dinamika fluida
TRANSCRIPT
III. DINAMIKA FLUIDA
A. Pendahuluan
1. Latar Belakang
Fluida adalah zat yang dapat mengalami perubahan bentuk secara
kontinu bila terkena tegangan geser walaupun relatif kecil.
Fluida merupakan zat yang dapat mengalir yang mempunyai partikel yang
mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Ketahanan
fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil sehingga fluida dapat dengan
mudah mengikuti bentuk ruang. Fluida adalah benda yang dapat mengalami
perubahan bentuk secara terus menerus karena gaya gesek yang bekerja
terhadapnya.
Dinamika fluida adalah subdisiplin dari mekanika fluida yang
mempelajari fluida bergerak. Fluida terutama cairan dan gas. Penyelsaian
dari masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan banyak
properti dari fluida, seperti kecepatan, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai
fungsi ruang dan waktu.
Dalam kehidupan sehari-hari fluida juga bermanfaat. Oleh karena itu
manusia mencoba menggunakan ataupun memanfaatkan fluida. Dalam
bidang pertanian fluida bermafaat untuk irigasi tanaman.
Dalam percobaan acara III Dinamika Fluida, fluida yang digunakan
adalah air, karena dalam dunia pertanian air memegang peranan yang cukup
penting. Untuk memperkirakan jumlah air yang harus dialirkan dapat
dilakukan pengukuran debit air. Debit dapat diukur dengan mengalikan
kecepatan aliran suatu saluran dengan luas penampang saluran. Bila debit
sebenarnya diketahui maka dimunculkan suatu bilangan konstan yang
dikenal dengan debit terukur yang diperoleh.
2. Tujuan Praktikum
Tujuan dari praktikum Acara III Dinamika Fluida adalah :
a. Mengetahui besar debit saluran dengan pendekatan laju aliran dan luas
penampang
b. Mengetahui besarnya faktor koreksi/correction factor (Cf) dari system
pengukuran yang digunakan
3. Waktu dan Tempat Praktikum
Praktikum Acara III Dinamika Fluida dilaksanakan pada 26 Oktober
2010 pada pukul 13.00-15.00 bertempat di Laboratorium Rekayasa Proses
Pengolahan Pangan dan Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas
Sebelas Maret, Surakarta.
B. Tinjauan Pustaka
Fluida merupakan zat yang tidak mempunyai bentuk dan volume yang
permanen, melainkan mengambil bentuk tempat sesuai yang ditempatinya serta
memiliki kemampuan untuk mengalir. Dua zat yang umumnya disebut fluida
adalah zat cair dan gas. Dinamika fluida adalah cabang ilmu yang mempelajari
fluida dalam keadaan bergerak. Ini merupakan salah satu cabang yang penting
dalam mekanika fluida. Dalam dinamika fluida dibedakan dua macam aliran
yaitu aliran fluida yang relatif sederhana yang disebut aliran laminer dan aliran
yang komplek yang disebut sebagai aliran turbulen (Anonim1, 2009)
Suatu zat yang mempunyai kemampuan mengalir dinamakan fluida. Cairan
adalah salah satu jenis fluida yang mempunyai kerapatan mendekati zat padat.
Letak partikelnya lebih merenggang karena gaya interaksi antar partikelnya
lemah. Gas juga merupakan fluida yang interaksi antar partikelnya sangat lemah
sehingga diabaikan. Dengan demikian kerapatannya akan lebih kecil.
Karena itu, fluida dapat ditinjau sebagai sistem partikel dan kita dapat menelaah
sifatnya dengan menggunakan konsep mekanika partikel. Apabila fluida
mengalami gaya geser maka akan siap untuk mengalir (Anonim2, 2009)
Fluida memegang peranan penting dalam setiap aspek kehidupan. Fluida
bersikulasi dalam tubuh kita dan mengatur keadaan cuaca kita. Fluida adalah zat
yang dapat mengalir, kita gunakan istilah fluida untuk cairan dan gas (Young,
2002)
Suatu fluida diuraikan dengan mempunyai volume tertentu tetapi bukan
bentuk tertentu. Fluida mengalir untuk menyesuaikan pada bentuk wadah dia
tempatkan. Fluida mempunyai volume tertentu yang dipertahankan meskipun
berubah dalam bentuk. Molekul-molekul suatu fluida hampir sedekat dalam
padatan tetap merekat, tidak mempunyai posisi tetap (Keenan dan Kleinfelter,
1992)
Zat cair dan zat gas (yang merupakan suatu jenis fluida) umumnya
mempunyai bentuk yang ditetapkan oleh wadahnya masing-masing (di mana
wadah tersebut biasanya terbuat dari zat padat) dan bila dilihat dari struktur
molekulnya, fluida memiliki jarak antarmolekul yang lebih besar serta gaya
kohesi antar-molekul yang lebih rapat dibandingkan zat padat sehingga fluida
mudah berubah bentuk tergantung dari wadah atau tempatnya (Mulyadi, 2009)
C. Alat, Bahan dan Cara Kerja
1. Alat
a. Set pompa beserta selangnya
b. Model saluran (yang telah dimodifikasi)
c. Penampung
d. Pelampung
e. Alat ukur : panjang, volume, waktu
f. Beban
2. Bahan
Air
3. Cara Kerja
a. Menyusun peralatan dan bahan sesuai dengan susunan percobaan
(pastikan bahwa unit percobaan siap dan dapat dioperasikan)
Gambar 3.1 Susunan Alat Percobaan Dinamika Fluida
Keterangan :
PA : Pompa air
S : Saluran model
P : Penampung
b. Mengukur besarnya debit aktual (Qa)
1) Menyusun peralatan dan bahan sesuai dengan susunan percobaan
2) Menghidupkan mesin pompa dan memastikan pompa dapat
dioperasikan dengan baik
3) Setelah siap digunakan, mengukur debit output saluran dengan
menampung air dari pompa ke dalam penampung sampai volumenya
mencapai 8 liter dan catat waktunya
4) Mengulang percobaan sebanyak tiga kali
c. Mengukur debit terukur (Qu)
1) Menyusun peralatan sesuai dengan percobaan debit aktual
2) Mengukur kedalaman airnya, kemudian menentukan luas penampang
aliran
3) Menyiapkan hambatan awal untuk percobaan pertama
PA
S
P
4) Menyiapkan pelampung tanpa beban dan memasukannya ke dalam air
lalu mencatat waktu yang digunakan untuk menempuh jarak 5 dm
5) Mengulangi percobaan sebanyak tiga kali sehingga memperoleh
waktu rata-rata
6) Mengulangi percobaan dengan hambatan 0,65 dm, 0,75 dm, 0,85 dm,
dan 1,05 dm.
7) Mengulangi percobaan dengan pelampung memakai beban, dengan
jarak dan hambatan yang sama dengan di atas.
D. Hasil dan Analisis Hasil Percobaan
1. Hasil Percobaan
Tabel 4.1 Hasil Pengamatan Debit Terukur
No. Volume (dm3) Waktu (dt) Qa(dm3/dt)1 8 42,38 0,1892 8 41,78 0,1913 8 41,74 0,192
= 0,191Sumber : Laporan Sementara
Tabel. 4.2 Hasil Pengukuran Debit Saluran
No Pelampung h (dm) Waktu (s)
v (dm/s)
A (dm2) Qu (dm3/s)
1
Tanpa Beban
0,65 12,90 0,388 0,91 0,3532 0,65 11,13 0,499 0,91 0,4093 0,65 12,07 0,414 0,91 0,377
= 0,3804 0,75 15,96 0,313 1,05 0,3295 0,75 15,25 0,328 1,05 0,3446 0,75 15,61 0,320 1,05 0,336
= 0,3467 0,85 16,41 0,305 1,19 0,3638 0,85 16,95 0,295 1,19 0,3519 0,85 17,97 0,278 1,19 0,331
= 0,34810 1,05 16,28 0,307 1,47 0,45111 1,05 15,95 0,313 1,47 0,46012 1,05 17,96 0,278 1,47 0,409
= 0,44013
Dengan Beban
0,65 12,46 0,401 0,91 0,36514 0,65 13,82 0,362 0,91 0,32915 0,65 15,36 0,326 0,91 0,297
= 0,33016 0,75 18,26 0,274 1,05 0,28817 0,75 19,57 0,255 1,05 0,26818 0,75 18,27 0,274 1,05 0,288
= 0,28119 0,85 19,78 0,253 1,19 0,30120 0,85 18,11 0,276 1,19 0,32821 0,85 20,34 0,246 1,19 0,292
= 0,30722 1,05 20,67 0,242 1,47 0,35623 1,05 23,16 0,216 1,47 0,31824 1,05 24,76 0,202 1,47 0,297
= 0,324Sumber : Laporan Sementara
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Cf
No Pelampung Qa (dm3/dt) Qu (dm3/s) Cf
1Tanpa Beban
0,191 0,380 0,5032 0,191 0,336 0,5683 0,191 0,348 0,5494 0,191 0,440 0,434
5Dengan Beban
0,191 0,330 0,5796 0,191 0,281 0,6807 0,191 0,307 0,6228 0,191 0,324 0,590
Sumber : Laporan Sementara
2. Analisa Data
a. Pengukuran Debit Pompa
Rumus :
1). t1 = 42,38 s
Qa1 = = 0,189 dm3/s
2). t2 = 41,78
Qa2 = = 0,191 dm3/s
3). t3 = 41,74
Qa3 = = 0,192 dm3/s
=
= 0,191 dm3/s
b. Pengukuran Debit Saluran (Qu)
1) Analisis v
Qa=
v =
v pada percobaan pelampung tanpa beban
Diket : S = 5 dm dm
1. Saat tinggi sekat = 0,65 dm
a) t1 = 12,90 s
v1 =
b) t2 = 11,13 s
v2 =
c) t3 = 12,07 s
v3 =
2. Saat tinggi sekat = 0,75 dm
a) t1 = 15,96 s
v1 =
b) t2 = 15,25 s
v2 =
c) t3 = 15,61 s
v3 =
3. Saat tinggi sekat = 0,85 dm
a) t1 =16,41 s
v1 =
b) t2 = 16,95 s
v2 =
c) t3 = 17,97 s
v3 =
4. Saat tinggi sekat = 1,05 dm
a) t1 = 16,28 s
v1 =
b) t2 = 15,95 s
v2 =
c) t3 = 17,96 s
v3 =
v pada pelampung dengan beban
1. Saat tinggi sekat = 0,65 dm
a) t1 = 12,46 s
v1 =
b) t2 = 13,82 s
v2 =
c) t3 = 15,36 s
v3 =
3. Saat tinggi sekat = 0,75 dm
a) t1 = 18,26 s
v1 =
b) t2 = 19,57 s
v2 =
c) t3 = 18,27 s
v3 =
4. Saat tinggi sekat = 0,85 dm
a) t1 =19,78 s
v1 =
b) t2 = 18,11 s
v2 =
c) t3 = 20,34 s
v3 =
5. Saat tinggi sekat = 1,05 dm
a) t1 = 20,67 s
v1 =
b) t2 = 23,16 s
v2 =
c) t3 = 24,76 s
v3 =
2) Analisis A
Rumus mencari A :
A pada percobaan pelampung tanpa beban dan dengan beban
Diket : l = 1,4 dm
1. h = 0,65 dm
A1 = 1,4 x 0,65
= 0,910 dm2
2. h = 0,75 dm
A2 = 1,4 x 0,75
= 1,050 dm2
3. h = 0,85 dm
A3 = 1,4 x 0,85
= 1,190 dm2
4. h = 1,05 dm
A4 = 1,4 x 1,05
= 1,470 dm2
3) Analisis Qu
Rumus :
Qu pada percobaan pelampung tanpa beban :
1. Saat tinggi sekat 0,65 dm
Diket : A = 0,91 dm3
Qu = v × A
A = l × h
a. v1 = 0,388 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,449 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,414 m/s
Qu3 =
2. Saat tinggi sekat 0,75 dm
Diket : A = 1,05 dm3
a. v1 = 0,313 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,328 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,320 m/s
Qu3 =
3. Saat tinggi sekat 0,85 dm
Diket : A = 1,19 dm3
a. v1 = 0,305 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,295 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,278 m/s
Qu3 =
4. Saat tinggi sekat 1,05 dm
Diket : A = 1,47 dm3
a. v1 = 0,307 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,313 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,278 m/s
Qu3 =
Qu pada percobaan pelampung dengan beban :
1. Saat tinggi sekat 0,65 dm
Diket : A = 0,91 dm3
a. v1 = 0,401 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,362 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,326 m/s
Qu3 =
2. Saat tinggi sekat 0,75 dm
Diket : A = 1,05 dm3
a. v1 = 0,274 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,255 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,274 m/s
Qu3 =
3. Saat tinggi sekat 0,85 dm
Diket : A = 1,19 dm3
a. v1 = 0,253 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,276 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,246 m/s
Qu3 =
4. Saat tinggi sekat 1,05 dm
Diket : A = 1,47 dm3
a. v1 = 0,242 m/s
Qu1 =
b. v2 = 0,216 m/s
Qu2 =
c. v3 = 0,202 m/s
Qu3 =
c. Pengukuran Faktor Koreksi
Rumus :
Pengukuran faktor koreksi tanpa beban :
Diket : Qa = 0,191 dm3/s
1). Qu1 = 0,380 dm³/dt
Cf1 = = 0,503
2). Qu2 = 0,336 dm³/dt
Cf2 = = 0,568
3). Qu3 = 0,348 dm³/dt
Cf3 = = 0,434
4). Qu4 = 0,440 dm³/dt
Cf4 = = 0,434
Cf =
Pengukuran faktor koreksi dengan beban :
Diket : Qa = 0,191dm3/s
1). Qu1 = 0,330 dm³/dt
Cf1 = = 0,579
2). Qu2 = 0,281 dm³/dt
Cf2 = = 0,680
3). Qu3 = 0,307 dm³/dt
Cf3 = = 0,622
4). Qu4 = 0,324 dm³/dt
Cf4 = = 0,590
Gambar 3.2 Grafik Hubungan Antara Cf dan Ulangan
Gambar 3.3 Pelampung Tanpa Beban
Gambar 3.4 Pelampung Dengan Beban
Gambar 3.5 Penampung dengan Berbagai Ketinggian
E. Pembahasan
Debit air (Qa) adalah besarnya air yang mengalir ke dalam penampung.
Debit air merupakan jumlah air yang mengalir dalam saluran dihitung dengan
ukuran liter per detik. Dari hasil percobaan didapatkan nilai rata-rata debit air
(Qa) adalah 0,191.
Debit saluran (Qu) adalah debit terukur yang diperoleh dari hasil kali antara
luas penampang selokan dan kecepatan aliran. Dari hasil percobaan ini,
didapatkan nilai = 0,380 dm3/s, = 0,336 dm3/s, = 0,348 dm3/s,
0,65 dm
1,4 dm
0,75 dm
1,4 dm
0,85 dm
1,4 dm
1,05 dm
1,4 dm
= 440 dm3/s, = 330 dm3/s, = 0,281 dm3/s, = 307 dm3/s,
dan = 0,323 dm3/s.
Cf dapat digunakan untuk mengetahui seberapa besar kesalahan yang telah
dilakukan dalam pengukuran debit saluran. Besarnya faktor koreksi (Cf) dapat
dihitung dengan membagi debit aktual (Qa) dengan debit terukur (Qu). Cf
memiliki nilai ideal 1 tetapi pada percobaan diperoleh nilai kurang dari satu.
Dari hasil perhitungan didapatkan Cf tanpa beban 0,503 ; 0,568 ; 0,549 ; 0,434.
Sedangkan Cf dengan menggunakan beban adalah 0,579 ; 0,680 ; 0,622 ; 0,590.
Selain itu nilai Cf juga bersosiasi tergantung pada pelampung (jenis, bentuk
ukuran, dan berat), penampang (bentuk dan ukuran) kedalaman saluran dan jenis
saluran.
Grafik yang dihasilkan dari hubungan antara Cf dan ulangan (n) adalah
grafik fluktuasi, dimana garis Corection Faktor (Cf) untuk pelampung dengan
beban berada di atas garis Corection Faktor (Cf) untuk pelampung tanpa beban.
Kurang tepatnya memperoleh nilai debit pompa dan debit saluran berakibat
kurang akuratnya nilai faktor koreksi (Cf). Penyimpangan ini mungkin
disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu kurangnya ketelitian membaca alat ukur,
yaitu stopwatch dan adanya faktor alam berupa angin karena praktikum ini
dilakukan di luar ruangan.
F. Kesimpulan
Dari percobaan yang telah dilaksanakan, dapat diambil kesimpulan sebagai
berikut :
1. Debit terukur rata – rata ( Qa ) diperoleh sebesar 0,191 dm3/s.
2. Debit pompa ( Qu ) tanpa beban pada ketinggian :
0,65 dm = 0,380 dm3/s
0,75 dm = 0,336 dm3/s
0,85 dm = 0,348 dm3/s
1,05 dm = 0,440 dm3/s
3. Debit pompa ( Qu ) dengan beban pada ketinggian :
0,65 dm = 0,330 dm3/s
0,75 dm = 0,281 dm3/s
0,85 dm = 0,307 dm3/s
1,05 dm = 0,324 dm3/s
4. Faktor koreksi ( Cf ) dengan beban diperoleh hasil 0,503; 0,568; 0,549; 0,434.
5. Faktor koreksi ( Cf ) tanpa beban diperoleh hasil 0,579; 0,680; 0,622; 0,590.
7. Debit aktual ( Qa ) dipengaruh oleh massa pelampung, kecepatan aliran, dan
ketinggian.
8. Faktor koreksi (Cf) dipengaruhi oleh luas penampang, jenis pelampung,
kedalaman saluran, dan jenis aliran.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim1. 2009. http://www.crayonpedia.org/mw/DINAMIKA_FLUIDA_11.2. Diakses pada tanggal 9 November 2010 Pukul 21.00 WIB.
Anonim2. 2009. http://sidikpurnomo.net/fluida-statis.html. Diakses pada tanggal 9 November 2010 Pukul 21.30 WIB.
Keenan dan Kleinfelter. 1979. Kimia Fisik Untuk Universitas. Jakarta: Erlangga.
Mulyadi, Muhamad. 2009. Analisis Aerodinamika Pada Sayap Pesawat Terbang Dengan Menggunakan Software Berbasis Computional Fluida Dinamics (CFD).
Young, Hugh. 2002. Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.