MODUL PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA
LABORATORIUM TEKNIK SUMBERDAYA ALAM dan LINGKUNGAN JURUSAN KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2013
MATERI I KALIBRASI SEKAT UKUR
I.
Pendahuluan Debit aliran fluida/air digunakan untuk mengetahui berapa volume dalam aliran tersebut persatuan waktu. Metode- metode yang digunakan untuk mengukur debit air saluran antara lain: 1. Berdasarkan Perbedaan Tekanan 2. Current Meter 3. Pelampung 4. Ambang Pelimpah Pada
praktikum
ini
menggunakan
Metode
Ambang
Pelimpah,
menggunakan alat yang ada di laboratorium Teknik Tanah dan Air, jurusan Teknik Pertanian Unibraw. Pada alat tersebut digunakan sekat – sekat yang berfungsi untuk membuat aliran yang konstan pada saat melalui sekat ukur (segi empat, segi tiga, dan trapesium), sehingga diperoleh tinggi muka air yang relative tetap. Debit aliran melalui sekat ukur secara umum dapat dinyatakan sebagai berikut:
Q=k
……………. (1.1)
Dimana : k = konstanta dari ukuran dan bentuk sekat n = koefisien yang besarnya bergantung dari bentuk sekat
Untuk mengkalibrasi sekat ukur diperlukan penentuan nilai k dan n
Sekat Segi Empat k
Sekat Segi Tiga (V90˚)
Sekat Trapesium
1.5
n
2.5
2.5
Apabila persamaan (1.1) dilogaritmakan maka diperoleh: Log Q = Log k ÷ Log h Dimana antara Log G dan Log h mempunyai hubungan linier. Oleh karena
itu dengan mudah nilai k dan Log k dapat dihitung dengan rumus
:
n =
dan Log k = Log Q – n . Log h
II. Tujuan Praktikum Tujuan dari praktikum ini adalah mengkalibrasi sekat ukur untuk penentuan debit aliran.
III. Alat dan Bahan
Saluran air
Sekat ukur segitiga, segi empat, dan trapezium
Penggaris
Tangki penentu debit aliran
Stopwatch
IV. Cara Kerja a. Siapkan semua alat yang akan digunakan b. Pasang sekat ukur sesuai yang dikehendaki c. Alirkan air ke debit yang rendah d. Catat tinggi permukaan air dari bagian bawah sekat ukur e. Dalam waktu bersamaan hitung kenaikan permukaan air pada tangki penentu debit
f. Ulangi langkah (b) sampai (e) sebanyak lima kali dengan debit yang ditingkatkan g. Ulangi prosedur diatas dengan sekat ukur yang berbeda
KALIBRASI SEKAT UKUR Data Pengamatan No
Sekat
.
Tinggi
Tinggi Air
h1 (cm)
h2 (cm)
Pair (bar)
t (s)
Sekat (cm) Sekat (cm)
1.
Trapesium
2.
Segitiga
3.
Segiempat
Keterangan : h1 = Air Tumpahan h2 = Tinggi Air Pada Sekat – Tinggi Sekat
Perhitungan
A 1 = ¼ d1
A 2 = ¼ d2 atau
dimana, A1 = Luas Tabung Kecil (m2) d1 = Diameter Tabung Kecil (m) 0,008 m
Tabel Perhitungan Untuk Sekat Trapesium, Segitiga dan Segiempat No. V (m3) Q (m3/s)
Log Q
h2
Log h2
Log Q * log h2
1. 2.
(log h2)2
3. 4. 5. Jumlah Rata-rata
Keterangan : V = (A1-A2). h1 Q=V.t n =
dan Log k = Log Q – n * Log h2 Perhitungan Teoritis : K= Q = k (h2)n
MATERI II BOUYANCY I.
Pendahuluan Menurut Archimides, besarnya tekanan ke atas fluida terhadap benda, ekuivalen dengan berat benda yang dipindahkan oleh fluida tersebut seperti terlihat pada gambar berikut:
=
.g.(h h ) a .g.h a
=
.g.V
FA =
1
2
(Berat volume fluida yang dipindahkan)
Sedangkan kerapatan massa dari fluida didasarkan pada rumus:
m (density fluida) dalam kg/m3 atau g/cm3 V
II.
Tujuan Praktikum - Untuk mempelajari tekanan ke atas fluida terhadap benda terapung - Untuk menentukan kerapatan (density) dari bermacam fluida
III.
Alat dan Bahan 1. Alat - Tangki atau wadah untuk menampung fluida - Gelas ukur dalam berbagai ukuran - Piknometer untuk mengukur density dari fluida - Timbangan digital 2. Bahan - Air - Bahan-bahan lain yang ditetapkan asisten
IV.
Cara Kerja a. Menentukan tekanan ke atas fluida terhadap pengaruh benda - Timbang dan tentukan volume benda yang akan diamati - Isi tangki dengan air sampai mencapai batas maksimum - Tampung air yang tumpah dari tngki dan tentukan volumenya - Ulangi langkah diatas untuk jenis benda yang berbeda b. Menentukan density dari fluida - Timbang berat piknometer - Isi piknometer dengan air sampai penuh, kemudian timbang beratnya - Berat air dapat dihitung dari selisih antara berat piknometer plus air dikurang berat piknometer - Dari perbandingan antara berat air dengan volume air, maka didapat density dari air tersebut Nb: ulangi langkah diatas untuk jenis fluida lainnya.
BOUYANCY Data Hasil Pengamatan No
Nama Benda
Massa (kg)
h1
h2
Keterangan : Diameter tabung kecil (d1) = 0,008 m Diameter tabung besar (d2) = 0,2 m Perhitungan a. Volume benda tenggelam =
h1. A1 +
m V
b.
Massa jenis benda,
c. d.
Gaya apung (GA) = air x g x Vtotal Berat benda (W) = m x g
e.
Kerapatan relatif (KR) =
f.
Berat besi yang ditambahkan Tomat tenggelam
m.g GA
m.g besi x g V
-
BJbesi =
-
Volume besi yang ditambahkan w Vtomat . )besi
h1.A2
+ Vbesi.
.g
= ( h2(A1 +A2)
besi)tomat + (
- Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x Vbesi - Massa besi (m) = w/g - Volume air minimum besi untuk mengapung, V= Gabus tenggelam
air
air
h 2(A1 + A2)
tomat
w .g
-
BJbesi =
-
Volume besi yang ditambahkan Vtomat . )besi
-
air
+ Vbesi.
xg tomat
= ( h2(A1 +A2)
)tomat + ( h 2(A1 + A2)
air
Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x Vbesi Massa besi (m) = w/g Volume air minimum besi untuk mengapung, V=
w .g
Gabus plastic tenggelam
to ma t
-
BJbesi =
-
Volume besi yang ditambahkan Vtomat . )besi
-
+ Vbesi.
xg
besi
m.g besi V
= ( h2(A1 +A2)
air)tomat + (
Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x Vbesi Massa besi (m) = w/g Volume air minimum besi untuk mengapung, V=
m.g besi V
air
h 2(A1 + A2)
besi
g.
Density Data Hasil Percobaan No Berat fluida + piknometer
Berat Fluida
T(0C)
Keterangan: Berat fluida = (berat fluida + piknometer) – (berat piknometer) Data Hasil Perhitungan Jenis Fluida Berat fluida (kg)
Volume Fluida (m3)
MATERI III
m/v
KEHILANGAN HEAD PADA BERBAGAI PERLAKUAN
I.
Pendahuluan Suatu zat cair dengan kekentalan tertentu, akan mengalami kehilangan tenaga pada saat zat cair tersebut mengalir dalam pipa. Kehilangan tenaga tersebut disebabkan oleh terjadinya gesekan antara zat cair dengan dinding pipa serta gesekan antara partikel-partikel fluida tersebut. Kehilangan tenaga tersebut berbanding langsung dengan tinggi kecepatan sehingga dirumuskan : hL = KL .(V2/2g)……………………………………………………………….. (4.1) dimana :
hL
= tinggi tenaga yang hilang
KL
= koefisien kecepatan
V2/2g
= tinggi kecepatan (velocity head)
Beberapa kehilangan tenaga ini antara lain : 1. Kehilangan tenaga pada pipa lurus dengan diameter konstan. Besarnya kehilangan tenaga yang terjadi akibat gesekan antara zat cair dengan dinding pipa, berbanding lurus dengan faktor gesekan f dan panjang pipa l, serta berbanding terbalik dengan diameter pipa d, sehingga dapat dituliskan : nL
=
f
.
(l/d)
.
V2/2g……………………………………………………………(4.2) Sedangkan faktor gesekan tersebut tergantung pada besarnya bilangan Reynold dan kekasaran relative pada permukaan pipa. F
=
fungsi
(Re, /d)……………………………………………...………….....(4.3)
Hubungan antara Re dan
/d dengan f dapat dilihat pada diagram
Moody, seperti pada gambar 1. 2. Kehilangan tenaga pada pipa yang mengalami perubahan penampang. Beberapa perubahan penampang pipa dapat terjadi pada sambungan pipa dengan variasi : sambungan mengecil siku-siku (menyudut dan tanpa menyudut),
sambungan
membesar
siku-siku
(menyudut
dan tanpa
menyudut). Kehilangan tenaga yang terjadi pada perubahan penampang pipa yang berdiameter besar (d1) ke pipa yang berdiameter kecil (d2) pada sambungan siku-siku (tanpa menyudut) akan terjadi kontraksi, dengan koefisien kontraksi Cc tergantung pada nisbah A2/A1 dan harga koefisien kehilangan KL dapat dilihat pada table 4.1. Tebel 4.1. : Besarnya Cc dan K L pada berbagai nisbah A2/A1 A2/A1
Cc
KL
0,0
0,671
0,50
0,1
0,624
0,46
0,2
0,632
0,41
0,3
0,643
0,36
0,4
0,659
0,30
0,5
0,681
0,24
0,6
0,712
0,18
0,7
0,755
0,12
0,8
0,813
0,06
0,9
0,892
0,02
1,0
1,000
0,00
Gambar 1. Diagram MOODY
Kehilangan tenaga yang terjadi pada perubahan penampang pipa yang berdiameter kecil (d1) ke pipa berdiameter besar (d2) pada sambungan sikusiku (tanpa membentuk sudut) adalah : hL = KL . (v1-v2)2/2g .................................................................................. (4.4) Pada perubahan pipa dari pipa berdiameter kecil (d 1) ke pipa berdiameter besar (d2) yang membentuk sudut, maka besarnya kehilangan tenaga dapat menggunakan persamaan 4.4 dengan nilai KL dapat dicari dari grafik pada gambar 2.
Untuk penyempitan yang berbentuk sudut, seperti pada gambar 3, dengan penyempitan yang mulus, maka besarnya kehilangan energy yang terjadi secara teknis dapat diabaikan.
3. Kehilangan tenaga pada belokan pipa
Apabila pipa dengan diameter d, mengalami belokan dengan sudut belok dan jari-jari pembelokan R, maka besarnya koefisien kehilangan KL dapat dicari dengan menggunakan gambar 3. Belokan yang membentuk sudut 900 secara kasar dapat menggunakan koefisien kehilangan KL sebesar 0,2 (lihat gambar 4.5)
II.
Tujuan Praktikum Tujuan praktikum ini adalah untuk mengetahui besarnya kehilangan head (head loses) pada aliran zat cair dalam pipa.
III.
IV.
Alat dan Bahan
Rangkaian pipa
Pompa
Pipa kaca
Cara Kerja a. Periksa alat-alat yang akan dipakai, apakah sudah dalam keadaan siap b. Berikan “power” pada pompa listrik, bacalah besarnya kehilangan tenaga (head loses) dengan berbagai perlakuan pada perangkat alat yang telah terpasang c. Besarnya kehilangan tenaga (head loses) tersebut dicatat dan cocokkan dengan acuan yang telah ada. d. Bahaslah hasil pengamatan tersebut
V.
Tabel Pengamatan
No
Perlakuan
Kehilangan (mmHg)
1.
Sambungan Mengecil Lurus (2”/1”)
2.
Sambungan Membesar Lurus (1”/2”)
3.
Sambungan Mengecil Menyudut (2”/1”)
4.
Sambungan Membesar Menyudut (1”/2”)
5.
Sprinkler Besar
6.
Sprinkler Kecil
7.
Belokan 900 (pipa 2”)
8.
Seluruh Rangkaian
Head
KEHILANGAN TEKANAN PADA BERBAGAI PERLAKUAN Data Pengamatan No
Perlakuan
1
1.
Sambungan Mengecil Lurus
2.
Sambungan Membesar Lurus
3.
Sambungan
2
3
4
5
6
Mengecil
Menyudut 4.
Sambungan
Membesar
Menyudut 5.
Sprinkler Besar
6.
Sprinkler Kecil
7.
Belokan 900 Total Piezometer
Keterangan : P = 1330 Pa
d2 = 2,54 x 10-2
P = 1000 kg/m3
g = 9,8 m/g2
d1 = 5,08 x 10-2
1 cmHg = 13,56 x 10-2 m air
Perhitungan
MATERI IV GESEKAN ALIRAN MELALUI PIPA
I. Pendahuluan Bilangan Reynold (Re) merupakan perbandingan antara inersia dan viskositas yang merupakan faktor alami dari aliran. Untuk kondisi normal, aliran, akan laminar untuk Re < 2000, turbulen untuk Re > 2500 dan transisi untuk 2000 < Re < 2500. Kehilangan head persatuan panjang dalam aliran laminar sebanding dengan kecepatannya dan dalam aliran turbulen sebanding dengan kuadrat kecepatannya. Jadi
:
= k. Un ………………………………………………… (2.1)
dimana: U = Kecepatan aliran. n = 1 untuk aliran laminar, dan 2 untuk aliran turbulen. Apabila persamaan (2.1) di atas dilogaritmakan maka akan didapat persamaan sebagai berikut: Log.{ } = Log. K + n x Log. U Apabila diplotkan pada kertas grafik double log akan menghasilkan garis lurus untuk kedua keadaan tersebut, dengan kemiringan yang berbeda. Suatu aliran, baik itu aliran laminar atau turbulen kehilangan headnya adalah : hf = Dalam menentukan faktor gesekan (f), kita perlu mengukur kehilangan (hf), kecepatan (U), diameter pipa (d) dan jarak antara piezometer pada pipa (l). Diketahui bahwa : f=
, untuk aliran laminar, dan
f=
, untuk aliran turbule.
Bila diplotkan pada kertas grafik double log antar f dan Re kemiringan untuk aliran laminar dan turbulen masing-masing adalah sebesar -1 dan
II. Tujuan Praktikum
.
Tujuan praktikum ini adalah untuk mempelajari karakteristik aliran laminar dan aliran turbulen. III. Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan pada praktikum ini adalah sejumlah pipa horizontal dengan diameter berbeda-beda.
IV. Cara Kerja a. b. c. d. e.
Sediakan peralatan yang dipergunakan. Pilih pipa yang sesuai dengan fluida yang dipakai untuk percobaan. Isi tangki A dengan fluida. Buka kran untuk menghasilkan kecepatan U tertentu. Dalam selang waktu tertentu amati dan catat beda tinggi fluida dalam piezometer serta naiknya muka air dalam tangki penentu debit B. f. Lakukan berulang-ulang sesuai dengan bukaan kran pada butir d dan e dengan bukaan kran yang bervariasi untuk mendapatkan U yang berbeda-beda.
GESEKAN ALIRAN MELALUI PIPA
Data Pengamatan No. 1. 2. Dst.
∆H air raksa (cmHg)
Waktu (s)
Volume (m3)
Keterangan : µ = 1.002* 10-3 kg m/s Lpipa = 8.05 m dpipa = 1.25* 10-2 m pair = 1000 kg/m3 pHg = 13.57* 103 kg/m3 Perhitungan 1. Debit (Q) Q= 2. Kecepatan Aliran (U) ; dimana A = π (dpipa)2
U=
3. Gesekan dalam pipa (H f air) Hf = {∆Hraksa -
} – 2 {0.2*( )}
4. Faktor gesekan (f) f= 5. Bilangan Reynolds (Re) Re =
Tabel Perhitungan No.
∆H
Q
V
Log
Hf
f
Log
Re
Hf/L
Log
Log
(cmHg)
(m3/s)
(m3)
U
(air)
f
Hf/L
1. 2. Dst
Tabel Regresi Linier Log V dan Log Hf/L No. 1. 2. . Dst
Log V (X)
Log Hf/L (Y)
X2
X*Y
X2
X*Y
Jumlah Rata2 Tabel regresi Linier Log f dan Log Re No. 1. 2. . Dst
Log V (X)
Jumlah Rata2 Keterangan : b=
a = Y = a*X + b
–
Log Re (Y)
Re
