APLIKASI MEKANIKA FLUIDA PADA

INSTALASI SALURAN AIR DI RUMAH

Riky Tarnando

12010210085

Program Studi Pendidikan Fisika

Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan (STKIP) Surya

Jalan Scientia Boulevard Blok U no. 7 Gading Serpong, Tangerang 15810

Abstract

Selain memberikan banyak manfaat, air juga dapat memberikan dampak yang negatifjika pengolahannya tidak dilakukan secara baik. Hal ini lebih terfokus pada sistem insta-lasi pengairan atau lebih dikenal dengan istilah drainase yang dilakukan oleh manusia,baik pada instalasi drainase di tempat umum maupun instalasi drainase di rumah-rumah.Pengairan yang kurang baik membuat air terbuang secara tidak baik sehingga menye-babkan kerugian misalnya kerusakan bahan bangunan oleh tetesan air yang merembesdi pipa. Oleh sebab itu, pemasangan instalasi drainase harus menggunakan perhitun-gan yang baik untuk mengurangi dampak negatif yang terjadi. Dalam ilmu fisika, ca-bang ilmu yang cocok untuk mengevaluasi apakah instalasi drainase telah dikatakan baikadalah Mekanika Fluida. Hal ini karena mekanika fluida merupakan cabang ilmu fisikayang mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik den-gan benda di sekitarnya yang dilalui saat mengalir serta membahas hukum keseimbangandan gerakan fluida dan aplikasinya untuk hal-hal yang praktis. Adapun sasaran pokokdari cabang ilmu ini adalah aliran fluida yang dikelilingi oleh selubung, seperti misal-nya aliran di dalam saluran-terbuka dan tertutup. Oleh sebab itu, penulis akan mema-parkan bagaimana pengaplikasian ilmu mekanika fluida dalam memasang dan mengurangidampak negatif terhadap pemasangan saluran air yang ada di rumah kita.∗ Key Words : Aliran air, Saluran, Hidrolika, Percabangan pipa

1 Pendahuluan

Dasar teori mekanika fluida danhidrolika kemudian menjadi baku sete-lah Daniel Bernoulli dan Leonhard Eu-ler memperkenalkan ilmunya dalam abadXVIII. Kemudian Nikolai Joukowskiyang interest dalam hidrolika berhasilmenggabungkan hasil-hasil experimendengan teori-teori yang telah ada se-

hingga bermanfaat untuk keperluanpenelitian dan aplikasi. Yang pal-ing menarik dari penemuan Joukowskiadalah teori tentang WATER HAM-MER yang menyebabkan saluran-saluranpecah karena alat-alat ditutup men-dadak (VALVE ; TURBINE GATES ;FAUCET) dan berbagai kasus dalambangunan air; seperti teori aliran air-tanah ( GROUND WATER = PERCO-

1

LATION THEORY ). Oleh sebab itu,Mekanika fluida dijadikan sebagai ob-jek dan media yang memiliki partikel-partikel dengan berbagai ragam ger-akan relatifnya untuk meneliti baik atautidaknya aliran fluida yang terjadi padainstalasi drainase yang dibuat di rumah.

Melihat sejarah dan pemanfaatan-nya, Mekanika Fluida merupakan cabangilmu fisika yang tepat karena pada ca-bang keilmuan ini terdapat percabanganlagi yang membahas secara spesifik men-genai fluida, yakni Hidromekanika danHidrolika. Hidromekanika mempelajarikeseimbangan dan gerakan gas maupunzat cair serta gaya tarik dengan bendadi sekitarnya yang dilalui saat mengalir,sedangkan Hidrolika membahas hukumkeseimbangan dan gerakan fluida dan ap-likasinya untuk hal-hal yang praktis. Ke-dua percabangan Mekanika Fluida inimemiliki sasaran pokok yakni aliran flu-ida yang dikelilingi oleh selubung, sepertialiran di dalam saluran-terbuka dan ter-tutup. Contohnya yaitu aliran pada sun-gai, terusan, cerobong dan pipa saluran,nozzle serta komponen mesin hidrolik.

Meskipun para fisikawan telah men-emukan metode dan alat yang tepat,kendala dalam pengaplikasian instalasidrainase tetap saja ditemukan. Inikarena air merupakan fluida yang ten-tunya memiliki sifat khas fluida, yaknizat cair cenderung untuk mengumpuldan membentuk tetesan ( apabila jum-lahnya sedikit ) dan jika dalam volumeyang banyak ia akan membentuk muka -bekas ( FREE SURFACE ). Sifat pentinglainnya dari zat-cair, perubahan tekanandan temperatur hampir atau sama sekalitak berpengaruh terhadap volume; se-hingga dalam praktek zat cair diang-gap bersifat INCOMPRESSIBLE. Dita-mbah lagi, aliran air dalam pipa meru-

pakan Aliran Saluran Tertutup (PipeFlow) yang cenderung memiliki aliranyang jauh lebih cepat dari Aliran SaluranTerbuka (Open Channel Flow) karenamemiliki luas penampang yang berbedasesuai dengan asas Bernoulli. Ini menye-babkan rentannya instalasi drainase yangdibuat untuk mengalami kerusakan se-hingga dalam skala yang besar akanmerugikan masyarakat, terutama untukinstalasi drainase di tempat umum.

Dalam skala kecil, ketidakakuratanpada perhitungan saat instalasi mengak-ibatkan air tidak mengalir secara mak-simal karena berkurang oleh keboco-ran yang terjadi. Kebocoran tersebutmengakibatkan ketidaknyamanan bagipenghuni karena air akan merembes danmerusak barang-barang yang tidak tahanair. Bahkan, kesalahan dalam perhitun-gan untuk memasang saluran drainasejuga mengakibatkan dampak yang besardalam skala yang lebih besar. Ini karenajika saluran drainase mampet akan men-gakibatkan air buangan tidak terbuangsecara lancar bahkan cenderung terham-bat sehingga akan mengakibatkan ban-jir dan sumber penyakit bagi manusia.Dalam hal ini, kita memerlukan pengap-likasian mekanika fluida dalam mengeval-uasi instalasi yang dibuat.

2 Metode Penyusunan

Jurnal

Pemaparan materi pada jurnal inimurni menggunakan metode studi pus-taka. Ide dan pemaparan dari tiapmateri yang ada dikembangkan melaluibeberapa referensi, baik melalui jurnal-jurnal yang telah dipublikasikan di in-ternet maupun melalui situs yang terse-dia di search engine sehingga materi yangdisampaikan merupakan rangkuman dari

2

beberapa penelitian yang dikumpulkanlalu diikhtisarkan dalam sebuah kesatuanmateri yang berkesinambungan. Oleh se-bab itu, jurnal ini merupakan pengem-bangan aplikasi terhadap materi yang be-rasal dari teori dan penelitian yang telahada sehingga data yang dirangkumkantelah teruji.

3 Hasil dan Pemba-

hasan

Menurut teori hidrolika, fluidaadalah suatu kontinyum (CONTIN-UUM) yakni suatu bahan yang bersifatkontinyu, berusaha menempati seluruhruangan, dan tanpa ada yang kosong.Oleh karena itu, struktur molekulerdapat diabaikan sehingga fluida denganpartikel yang sangat kecil sekalipunmesti terbentuk dari molekul-molekulyang sangat banyak jumlahnya. Karenafluida selalu berusaha molor (YIELDS)walaupun tegangannya sangat kecil, iatak bisa menimbulkan gaya yang ter-pusat. Semua gaya-gaya yang diberikanpadanya akan didistribusikan meratadalam seluruh volume (massa) atausearah dengan permukaannya. Jadigaya luar yang bisa bekerja pada setiap-volume fluida hanyalah gaya inersia(BODY FORCE) atau gaya permukaan(SURFACE FORCE).

Dalam kehidupan sehari-hari, diper-lukan instalasi yang tepat sehingga padasaat digunakan dapat meminimalkan ter-jadinya kebocoran yang disebabkan olehsifat unik dari fluida. Berikut adalahsalah satu contoh gambar untuk insta-lasi drainase yang dapat diaplikasikan dirumah.

Pada instalasi ini, banyak dipakaisambungan yang berfungsi untuk mem-

belokkan atau membagi aliran menjadibercabang. Pembagian aliran fluida padapercabangan sendiri adalah suatu prosesirreversibel dimana irreversibilitas ini didalam aplikasi teknik akan menurunkanunjuk kerja dari sistem. Selama fluidamengalir melalui pipa banyak terjadi rugitekanan yang disebut rugi tekanan Ma-jor (Major Head loss) dan rugi tekananMinor (Minor Head loss) (MechanicalEngineering Laboratory Spring Quarter,2003). Kerugian major adalah rugitekanan yang terjadi karena gesekan flu-ida dengan dinding pipa dan kerugian mi-nor adalah kerugian akibat fluida mele-wati sambungan.

Aliran fluida yang terjadi pada in-stalasi ini adalah aliran turbulen. Ali-ran turbulen mempunyai koefisien gesekyang lebih tinggi dibandingkan denganaliran laminar, tingginya koefisien gesekberpengaruh secara langsung pada be-sarnya penurunan tekanan dan padaakhirnya besarnya energi yang diper-lukan untuk mengalirkan fluida (In-dartono, 2006). Aliran ini mengalami re-gangan yang sebanding dengan VELOC-ITY GRADIENT dalam arah ⊥ aliranfluida, yang dapat ditulis secara matem-atis melalui persamaan :

τ = µ ·dv

dy·Kg

m2

Figure 1: contoh instalasi pipa ukuranbesar

3

Apabila fluida mengalir melalui su-atu percabangan maka akan terjadi sepa-rasi yang mengakibatkan terjadinya keru-gian tekan. Menurut (Dwiyantoro,2004), Adanya percabangan pada aliranfluida incompressible berakibat tergang-gunya aliran karena adanya separasi yangmenyebabkan kerugian dari tekanan to-tal. Kerugian ini terjadi karena adanyategangan geser pada luas penampang.Bila tegangan geser merata pada luas pe-nampang (S) maka regangan geser to-tal (gaya gesek) yang bekerja padaluasantersebut adalah :

T = µ ·dv

dy· S

Untuk Separasi dan Head loss padapipa bengkok (Study of the Separatedand Total Losses in Bend) telah ditelitioleh (Salem et-all, 2003): Bahwa keru-gian gesek mayor mempunyai pengaruhsignifikan pada kerugian gesekan totalketika perbandingan bend curvatur ra-dius (r) dibanding bend diameter (D)diatas 0,92 dan koefisien kerugian danseparasi paling besar jika arah aliranberubah secara tajam dan radius curva-ture sama dengan nol.

Separasi yang terjadi pada perca-bangan pipa mengakibatkan aliran men-jadi turbulen, sehingga koefisien gesekmenjadi tinggi dan menyebabkan penu-runan tekanan yang akan berpengaruhpada energi yang dibutuhkan untukPompa. Seberapa besar pengaruh variasisudut terhadap koefisien kerugian padapercabangan pipa. Dalam hal ini juga,terdapat perbandingan gaya-gaya yangdisebabkan oleh gaya Inersia, gravitasi,dan kekentalan yang dikenal sebagai bi-langan Reynolds (Re) yang dinotasikandengan :

Re =V ·D

v

V : kecepatan rata-rata aliranl : Panjang aliran tertutupv : Viskositas kinematik (m

2

s).

Kekasaran pipa juga mempengaruhialiran yang dialami oleh fluida padasaluran yang dinotasikan dengan :

hf = λ ·L · V 2

D · 2g

Untuk mempermudah mengetahuikerugian akibat percabangan pipa, kitadapat menggunakan penelitian terhadapdividing derajat pipa sebagai acuan peni-laian. Adapun penelitian koefisien keru-gian yang dilakukan pada pipa berdivid-ing 45 tersaji dalam tabel 1. Pada bagianini juga, terlampir contoh perhitunganuntuk menentukan nilai k yakni sebagaiberikut.

Peneliti Dividing 45Donal S Miller K3-1 (0,9-0,5)

K3-2 (0,04-0,4)Thomas Krist K3-1 (0,9-0,48)

K3-2 (0,04-0,33)Sularso dan Haruo Tahara K3-1 (0,89-0,47)

K3-2 (0,04-0,33)Teoritis K3-1 (1-0,337)

K3-2 (0-0,5)Hasil Penelitian K3-1 (0,95-0,60)

K3-2 (0,06-0,37)

=Kteoritis −Kaktual

Kteoritis

× 100

=1, 00− 0, 95

1, 00× 100

= 5 ∗ ∗

∗ ∗ (dalam persen)

Koefisien kerugian total adalah pen-jumlahan antara koefisien kerugian tiapcabang. Dari hasil penelitian menun-jukan hasil yang sedikit berbeda, tetapi

4

tren grafik sudah menyerupai. Koe-fisien kerugian total paling besar diper-oleh pada dividing 90◦, kemudian 60◦

dan 45◦. Hal ini disebabkan besarnyasudut percabangan yang mengakibatkansemakin besar tahanannya.

Semakin besar sudut percabanganmengakibatkan semakin besar kerugiantekanan yang mengakibatkan nilai koe-fisien akan bertambah besar. Dari hasilpenelitian sebelumnya juga menunjukanpernyataan yang sama. Bahkan dalamtabel kedua, hasil yang diperoleh daripenelitian yang dilakukan nilainya sudahmendekati.

Peneliti Dividing 45Donal S Miller Ktot (0,827-0,933)Thomas Krist Ktot (0,94-0,68)

Sularso Ktot (0,93-0,8)dan Haruo Tahara

Teoritis K3-1 (1-0,837)Hasil Penelitian Ktot(1,02-0,96)

Meskipun data yang ditampilkanakurat, tak dapat dipungkiri bahwa akanterjadi perbedaan ketika dilakukan keduakalinya. Adapun perbedaan yang terjadidisebabkan oleh :

• Jenis pipa uji yang digunakan dalampenelitian.

• Jenis fluida

• Pengukuran yang kurang presisi ak-ibat dari fluktuasi tekanan.

• Variasi bilangan Re

Meskipun telah mengetahui tingkatkerugian dalam percabangan pipa, kitaharus tetap memperhatikan sifat vol-mue atur pada fluida. Ini karena fluida

berusaha menjaga kekekalan massa, lajuperubahan terhadap waktu dari massakandungan volume atur ditambah den-gan laju netto aliran massa melalui per-mukaan atur sehingga nilainya harussama dengan nol. Adapun persamaanmatematis yang menganalisa kecepatanvolume atur fluida, yakni:

v̄ =

∫A · ρV · ndA

ρ · A

Sesungguhnya, hasil yang samamungkin dapat diperoleh secara lebihlangsung dengan menyamakan laju ali-ran massa ke dalam dan keluar volumeatur dengan penumpukan atau pengu-rangan massa di dalam volume atur.Namun demikian, fakta bahwa teorematransport Reynolds berlaku dalam ka-sus sederhana yang mudah dimengertiini kembali menambah keyakinan kita.Keyakinan ini akan sangat membantukita dalam mengembangkan pernyataanvolume atur untuk prinsip-prinsip pent-ing lainnya. Dalam hal ini, tujuan yangingin dicapai dalam penciptaan instalasidrainase ini adalah menciptakan suatuvolume atur yang tepat untuk digunakanadalah yang tetap dan tidak berdefor-masi. Dalam matematika, keadaan inidapat dinotasikan dengan kombinasi per-samaan sehingga didapat :

∂

∂t·

∫cvρd∀+

∫csρV · ndA = 0

4 Simpulan

Melalui paparan di atas, kita dapatmenyimpulkan bahwa konsep MekanikaFluida sangat tepat untuk diterap-kan guna memasang dan mengurangidampak negatif terhadap pemasangansaluran air yang ada di rumah kita.Oleh sebab itu, perancang model in-stalasi drainase harus menguasai kon-

5

sep Mekanika Fluida dalam mengeval-uasi baik atau tidaknya sebuah insta-lasi drainase yang telah ia buat. Ini di-maksudkan agar meminimalisasi kesala-han pada pemasangan instalasi drainaseserta cabang keilmuan ini dapat diap-likasikan dalam skala yang lebih besar,baik untuk keilmuan teknik seperti per-pabrikan maupun dalam konservasi alamseperti saluran irigasi yang tidak mence-mari lingkungan.

5 Daftar Pustaka

References

[1] Ichwan Ridwan Nasution, 2005.”Aliran Seragam pada Saluran Ter-buka pada Teori dan PenyelesaianSoal-soal”, e-USU Repository Uni-versitas Sumatera Utara

[2] Modul mengenai Hukum DasarMekanika Fluida (diunduh pada si-tus http://www.google.com)

[3] Bar-Meir, Genick, 2013 . Fundamen-tal of Compressible Mechanic Fluid,North Washtenaw Ave Chicago, IL60645

[4] Muchsin dan Rachmat Subagyo.2011. Kaji Eksperimental KoefisienKerugian pada Percabangan Pipadengan Sudut 45◦, 60◦, dan 90◦, Jur-nal Mekanikal, Vol. 2 No. 2: 181-188

[5] Modul mengenai PengenalanHidromekanik dan Hidro-lika (diunduh pada situshttp://www.google.com)

6