Jurnal Dinamika, April 2013, halaman 62 - 78

ISSN 2087 – 7889

Vol. 04. No. 1

62

STUDI ANALISIS PERBANDINGAN KECEPATANALIRAN AIR MELALUIPIPA VENTURI DENGAN PERBEDAAN DIAMETER PIPA

Kurniati Abidin, Sri Wagiani

Program Studi Fisika, Fakultas MIPAUniversitas Cokroaminoto Palopo

ABSTRAK

Penelitian ini dilakukan di permandian sungai latuppa Palopo. Dalam penelitian inidigunakan pipa berdiameter 2, 1, ¾ dan ½ setiap 30 detik untuk setiap pipa secaraberulang sebanyak 8 kali percobaan untuk masing-masing dimeter pipa. Data yang diperoleh dari penelitian ini menunjukkan kecepatan rata-rata yang di hasilkan untukmasing-masing diameter pipa yaitu Hasil penelitian menunjukkan rata-rata besar kecepatanaliran air yang dihasilkan oleh pipa venturi berdiameter 1 inci dan ¾ memiliki kecepatanrata-rata mencapai 09,271 m/s, dan 14,779 m/s, Untuk pipa venturi berdiameter ¾ inci dan½ inci memiliki kecepatan rata-rata mencapai 5,242 m/s dan 11,273 m/s. Untuk pipaventuri berdiameter 1 inci dan ½ inci memiliki kecepatan rata-rata 3,080 m/s dan 11,843m/s. Sedangkan untuk pipa venturi berdiameter 2 inci dan 1 inci mamiliki kecepatan rata-rata mencapai 3,57 m/s dan 14,279 m/s

Kata-kata Kunci: pipa venture, diameter pipa

PENDAHULUAN

Fluida

Fluida adalah suatu zat yang dapatmengalir. Istilah fluida mencakup zatcair dan gas karena zat cair seperti airatau zat gas seperti udara dapatmengalir. Zat padat seperti batu dan besitidak dapat mengalir sehingga tidak bisadigolongkan dalam fluida. Air, minyakpelumas, dan susu merupakan contoh zatcair. Semua zat cair itu dapatdikelompokan ke dalam fluida karenasifatnya yang dapat mengalir dari satutempat ke tempat yang lain. Selain zatcair, zat gas juga termasuk fluida. Zatgas juga dapat mengalir dari satu satutempat ke tempat lain. Hembusan angin

merupakan contoh udara yang berpindahdari satu tempat ke tempat lain.

Fluida merupakan salah satu aspekyang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari fluida seing dihirup,diminum, terapung atau tenggelam didalamnya. Setiap hari pesawat udaraterbang melaluinya dan kapal lautmengapung di atasnya. Demikian jugakapal selam dapat mengapung ataumelayang di dalamnya. Air yangdiminum dan udara yang dihirup jugabersirkulasi di dalam tubuh setiap saatmeskipun sering tidak disadari.

Fluida dibagi menjadi dua bagianyakni fluida statis (fluida diam) danfluida dinamis (fluida bergerak). Fluidastatis ditinjau ketika fluida yang sedangdiam atau berada dalam keadaan

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

63

setimbang. Fluida dinamis ditinjauketika fluida ketika sedang dalamkeadaan bergerak).

1. Fluida StatisSuatu zat yang mempunyai

kemampuan mengalir dinamakan fluida.Cairan adalah salah satu jenis fluida yangmempunyai kerapatan mendekati zatpadat. Letak partikelnya lebihmerenggang karena gaya interaksi antarpartikelnya lemah. Gas juga merupakanfluida yang interaksi antar partikelnyasangat sehingga diabaikan. Apabila fluidamengalami gaya geser maka akan siapuntuk mengalir.a) Tekanan dalam Fluida StatisFluida diam adalah Zat alir yang tidakdalam kondisi bergerak.Contohnya airdalam gelas dan air dalam bak mandi.Cabang ilmu fisikan yang mempelajarifluida diam disebut Hidrostatistika,sedangkan yang mempelajari fluidabergerak disebut sebagai Hidrodinamika.Hidrodinamika yang khusus mempelajarialiran gas dan udara dinamakanAerodinamika.

Massa jenis atau kerapatan suatu zatdidefinisikan sebagai perbandinganmassasss dengan volume zat tersebut.Secara matematis, massa jenisdirumuskan sebagai berikut := ............................ 1

Dimana := massa jenis (kg/m3)

M = massa benda (Kg)V = volume benda (m3)

Tabel 1. Nilai massa jenis beberapa zat

No Nama ZatMassa jenis

(kg/m3)1 Air 10002 Alkohol 790,093 Mercury 136004 Bensin 9005 Zat padat6 Aluminium 27007 Besi 79008 Emas 193009 Es 91010 Perunggu 850011 Timah 1130012 Tembaga 890013 Seng 710014 Gas15 Amonia 0,771

16 Karbon dioksida 1,98

17 Karbon monoksida 1,25

18 Hidrogen 0,0919 Helium 0,1820 Neon 0,921 Nutrogen 1,2522 Oksigen 1,4323 Udara 1,2Sumber: ( Ruwanto Bambang 2005)

b) Tekanan HidrostatisFluida yang berada dalam suatu

wadah memiliki berat akibat pengaruhgrafitasi bumi. Berat fluidamenimbulkan tekanan pada setiapbidang permukaan yang bersinggungandengannya. Besarnya tekananbergantung pada besarnya gaya dan luasbidang tempat gaya bekerja. Tekanan zatcair yang hanya disebabkan olehberatnya sendiri disebut tekananhidrostatis.

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

64

Gambar 1. Tekanan hidrostatis.

Cairan yang berada dalam bejanamengalami gaya-gaya yang seimbangsehingga cairan itu tidak mengalir. Gayadari sebelah kiri diimbangi dengan gayadari sebelah kanan, gaya dari atasditahan dari bawah. Cairan yangmassanya M menekan dasar bejanadengan gaya sebesar Mg. Gaya initersebar merata pada seluruh permukaandasar bejana sebagaimana diperhatikanoleh bagian cairan dalam kolom kecilpada gambar 1. Selama cairan itu tidakmengalir (dalam keadaan statis), padacairan tidak ada gaya geseran sehinggahanya melakukan gaya ke bawah olehakibat berat cairan dalam kolomtersebut.

Dalam hal ini tekanandidefinisikan sebagai gaya yang bekerjategak lurus pada suatu bidang tiapsatuan luas bidang tersebut. Secarasistematis tekanan dirumuskan sebagaiberikut.

P = …...................... 2

Karena dalam keadaan statik, airhanya melakukan gaya berat sebagaiakibat gaya grafitasi bumi, maka= ℎ

Maka : = . ℎ . .................. 3Dimana :

= massa jenis zat cair (kg/m3)g = percepatan grafitasi bumi (m/s2)h = kedalaman zat cair diukur dari

permukaan ke titik yang diberitekanan (m)

P = Tekanan Hidrostatis (N / m2)

c) Hukum PascalBila ditinjau dari zat cair yang

berada dalam suatu wadah, tekanan zatcair pada dasar wadah tentu saja lebihbesar dari tekanan zat cair pada bagiandi atasnya. Semakin ke bawah, makatekanan zat cair tersebut akan semakinbesar. Sebaliknya, semakin mendekatipermukaan atas wadah, semakin keciltekanan zat cair tersebut.

Setiap titik pada kedalaman yangsama memiliki besar tekanan yang sama.Hal ini berlaku untuk semua zat cairdalam wadah apapun dan tidakbergantung pada bentuk wadah tersebut.Apabila ditambahkan tekanan luarmisalnya dengan menekan permukaanzat cair tersebut, pertambahan tekanandalam zat cair adalah sama di segalaarah. Jadi, jika diberikan tekanan luar,setiap bagian zat cair mendapat jatahtekanan yang sama.

Jika suatu fluida yang dilengkapidengan sebuah penghisap yang dapatbergerak maka tekanan di suatu titiktertentu tidak hanya ditentukan olehberat fluida di atas permukaan air tetapijuga oleh gaya yang dikerahkan olehpenghisap. Berikut ini adalah gambarfluida yang dilengkapi oleh duapenghisap dengan luas penampangberbeda. Penghisap pertama memiliki

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

65

luas penampang yang kecil (diameterkecil) dan penghisap yang keduamemiliki luas penampang yang besar(diameter besar).

Gambar 2. Fluida yang dilengkapiPenghisap

Sesuai dengan hukum Pascalbahwa tekanan yang diberikan pada zatcair dalam ruang tertutup akanditeruskan sama besar ke segala arah,maka tekanan yang masuk padapenghisap pertama sama dengan tekananpada penghisap kedua.

Tekanan dalam fluida dapatdirumuskan dengan persamaan di bawahini.

P = F : A

sehingga persamaan hukum Pascal bisaditulis sebagai berikut.

P1 = P2

F1 : A1 = F2 : A2…............... 4Dimana :P = tekanan (Pascal)F = gaya (N)A = luas permukaan penampang (m2).Kata hidraulika berasal dari bahasaYunani yang berarti air. Dalam teknik,hidraulika berarti pergerakan-pergerakan, pengaturan-pengaturan, danpengendalian-pengendalian berbagaigaya dan gerakan dengan bantuantekanan suatu zat cair.

Hidraulika adalah ilmu yangmempelajari berbagai gerak dankeseimbangan zat cair. Hidraulikamerupakan sebuah ilmu yang mengkajiarus zat cair melalui pipa-pipa danpembuluh–pembuluh yang tertutupmaupun yang terbuka. Semua instalasihidraulika pada sistem fluida statis(tertutup) bekerja dengan prinsiphidraustatis. Dua hukum terpenting yangberhubungan dengan hidraustatistikaadalah1. Dalam sebuah ruang tertutup

(sebuah bejana atau reservoir),tekanan yang dikenakan terhadapzat cair akan merambat secaramerata ke semua arah,

2. Besarnya tekanan dalam zat cair(air atau minyak) adalah samadengan gaya (F) dibagi olehbesarnya bidang tekan (A).

Dari hukum Pascal diketahui bahwadengan memberikan gaya yang kecilpada penghisap dengan luas penampangkecil dapat menghasilkan gaya yangbesar pada penghisap dengan luaspenampang yang besar. Prinsip inilahyang dimanfaatkan pada peralatanteknik yang banyak dimanfaatkanmanusia dalam kehidupan misalnyadongkrak hidraulik, pompa hidraulik,dan rem hidraulik.

d) Hukum ArchimedesGaya gravitasi benda memiliki nilaiyang tetap. Akan tetapi, zat cairmemberikan gaya yang arahnya ke atas.Gaya yang berarah keatas yang dikerjakan zat cair pada benda yangmenyebabkan berat benda seakan-akanberkurang. Gaya ini tergantung padakerapatan fluida dan volum benda, tetapi

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

66

tidak pada komposisi atau bentuk benda,dan besarnya sama dengan besar zat cairyang dipindahkan oleh benda. Prinsip inipertama kali di kemukakan olehArchimedes yang kemudian di kenaldengan Hukum Archimedes.Prinsip hukum Archimedes ini dapatditurunkan dari hukum Newton denganmemperhatikan gaya-gaya yang bekerjapada suatu bagian zat cair dan mencatatbahwa dalam keseimbangan statik gayanetto harus nol. Apabila sebuah Batuditimbang beratnya di dalam air, beratbatu yang terukur pada timbangan pegasmenjadi lebih kecil dibandingkandengan ketika sebuah batu ditimbang diudara (tidak di dalam air). Massa batu

yang terukur pada timbangan lebih kecilkarena ada gaya apung yang menekanbatu ke atas. Efek yang sama akandirasakan apabila mengangkat bendaapapun dalam air. Batu atau bendaapapun akan terasa lebih ringan jikadiangkat dalam air.

Hal ini bukan berarti bahwasebagian batu atau benda yang diangkathilang sehingga berat batu menjadi lebihkecil, tetapi karena adanya gaya apung.Arah gaya apung ke atas, atau searahdengan gaya angkat yang kita berikanpada batu tersebut sehingga batu ataubenda apapun yang diangkat di dalamair terasa lebih ringan.

Gambar 3. Gaya apung.

Keterangan Gambar := gaya pegas (N)

w = gaya berat batu (N)F1 = gaya yang diberikan fluida pada bagian atas batu (N)F2 = gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah batu (N)

= gaya apung (N)

Apabila sebuah benda dimasukanke dalam fluida seperti air misalnya,memiliki berat yang lebih kecil daripada ketika benda tidak berada di dalamfluida tersebut. Pasti sulit mengangkat

sebuah batu dari atas permukaan tanahtetapi batu yang sama dengan mudahdiangkat dari dasar kolam. Hal inidisebabkan karena adanya gaya apungsebagaimana telah dijelaskan

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

67

sebelumnya. Gaya apung terjadi karenaadanya perbedaan tekanan fluida padakedalaman yang berbeda.

Semakin dalam fluida (zat cair),semakin besar tekanan fluida tersebut.Ketika sebuah benda dimasukkan kedalam fluida, maka akan terdapatperbedaan tekanan antara fluida padabagian atas benda dan fluida padabagian bawah benda. Fluida yangterletak pada bagian bawah bendamemiliki tekanan yang lebih besardaripada fluida yang berada di bagianatas benda. (perhatikan gambar dibawah).

Gambar 4. Tekanan benda didalam air

Pada gambar di atas, tampaksebuah benda melayang di dalam air.Fluida yang berada dibagian bawahbenda memiliki tekanan yang lebih besardaripada fluida yang terletak padabagian atas benda. Hal ini disebabkankarena fluida yang berada di bawahbenda memiliki kedalaman yang lebihbesar daripada fluida yang berada di atasbenda (h2 > h1). Besarnya tekanan fluidapada kedalamana h2 adalah :P = → F = P A = ρ g h A

Besarnya tekanan fluida padakedalamana h1 adalah :P = → = P A = ρ g h A

F2 = gaya yang diberikan oleh fluidapada bagian bawah benda, F1 = gayayang diberikan oleh fluida pada bagianatas benda, A = luas permukaan benda.Selisih antara F2 dan F1 merupakan gayatotal yang diberikan oleh fluida padabenda, yang biasa dikenal dengan istilahgaya.Jika dinyatakan dalam gambar makaakan tampak sebagai berikut:

Gambar 5. Benda yang terapung karena dicelupkan

Apabila benda yang dimasukkanke dalam fluida, terapung, di mana

bagian benda yang tercelup hanyasebagian maka volume fluida yang

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

68

dipindahkan = volume bagian bendayang tercelup dalam fluida tersebut.Tidak peduli apapun benda danbagaimana bentuk benda tersebut,semuanya akan mengalami hal yangsama. Prinsip Archimedes menyatakanbahwa : Ketika sebuah benda tercelupseluruhnya atau sebagian di dalam zatcair, zat cair akan memberikan gaya keatas (gaya apung) pada benda, di manabesarnya gaya ke atas (gaya apung)sama dengan berat zat cair yangdipindahkan.Secara sistematis, hukum archimedesdapat ditulis sebagai berikut :

FA = Va g................... 5

Dimana:FA = gaya angkat ke atas pada benda

(N)= massa jenis zat cair (kg/m3)

Va = volume zat cair yang terdesak(m3)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

2. Fluida DinamisFluida mempunyai karakter yang

khas, misalnya Udara dan air jugamempunyai karakter berbeda. Udaradapat ditekan sehingga menempativolume yang lebih kecil, tetapi air tidakdapat diperlakukan serupa. Minyakpelumas dan air mempunyai kekentalanyang berbeda. Oleh karena itu, fluidamempunyai beberapa sifat sebagaiberikut:

Sifat pertama adalah kemampuan(compressibility), yaitu kemampuanfluida untuk mengalami perubahanvolume ketika ditekan (dimampatkan).Hampir semua zat cair tidak dapatdimampatkan (incompressible). Gas pun

dalam kondisi tertentu dapat dianggaptidak termampatkan, misalnya sajadengan mengatur alirannya sedemikianrupa sehingga perubahan tekanan padasetiap titiknya tidak terlalu besar.

Sifat kedua adalah sifat yangberkaitan dengan kecepatan aliran. Jikakecepatan pada setiap titiknya tidakmengalami perubahan, alirannya disebutaliran tunak (steady flo) dan yangsebaliknya disebut aliran tak tunak(nonsteady flow). Aliran tunak hanyamengizinkan arah arus dan kecepatanarus yang sama pada setiap titiknya.Apabila ditemukan fluida yang tidakmemenuhi keadaan tersebut, fluida itumerupakan fluida tak tunak. Air yangmengalir dengan kecepatan rendahmerupakan contoh aliran tunak, tetapiketika dipercepat alirannya menjadi taktunak.

Sifat ketiga adalah sifat otientasialiran, pada sifat ini ada fluida yangmengalami perputaran (rotational) adajuga yang tidak mengalami perputaran(irrotational). Ambillah sebuah rodakecil atau benda yang dapat dimasukkankedalam fluida, kemudian perhatikan.Apabila suatu ketika benda tersebutterlihat berputar maka aliran fluida tentumengalami putaran di titik benda tersebutberputar.

Sifat keempet berkaitan dengankekentalannya (viscosity). Fluida yangkental akan lebih sulit mengalir jadikekentalan setara dengan gaya gesekanuntuk benda padat.

Persamaan Kontinuitas Sama denganKekekalan Massa FluidaAliran fluida pada sebuah pipa yangmempunyai diameter berbeda, sepertitampak pada gambar di bawah.

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

69

Gambar 6. Aliran fluida pada sebuah pipaGambar ini menujukan aliran fluida dari kiri ke kanan (fluida mengalir dari pipa yangdiameternya besar menuju diameter yang kecil). Garis putus-putus merupakan garis arus.Keterangan gambar:A1 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter besar (m2)A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter kecil (m2)v1 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter besar (m/s)v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter kecil (m/s)L = jarak tempuh fluida (m)

Pada aliran tunak, kecepatan aliranpartikel fluida di suatu titik sama dengankecepatan aliran partikel fluida lain yangmelewati titik itu. Aliran fluida juga tidaksaling berpotongan (garis arusnyasejajar). Karenanya massa fluida yangmasuk ke salah satu ujung pipa harussama dengan massa fluida yang keluar diujung lainnya. Jika fluida memiliki massatertentu masuk pada pipa yangdiameternya besar, maka fluida tersebutakan keluar pada pipa yang diameternyakecil dengan massa yang tetap. Kitatinjau bagian pipa yang diameternyabesar dan bagian pipa yang diameternyakecil.

Selama selang waktu tertentu,sejumlah fluida mengalir melalui bagianpipa yang diameternya besar (A1) sejauhL1 (L1 = v1t). Volume fluida yangmengalir adalah V1 = A1L1 = A1v1t.Selama selang waktu yang sama,sejumlah fluida yang lain mengalirmelalui bagian pipa yang diameternya

kecil (A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volumefluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 =A2v2t.

a) Persamaan Kontinuitas untukFluida Tak-termampatkan(incompressible)

Pada fluida tak-termampatkan(incompressible), kerapatan atau massajenis fluida tersebut selalu sama di setiaptitik yang dilaluinya. Massa fluida yangmengalir dalam pipa yang memiliki luaspenampang A1 (diameter pipa yang besar)selama selang waktu tertentu adalah:

== t

Demikian juga, massa fluida yangmengalir dalam pipa yang memiliki luaspenampang A2 (diameter pipa yang kecil)selama selang waktu tertentu adalah:

== t

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

70

Mengingat bahwa dalam aliran tunak,massa fluida yang masuk sama denganmassa fluida yang keluar, maka:

=A1V1t = A2V2tA1V1 = A2V2

Jadi, pada fluida tak-termampatkan,berlaku persamaan kontinuitas:

A1v1 = A2v2 .................. 6Di mana:A1 = luas penampang 1(m2)A2 = luas penampang 2,(m2)v1 = laju aliran fluida pada penampang

1,(m/s)v2 = laju aliran fluida pada penampang 2.

b) Persamaan Kontinuitas untukFluida Termampatkan(compressible)Untuk kasus fluida yang

termampatkan atau compressible, massajenis fluida tidak selalu sama. Dengankata lain, massa jenis fluida berubahketika dimampatkan. Kalau pada fluidaTak-termampatkan massa jenis fluidatersebut di hilangkan dari persamaan,maka pada kasus ini massa jenis fluidatetap disertakan. Dengan berpedomanpada persamaan yang telah diturunkansebelumnya,berikut ini akan diturunkanpersamaan untuk fluida termampatkan.

Mengingat bahwa dalam alirantunak, massa fluida yang masuk samadengan massa fluida yang keluar, maka :=

tSelang waktu (t) aliran fluida samasehingga t bisa kita hilangkan. Persamaanberubah menjadi:= ................. 7Ini adalah persamaan untuk kasus fluidatermampatkan. Bedanya hanya terletak

pada massa jenis fluida. Apabila fluidatermampatkan, maka massa jenisnyaberubah. Sebaliknya, apabila fluida taktermampatkan, massa jenisnya selalusama sehingga bisadi hilangkan. Untuklebih memahami hubungan antara massajenis dan fluida termampatkan/tak-termampatkan.

Hukum BernoulliPersamaan yang telah dihasilkan

oleh Bernoulli tersebut juga dapat disebutsebagai Hukum Bernoulli, yakni suatuhukum yang dapat digunakan untukmenjelaskan gejala yang berhubungandengan gerakan zat alir melalui suatupenampang pipa. Hukum tersebutditurunkan dari Hukum Newton denganberpangkal tolak pada teorema kerja-tenaga aliran zat cair dengan beberapapersyaratan antara lain aliran yang terjadimerupakan aliran steady (mantap, tunak),tak berolak (laminier, garisalir streamline), tidak kental dan tidaktermampatkan. Prinsip Bernoullimenyatakan bahwa di mana kecepatanaliran fluida tinggi, tekanan fluidatersebut menjadi rendah. Sebaliknya jikakecepatan aliran fluida rendah,tekanannya menjadi tinggi.

Persamaan dinyatakan dalamHukum Bernoulli tersebut melibatkanhubungan berbagai besaran fisis dalamfluida, yakni kecepatan aliran yangmemiliki satu garis arus, tinggipermukaan air yang mengalir, dantekanannya. Bentuk hubungan yang dapatdijelaskan melalui besaran tersebutadalah besaran usaha tenaga pada zatcair.a) Persamaan Bernoulli

Pembahasan mengenai PersamaanKontinuitas, sudah dibahas bahwa lajualiran fluida juga dapat berubah-ubah

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

71

tergantung luas penampang tabung alir.Berdasarkan prinsip Bernoulli yangdijelaskan di atas, tekanan fluida jugabisa berubah-ubah tergantung laju aliranfluida tersebut. Selain itu, dalampembahasan mengenai Tekanan PadaFluida (Fluida Statis), kita juga belajarbahwa tekanan fluida juga bisa berubah-ubah tergantung pada ketinggian fluidatersebut. Hubungan penting antaratekanan, laju aliran dan ketinggian aliranbisa kita peroleh dalam persamaanBernoulli. Persamaan bernoulli ini sangatpenting karena bisa digunakan untukmenganalisis penerbangan pesawat,pembangkit listrik tenaga air, sistemperpipaan dan lain-lain.

Agar persamaan Bernoulli yangakan kita turunkan berlaku secara umum,maka kita anggap fluida mengalir melaluitabung alir dengan luas penampang yangtidak sama dan ketinggiannya jugaberbeda (lihat gambar di bawah). Untukmenurunkan persamaan Bernoulli, kitaterapkan teorema usaha dan energi padafluida dalam daerah tabung alir (ingatkembali pembahasan mengenai usaha danenergi). Selanjutnya, akanmemperhitungkan banyaknya fluida danusaha yang dilakukan untukmemindahkan fluida tersebut.

Gambar 7. Aliran fluida pada 2penampang

Warna buram dalam tabung alirpada gambar menunjukkan aliran fluidasedangkan warna putih menunjukkantidak ada aliran fluida. Fluida pada luaspenampang 1 (bagian kiri) mengalirsejauh L1 dan memaksa fluida padapenampang 2 (bagian kanan) untukberpindah sejauh L2. Karena luaspenampang 2 di bagian kanan lebih kecil,maka laju aliran fluida pada bagian kanantabung alir lebih besar (Ingat persamaankontinuitas). Hal ini menyebabkanperbedaan tekanan antara penampang 2(bagian kanan tabung alir) danpenampang 1 (bagian kiri tabung alir).Fluida yang berada di sebelah kiripenampang 1 memberikan tekanan P1

pada fluida di sebelah kanannya danmelakukan usaha sebesar := → ===Pada penampang 2 (bagian kanan tabungalir), usaha yang dilakukan pada fluidaadalah :

W1 = – p2 A2 L2 ........................... 8

Di samping itu, gaya gravitasi jugamelakukan usaha pada fluida. Pada kasusdi atas, sejumlah massa fluidadipindahkan dari penampang 1 sejauh L1

ke penampang 2 sejauh L2, di manavolume fluida pada penampang 1 (A1L1)= volume fluida pada penampang 2(A2L2). Usaha yang dilakukan olehgravitasi adalah:

W3 = – mg (h2 – h1)W3 = – mgh2 + mgh1

W3 = mgh1 – mgh2

Tanda negatif disebabkan karenafluida mengalir ke atas, berlawanan

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

72

dengan arah gaya gravitasi. Dengandemikian, usaha total yang dilakukanpada fluida sesuai dengan gambar di atasadalah :W = W1 + W2 + W3

W = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

Teorema usaha-energi menyatakanbahwa usaha total yang dilakukan padasuatu sistem sama dengan perubahanenergi kinetiknya. Dengan demikian, kitabisa menggantikan Usaha (W) denganperubahan energi kinetik (EK2 – EK1).Persamaan di atas bisa kita tulis lagimenjadi :W = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

EK2 - EK1 = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 –mgh2

½ mv22 – ½ mv1

2 = P1A1L1 – P2A2L2 +mgh1 – mgh2

Karena = → = maka massa

fluida dapat ditulis menjadi :== ==Persamaan ini bisa juga ditulis dalambentuk seperti ini :+ + ℎ = ++ ℎ ............ 9

Keterangan :P = Tekanan (Pa)=Massa jenis fluida (kg/m3)V = Kecepatan aliran fluida (m/s)g = Percepatan gravitasi (m/s2)h = Tinggi tabung alir (m)

Persamaan bernoulli dapatditurunkan berdasarkan prinsip usaha-energi, sehingga merupakan suatu bentukHukum Kekekalan Energi. Ruas kiri danruas kanan pada persamaan Bernoulli diatas bisa mengacu pada dua titik di mana

saja sepanjang tabung aliran sehinggakita bisa menulis kembali persamaan diatas menjadi:

P + + gh = konstan

Persamaan ini menyatakan bahwa jumlahtotal antara besaran-besaran dalampersamaan mempunyai nilai yang samasepanjang tabung alir.

b) Persamaan Bernoulli padaFluida Diam

Kasus khusus dari persamaanBernoulli adalah untuk fluida yang diam(fluida statis). Ketika fluida diam aliastidak bergerak, fluida tersebut tentu sajatidak punya kecepatan. Dengan demikian,v1 = v2 = 0. Pada kasus fluida diam,persamaan Bernoulli bisa kita rumuskanmenjadi :Jika ℎ − ℎ ℎ,maka persamaan ini bisaditulis menjadi :− = (ℎ − ℎ )− = ℎ….......... 10c) Persamaan Bernoulli pada

Tabung Alir atau Pipa yangketinggiannya sama

Jika ketinggian tabung alir atau pipasama, maka persamaan Bernoulli bisadirubah menjadi :+ = ++ ........................ 11

d) Penerapan Asas BernoulliDewasa ini banyak sekali

penerapan asas Bernoulli dalamkehidupan sehari-hari, demimeningkatkan kesejahteraan hidupmanusia, diantaranya adalah1. Karburator, adalah alat dalam

mesin kendaraan yang berfungsi

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

73

untuk menghasilkan campuran bahanbakar dengan udara lalu campuranini dimasukkan ke dalam silindermesin untuk pembakaran.

2. Venturimeter, adalah alat untukmengukur kelajuan cairan dalampipa.

3. Tabung pitot, adalah alat untukmengukur kelajuan gas dalam pipadari tabung gas.

4. Alat penyemprot nyamuk / parfum

e) Alat ukur kelajuan Fluida1. Venturimeter

Gambar 8. Tabung Venturimterberbentuk vertikal

Persamaan Bernoulli dapat diterapkanpada titik 1 dan titik 2. Zat cair yang akandiukur kelajuannya mengalir pada titik-titik yang tidak memiliki perbedaanketinggian (h1 = h2 ) sehingga berlakupersamaan :

P1 – P2 = ( v22 – v1

2 )............ 12

Berdasarkan persamaan kontinuitasdiperoleh :

A1 v1 = A2 V2v = .......................13

Subtitusi persamaan (2.9) ke persamaan(2.10) akan diperoleh:P − P = ρ v − vP − P = ρv 1 .................14

Berdasarkan persamaan tekananhidrostatiska akibat perbedaan ketinggianh pada pipa vertikal, maka:P − P = ρgh ............................ 15Subtitusi persamaan (11) ke persamaan(12) akan diperoleh :

ρgh = ρv − 12gh = v − 1v = ............ 16

Keterangan :V : kecepatan fluida pada pipa yang

besar (m/s)h : beda tinggi cairan pada manometer

(m)A1 : luas penampang pipa yang besar

(m2)A2 : luas penampang pipa yang kecil

(pipa manometer) satuannya (m2 )Ρ : massa jenis cairan (fluida) yang

mengalir pada pipa besarsatuannya (kg/m3)

ρ’ : massa jenis cairan (fluida) padamanometer satuannya ( kg/m3)

2. Tabung pitot

Gambar 9. Tabung Pitot

Tabung pitot adalah alat ukur yangdapat digunakan untuk mengukurkelajuan gas. Gas (udara) mengalirmelalui lubang di a. Lubang ini sejajardengan arah aliran gas sehingga kelajuanlubang a sama dengan aliran arus di luar

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

74

lubang yaitu = (kelajuan gas) dantekanan di kaki kiri manometer tabungpitot sama dengan takanan aliran gas( ).

Tabung pitot dilengkapi puladengan manometer. Lubang kaki kananmanometer tagak lurus terhadap aliran,sehingga kelajuan gas dititik samadengan nol ( = 0 ). Kalajuan gas samadengan nol berarti juga berada dalamkeadaan diam, dan tekanan di kakikanan manometer sama dengan tekanandi ( ). Titik dan titik b berada padaketinggian yang sama. Persamaanbernoulli yang dapat diterapkan padakondisi ini adalah sebagai berikut:

+ = +

+ =− = ....... 17

Perbedaan antara tekanan antara a dan bsama dengan tekanan hidrostatik zatcair. – = ′............. 18Subtitusi persamaan (14) ke persamaan(15) akan diperoleh:

= ′ ℎ,

=′

,= ′.................. 19

Dengan := kelajuan gas ( / )′ =massa jenis gas (kg/m3)= percepatan gravitasi (m/s2)ℎ = perbedaan tinggi zat cair pada

manometer (m)

Debit air pada pipa

Dalam kehidupan sehari-hari seringdidengar istilah “Debit”. Debit itumenyatakan volume suatu fluida yangmengalir melalui penampang tertentu dalam selang waktutertentu. Secara matematis, bisadinyatakan sebagai berikut := ..................... 20

Dimana :Q = debit( m/s2)V = kecepatan(m/s)T = selang waktu (sekon)

Sebagai contoh, misalnya fluida mengalirmelalui sebuah pipa. Pipa biasanyaberbentuk silinder dan memiliki luaspenampang tertentu. Pipa tersebut jugapunya panjang,perhatikan gambarberikut:

Gambar 10. Pipa yang berbentuk silinder

Ketika fluida mengalir dalam pipatersebut sejauh L, misalnya, makavolume fluida yang ada dalam pipaadalah V = AL (V = kecepatan fluida, A= luas penampang dan L = panjangpipa). Karena selama mengalir dalampipa sepanjang L fluida menempuhselang waktu tertentu, maka kita bisamengatakan bahwa besarnya debit fluida:= =Karena = = → =Maka = ( )= ...................... 21

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

75

Dengan demikian, ketika fluidamengalir melalui suatu pipa yangmemiliki luas penampang dan panjangtertentu selama selang waktu tertentu,maka besarnya debit fluida (Q) tersebutsama dengan luas permukaan penampang(A) dikalikan dengan laju aliran fluida(v).

Tujuan Penelitian

1. Untuk mengetahui bentuk resistivitas(tahanan jenis) yang berkaitan denganmineral bawah permukaan.

2. Untuk mengetahui mineral yangterdapat didaerah penelitian

Penelitian diharapkan dapatmemberikan informasi dan gambarantentang struktur pelapisan mineral bawahpermukaan di daerah tersebut yang dapatdimanfaatkan untuk berbagaikepentingan.

METODE PENELITIANPenelitian ini merupakan penelitian

eksperimen yang dilakukan denganmengukur arus dan tegangan yangdiinjeksi ke dalam permukaan tanah. Adapun alat dan bahan yang digunakan dalampenelitian ini adalah: Elektroda arus,Elektroda potensial, Rol meter, Kabellistrik rol, Resistivity meter, Kalkulator,Multimeter, Patok dan Aki.

Pengukuran Arus dan Beda Potensial:Pengukuran ini, didahului dengan

penentuan lokasi dengan panjang 220meter dan memasang Patok, dengan jarak10 meter dari patok yang satu denganlainnya, sampai patok berjumlah 22.Kemudian merangkai alat resistivitymeter (geolistrik) dan mengaktifkan,menginjeksikan arus kedalam permukaan

melalui kabel rol yang terhubung denganelektroda yang selanjutnya mencatat aruslistrik (I) dan beda potensial (V) yangterlihat di alat ukur.

Teknik Pengolahan Data :Pengolahan data yang dilakukan

sepenuhnya menggunakan perangkatlunak komputer (excel, notepad,Res2dunv).1. Menghitug nilai resistansi (R), faktor

geometri (K) dan resistivitas semu(s) dengan menggunakan softwareExcel. Adapun persamaan yang digunakan adalah:R = V/I…............................. (22)K = πn(n+1)a................... .....(23)s = K ×R............................... (24)

2. Data datun poin (dp), spasi elektrroda(a), faktor pemisah elektroda (n) danharga resistivitas semu (s) denganmenggunakan program notepad datadi simpan dalam bentuk file text untukdi inversi ke program Res2dinv.

3. Mengkonversikan data resistivitassemu kedalam program Res2dinvdimana data disusun dalam orderyang dilakakukan telah ditentukanoleh sofware Res2dinv untukmenampilkan penampangresistivitas.

HASIL DAN PEMBAHASANPada daerah survey dilakukan

pengukuran sebanyak satu lintasan,dimana lintasan diterapkan pengukurandengan metode geolistrik resistivitaskonfigurasi Wenner- Schlombergerdengan jumlah datun poin (titikpengukuran) 100 titik dan panjanglintasan 220 meter. Jarak spasi elektroda

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

76

(a) pada lintasan masing-masing 10meter.

Dimana data lapangan berupa nilai-nilai kuat arus (I) dan beda potensial (V)yang diperoleh kemudian diolah denganmenggunakan perangkat lunak excelyakni menghitung nilai resistansi (R)setiap titik kemudian dikalikan dengandengan masing-mising faktorgeometrinya (k), sehingga diperolehnilai-nilai resistivitas semu (s) untuksetiap titik pengukuran.

Nilai-nilai resistivitas semuselanjutnya diinversi denganmenggunakan perangkat lunak Res2dinvsehingga akan diperoleh nilai resistivitasmineral bawah permukaan yang mampumemodelkan bentuk struktur lapisanmineral di bawah lindasan pengukuran.Nilai-nilai tersebut dinyatakan dalambentuk citra seperti gambar berikut:

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

77

Gambar 11. Penampang Resistivitas tarere (a) penampang resetivitas semu pengukuran.(b)penampang resitivitas semu perhitungan. (c) model penampang hasil inversi.

Hasil yang diperoleh dari inversiRes2dinv menunjukkan adanya variasi nilairesistivitas mineral bawah permukan untuksetiap lapisan. Variasi nilai resistivitas inimenunjukkan adanya perbedaan tingkatkemudahan arus listrik untuk mengalir padasetiap mineral penyusun batuan bawahpermukaan sangat tergantung pada sifatfisik mineral yang dilaluinya. Sifat fisiktersebut antara lain porositas, permeabilitas,rapat massa dan distribusi ukuran butiran

Dari model penampang resistivitashasil inversi (gambar 11) di atas terlihatbahwa lintasan yang adalah 220 msedangkan kedalaman yang dapat terdeteksiadalah sekitar 39,6 meter. Diperoleh nilairesistivitas 0,387 m–798 m. Untukmenentukan mineral yang terkandung perludiperhatikan pula keadaan geologi setempat

dan nilai resistivitas yang ada dikonfirmasikedalam daftar resistivitas berbagai jenismineral. Resistivitas mineral dan citrapenampang di bawah permukaan daerahpengukuran yang diperoleh data dari hasilinversi ke jenis mineral untukmenggambarkan struktur pelapisan mineraldi bawah permukaan daerah permukaan.

Dari hasil inversi menunjukkan adabeberapa jenis mineral yang menyusunbawah permukaan di daerah pengukuranyaitu: air payau, air dalam lapisan alluvial,serpih mengandung selingan, Tupa gunungapi, pasir dan kerikil.

Air payau adalah campuran air tawardan air laut (air asin). Jika kadar garamyang dikandung dalam satu liter air adalahantara 0,5-30 gram, maka disebut air payau.Namun jika lebih disebut air asin.

Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air Pipa Venturi

78

Dataran alluvial merupakan dataranyang terbentuk akibat proses-prosesgeomorfologi yang lebih didominasi olehtenaga eksogen antara lain iklim, curahhujan, angin, jenis batuan, topografi, suhu,yang semuanya akan mempercepat prosespelapukan dan erosi. Hasil erosi diendapkanoleh air ketempat yang lebih rendah ataumengikuti aliran sungai. Dataran alluvialmenempati daerah pantai, daerah antargunung, dan dataran lembah sungai. Daerahalluvial ini tertutup oleh bahan hasilrombakan dari daerah sekitarnya, daerahhulu ataupun dari daerah yang lebih tinggiletaknya. Potensi air tanah daerah iniditentukan oleh jenis dan tekstur batuan.

Pasir dan kerikil juga merupakanbatuan sedimen yang terbentuk secaramekanik. Batuan ini mempunyai nilaiekonomis yang tinggi, misalnyadipergunakan untuk bahan banguanan.

KESIMPULANBerdasarkan pembahasan hasil

pengukuran dan inversi data, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:1. Nilai resistivitas yang diperoleh yaitu

0,387m-798m.2. Berdasarkan harga resistivitas yang

diperoleh maka mineral – mineral yangterdapat bawah permukaan yakni: airpayau, air dalam lapisan alluvial, serpihmengandung selingan, Tupa gunungapi, pasir dan kerikil.

DAFTAR PUSTAKAAfdal. 2009. Penentuan Konfigurasi

Elektroda Metode GeolistrikTahanan Jenis Optimal untuk SurveiAir Tanah (Online). http://repository.unand.ac.id/557/, diakses9 Februari 2011).

Kanata, Bulkis, Teti Zubaidah. 2008.Aplikasi Metode Geolistrik Tahanan

Jenis Konfigurasi Wenner-Schlomberger Untuk Survey PipaBawah Permukaan, (Online),(http://jurnal.pdii.lipi.go.id/admin/jurnal/72088491. pdf diakses 1 juni2011)

Winda, dan Eddy Winarno,. 2007. PetunjukPraktikum Geofisika Tambang.Yogyakarta.

Arsyad, Muhammad. 2001. Pengetahuantentang Bumi. Jurusan Fisika –FMIPA, Universitas NegeriMakassar.

Setia, G. D. 1987. Batuan dan Mineral.Bandung: NOVA.

Sukandarrumidi. 1998. Bahan GalianIndustri. Gajah Mada UniversityPress.Yogyakarta.

Kurniati Abidin, Sri Wagiani (2013)

79