggi ambang = 12 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
(5.5)
Dengan mensubstitusi C = c.g1/2 ke persamaan (1.4) maka diperoleh persamaan debit sebagai berikut: Q = C . L . He3/2
(5.6)
39
Apabila debit yang mengalir sudah diketahui nilainya, maka nilai koefisien pengaliran (C) dapat diperoleh dengan menggunakan rumus: C = Q /(L . He3/2)
(5.7)
di mana : L = lebar saluran = 8 cm
5.3. Alat-alat Percobaan a. Ambang tajam dan lebar b. Alat pengukur kedalaman c. Alat pengukur panjang d. Venturimeter dan pipa manometer e. Sekat pengatur hilir f.
Bak penampung air
g. Pompa air
Gambar 5. 7 Model penampang aliran pada ambang tajam
5.4. Prosedur Kerja 1. Pastikan ambang telah terpasang dalam model saluran terbuka pada posisi yang tepat sesuai gambar pada modul.
2. Jika menggunakan alat pengukur kedalaman selain penggaris (mistar), alat tersebut perlu dikalibrasikan terlebih dahulu. Jika menggunakan penggaris, gunakan penggaris yang sama untuk setiap percobaan.
3. Catat dimensi ambang dengan menggunakan alat ukur yang tersedia. 4. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit menggunakan venturimeter.
40
5. Nyalakan pompa air dengan debit tertentu sesuai keinginan, tetapi tidak sampai meluap. 6. Aturlah sedemikian rupa sehingga diperoleh keadaan sebagai berikut: -
Loncat pertama
-
Loncat kedua
-
Peralihan
-
Tenggelam pertama
-
Tenggelam kedua
Untuk keadaan selain loncat pertama, pasangkanlah sekat di hilir saluran dan aturlah sedemikian rupa sehingga tercipta keadaan-keadaan tersebut.
7. Catatlah 8 (delapan) koordinat titik penting dari setiap keadaan di atas untuk menggambar profil aliran. Titik-titik tersebut umumnya adalah titik awal, titik akhir, setiap titik belok aliran, dan titik-titik saat terdapat fenomena air loncat. Sebaiknya, titik awal dimulai dari sebelum ambang dan titik terakhir yang dicatat adalah titik terjauh dari ambang di mana sudah tidak terdapat perubahan aliran lagi.
8. Catat ketinggian raksa pada pipa manometer dan cari selisihnya untuk menghitung debit aliran. 9. Ulang langkah ke 6 dan 8 untuk empat debit yang berbeda. Namun, yang dicatat hanya permukaan air di hulu (y1) dan kedalaman air di hilir (y2) saja.
10. Setelah selesai langkah ke-9, kosongkan sekat di hilir. 11. Atur debit aliran mulai dari yang terbesar (tetapi air tidak meluap). 12. Catat tinggi muka air sebelum ambang (y1) dan tinggi raksa pada manometer. 13. Ulang langkah 11 dan 12 dengan mengatur debit aliran dengan cara mengecilkannya sampai didapatkan debit minimum saat air masih dapat mengalir sampai didapat lima debit yang berbeda.
14. Masukkan data koordinat profil aliran beserta besar debit pertama pada Formulir Pengamatan Lembar 1 Data untuk Membuat Profil Aliran. Masukkan data yi, y2, dan besar debit pertama beserta data y1, y2, dan besar debit lainnya (4 nilai debit selanjutnya) pada Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q. Masukkan data y1 dan besar debit dari lima debit pertama tadi beserta data y 1 dan besar debit lainnya (5 nilai debit selanjutnya/ terakhir) pada Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C.
15. Cara-cara di atas diulang kembali dengan menggunakan ambang yang berbeda. Pada dasarnya, prosedur kerja dapat digambarkan melalui diagram alir berikut ini:
41
! Jika menggunakan mistar, gunakan mistar yang sama untuk setiap percobaan. ! Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi
__ P? ! Pastikan orientasi ambang benar
! Pastikan air tidak meluap
! Pastikan aliran telah stabil
! Jumlah pengambilan data masing-masing keadaan aliran: β’ Lompat 2 kali β’ Peralihan 1 kali β’ Tenggelam 2 kali
Gambar 5.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang [berlanjut]
42
Gambar 5.9 Diagram alir prosedur kerja praktikum aliran melalui ambang
43
5.5. Pengambilan Data
Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan panduan tabel di bawah ini: Tabel 5. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama Percobaan No.
1
Lembar Data
Lembar 1
Data yang Diambil Koordinat titik-titik untuk membuat profil aliran
Simbol
(x,y)
Sat.
Jumlah Data Total
Keterangan
cm
8 x Jumlah Keadaan Aliran = 40 titik
Debit yang sama digunakan juga untuk Lembar 2 dan 3
hi
cm
5
h2
cm
5
Tinggi air sebelum ambang
y1
cm
5 x Jumlah Keadaan Aliran = 25
he1 = y1 - t
Tinggi air sesudah ambang
y2
cm
5 x Jumlah Keadaan
he2 = t - y2
Tinggi kedua pipa manometer untuk menghitung debit 2
Lembar 2
Aliran = 25
h1
cm
10
Tinggi kedua pipa manometer untuk menghitung debit 3
Debit pertama diambil sama dengan debit untuk Lembar 1, jadihanya mengambil 4 nilai debit yang baru.
Lembar 3
Tinggi air sebelum ambang
h2
cm
10
y1
cm
10
Debit pertama sampai kelima diambil sama dengan debit untuk Lembar 2, jadi hanya mengambil 5 nilai debit yang baru. Data yang diambil hanya pada keadaan loncat pertama. he1 = y1 - t
Catatan:
Jumlah keadaan aliran = 5 (loncat 1, loncat 2, peralihan, tenggelam 1, tenggelam 2)
44
5.6. Pengolahan Data Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut ini: No. 1
2
Tabel 5. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data Formulir Pengamatan Keterangan Nama Acuan Gambar/Grafik Menggambar profil Lembar 1 Data untuk Gambar ini menjadi Menggunakan fungsi Grafik muka aliran. Membuat Profil Aliran 1.1 Profil chart tipe scatter pada Aliran. program Microsoft Excel atau sejenis. Menghitung besarnya β’ Lembar 2 Data Untuk Gunakan rumus 1.1. Langkah
seluruh debit yang mengalir (Q).
β’
3
β’
β’ β’
4
β’
β’ β’ 5
β’
β’
Menghitung besarnya He1 dan He2. Membuat grafik He1 vs He2. Membuat Grafik He1 vs Q.
Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C
β’ Gambar pertama Lembar 2 Data Untuk β’ Lihat rumus 1.4 dan menjadi Grafik Membuat Grafik He1 vs He2 Gambar 1.6 dan He1 vs Q β’ Ingat pembuatan grafik 1.2 He1 vs He2. berarti sumbu y vs β’ Gambar kedua menjadi Grafik sumbu x 1.3 He1 vs Q.
Menghitung nilai Lembar 3 Data Untuk Gunakan rumus 1.7. β’ Grafik pertama koefisien Membuat Grafik He1 vs C menjadi Grafik pengaliran untuk 1.4 He1 vs C. tiap debit dan He1 β’ Grafik kedua yang telah menjadi Grafik dihitung. 1.5 Q vs C. Membuat grafik He1 vs C. Membuat grafik Q vs C. Lembar 3 Data Untuk β’ Gunakan Grafik 1.4 He1 Grafik ini menjadi Menentukan nilai Membuat Grafik Hei vs C vs C. Grafik 1.6 He1/Hd vs koefisien desain β’ Untuk membuat grafik, C/Cd. (Cd) dan gunakan nilai He1 dan C ketinggian desain hasil aliran (Hd) dari perhitungan ambang model sebelumnya. Buatlah grafik He1/Hd vs C/Cd
45
5.7. Analisis Data
Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis sebagai berikut: Tabel 5. 3 Grafik dan Analisis No. 1
Grafik Grafik 1.1 Profil Aliran
Hal-hal yang Perlu Dianalisis
β’
Beberapa fenomena yang terjadi pada tiap keadaan profil aliran.
β’ β’
Penyebab terjadinya fenomena tersebut. Perbedaan tiap keadaan (loncat, peralihan, tenggelam).
β’ 2
Perkiraan letak ambang pada sumbu koordinat
Grafik 1.2 Hei vs He2
β’ Tujuan pembuatan grafik tersebut. β’ Hubungan He1 dan He2. 3
Grafik 1.3 He1 vs Q
β’ Pengaruh perubahan debit terhadap He1 dan He2. β’ Tujuan pembuatan grafik tersebut. β’ Hubungan He1 dan Q. β’
4
Grafik 1.4 He1 vs C
5
Grafik 1.5 Q vs C
6
Grafik 1.6 He1/Hd vs C/Cd
Kecenderungan regresi dari rumus perbandingan He1 dan Q.
β’ Tujuan pembuatan grafik tersebut. β’ Hubungan He1 dan C. β’ Persebaran titik-titik pada grafik. β’ Mencari Cd dan Hd. β’ Tujuan pembuatan grafik tersebut. β’ Hubungan Q dan C. β’ Persebaran titik-titik pada grafik. β’ Kaitan nilai Cd dengan nilai C pada grafik ini. β’ Tujuan pembuatan grafik tersebut. β’ Persebaran titik-titik pada grafik. β’ Hubungan He1, Hd, C, dan Cd.
5.8. Kesimpulan Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum dan saran untuk perbaikan di masa mendatang.
5.9. Daftar Pustaka Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.
46
FORMULIR PENGAMATAN Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR
Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil No. Kelompok:
Lembar 1/2
No
Nama
NIM
Paraf
TANGGAL PRAKTIKUM
1 2
Asisten :
3 ( ........................... )
4 5 TANGGALTERAKHIR PEMASUKANLAPORAN :
Data alat β’ Tinggi Ambang = ( .............. β’ Lebar Saluran = ( ................
.......... cm) ....... cm)
Data Pengamatan Keadaan Awal (Kalibrasi) Bacaan Manometer H1 = (............
......... cm), ( ........
H2
= .........cm), ( .........
Ah
= ......... cm)
Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran Titik
Loncat 1 (cm) X
Peralihan
Loncat 2 (cm)
Y
X
(cm)
Y
X
Y
Tenggelam 1 (cm) X
Y
Tenggelam 2 (cm) X
Y
1 2 3 4 5 6 7 8 Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Debi t
Manometer H1 (m)
H2 (m)
Q
Ah (m)
(m3/
Jenis Aliran
Y1 (m)
Y2 (m)
He1 (m)
He2 (m)
s) L1 L1 Q1
P T1 T2
Q2
L1
47
Li P Ti T2 Li Li Q3
P Ti T2 Li Li P
Q4
Ti T2 Li Li P
Q5
Ti T2
Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C Manometer
Debit ke H1 (m)
H2 (m)
Ah (m)
Q (m3/s)
Y1 (m)
He1 (cm)
C (cm05/s)
i 2 3 4 5 6 7 8 9 io
48
FORMULIR PENGAMATAN Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG TAJAM Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil No. Kelompok : ................................................................................................................................... Lembar 1/2 No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM 1 Assiten : 2 3 4 5
( ........................... ) TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN :
Data alat β’ Tinggi Ambang = ( ................... β’ Lebar Saluran = ( ....................
............cm) .........cm)
Data Pengamatan Keadaan Awal (Kalibrasi) Bacaan Manometer H1 = ( .................
.......... cm), ( .........
H2
= .......... cm), ( .........
Ah
= .......... cm)
Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran Titik
Loncat 1 (cm) X
Peralihan
Loncat 2 (cm)
Y
X
(cm)
Y
X
Y
Tenggelam 1 (cm) X
Y
Tenggelam 2 (cm) X
Y
1 2 3 4 5 6 7 8
Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q Debi t
H1 (m)
Manometer
Q
H2 (m)
(m3/ s)
Ah (m)
Jenis Aliran
Y1 (m)
Y2 (m)
He1 (m)
He2 (m)
L1 L1 Q1
P T1 T2
Q2
L1
49
Li P Ti T2 Li Li Q3
P Ti T2 Li Li P
Q4
Ti T2 Li Li P
Q5
Ti T2
Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C Manometer
Debit ke H1 (m)
H2 (m)
Ah (m)
Q (m3/s)
Y1 (m)
He1 (cm)
C (cm05/s)
i 2 3 4 5 6 7 8 9 io
50
