Lapisan Batas

II. TEORI DASAR

A.      Pengertian Lapisan Batas

Pengertian lapisan batas adalah daerah dimana aliran mengalami hambatan karena adanya tegangan geser yang besar pada permukaan benda, sehingga partikel-partikel fluida terpaksa berhenti pada sekitar permukaan benda karena geseran viskos.

Aliran fluida sejati mana pun selalu menunjukkan adanya suatu daerah yang alirannya terhambat, yaitu dekat batas yang kecepatannya relatif terhadap batas bervariasi antara nol pada batas hingga suatu harga yang dapat diduga dari solusi aliran potensial di titik yang agak jauh dari situ. Daerah yang alirannya terhambat ini disebut lapisan batas (boundary layer) dan ketebalan lapisan batas itu sendiri dinyatakan dengan δ.

Proses pembentukan lapisan batas mungkin poling baik bila divisualisasikan dengan membayangkan aliran di sepanjang sebuah pelat rata. Misalkan ada aliran seragam sebuah fluida tak dapat mampat mendekati pelat dengan kecepatan arus bebas u_s (Gambar 7-2). Ketika fluida mencapai tepi sebelah depan, tegangan geser yang besar terbentuk dekat dengan permukaan pelat karena partikel-partikel fluida yang tiba di situ terpaksa berhenti dan partikel-partikel yang cukup dekat dan normal terhadap plat dihambat oleh geseran viscous.

Lapisan batas menebal dalam arah yang sama dengan arah aliran, akibatnya perubahan kecepatan dari nol di permukaan pelat hingga u_s pada jarak δ semakin jauh menjadi semakin besar. Laju perubahan kecepatan tadi menentukan gradient kecepatan di permukaan plat dan karena itu tegangan gesernya juga.

Pada jarak memanjang tertentu di sepanjang pelat x_c, aliran dalam lapisan batas laminer. Jika kecepatan u_s untuk suatu fluida bertambah, x_c justru berkurang sedemikian rupa sehingga hasil kali u_s x_c pada dasarnya tidak berubah. Harga tetapan ini bervariasi secara langsung menurut viskositas kinematik fluida yang bersangkutan, dan bila fluida yang digunakan berbeda, nisbah  boleh  dikatakan tidak berubah. Nisbah ini adalah salah satu bentuk angka Reynolds. Peralihan dari lapisan batas laminar ke lapisan batas turbulen bergantung pada kekasaran pelat don tingkat turbulensi dalam arus bebas, selain bergantung pada  nisbah  u_s x_c / v.  Baik kekasaran  pelat,  tingkat  turbulensi yang tinggi dalam arus bebas, atau jika arus bebas tidak seragarn, perlambatan yang dialami oleh arus bebas akan menyebabkan terjadinya peralihan di daerah dekat pangkal pelat (dengan harga x_c lebih kecil).

Apabila suatu fluida mengalir maka akan kehilangan energi akibat adanya gaya tahanan yang ditimbulkan oleh adanya pemisahan aliran. Dalam kategori pertama, tahanan disebabkan secara langsung oleh efek viskos. Jadi oleh tegangan tangensial disebut tekanan viska atau tahanan gesek. Kategori sedikit walaupun tak secara langsung oleh efek viskositas disebabkan karena tekanan jadi oleh gaya-gaya normal dan disebut tahanan bentuk oleh tahanan tekanan.

Aliran berlapis sangat tahan terhadap gradien merugikan dibelakang silinder dan pemisahan terjadi pada θ = 82˚. Sudah tentu dapat diramalkan dengan teori aliran alur ombak buritan yang melebur dan tekanan yang sangat rendah pada daerah berlapis yang menimbulkan seretan sebesr CD = 1,2.

(web.ipb.ac.id/~erizal/.../lapisanbatas.pdf )

Gambar 1: Boundary Layer

Gambar 2: Gambar Alat Boundary Layer

Gambar 3: Boundary Layer

(web.ipb.ac.id/~erizal/.../lapisanbatas.pdf )

B.       Aliran Berkembang Penuh

Aliran berkembang penuh merupakan aliran belapis dan aliran bergolak keduanya bisa terjadi di bagian dalam (internal) artinya dibatasi oleh dinding atau bagian luar (ekstenal ) yang tak terbataskan.

Aliran berkembang penuh terjadi pada internal flow dimana pada aliran ini aliran berkembang penuh setelah melewati lapisan batas.

(lontar.ui.ac.id/opac/.../abstrakpdf.jsp?id)

Gambar 4: Aliran Berkembang Penuh

(lontar.ui.ac.id/opac/.../abstrakpdf.jsp?id)

Suatu aliran dalam terkendala oleh dinding – dinding yang membatasinya dan efek kekentalan akan meluas keseluruh aliran itu. Gambar diatas menunjukkan suatu aliran dalam pipa yang panjang. Terdapat daerah masuk dimana aliran hulu yang hamparan mengumpul dan memasuki pipa lapisan batas yang kental masuk ke hilir menahan aliran aksial u (r,x) pada dinding dan dengan demikian mempercepat aliran kebagian tengah untuk tetap memenuhi syarat kontinuitas yang tak termampatkan

Q = = konstan

                        Q = (tanda integral) u dA   =  konstan

Pada jarak tertentu dari lubang masuk, lapisan batas itu mengumpul dan teras yang encer itu hilang. Aliran pipa itu lalu mengental seluruhnya dan kecepatan aksialnya sedikit demi sedikit menyesuaikan dirinya sampai pada  x = Lc .

Pada x = Lc yang tidak berubah lagi dan disebut aliran berkembang penuh. Artinya U ≈ u/r dibagian hilir atau x = Lc profil kecepatan tetap.

Gesekan dindingnya tetap dan tekanannya menurun secara linear dengan x, baik untuk aliran berlapis maupun aliran bergolak.

Darat ditunjukkan dengan analisis dimensi bahwa bilangan Reynolds adalah salah satunya parameter yang menentukan panjang masuk.

Jika Lc = f (d,V,ρ,U)   v  =  Q/A

Maka  Lc/d  = g (ρ_uda/U)  =  g (Re)

Untuk aliran berlapis korelasi yang diterima adalah Lc/d  ≈  44 Re_d^1/6  bergolak

Gambar 5: Perkembangan Profil Kecepatan Danperubahan Tekanan Di Lubang  Masuk Suatu Aliran Talang / Pipa.

(lontar.ui.ac.id/opac/.../abstrakpdf.jsp?id)

C.      Jenis-jenis Head Loss

Head Loss (kerugian tinggi tekan) merupakan suatu kerugian yang dialami aliran fluida selama bersirkulasi dimana kerugian itu tergantung pada geometri penampang saluran dan parameter-parameter fluida serta aliran itu sendiri. Kerugian tinggi tekan (head loss) dapat dibedakan atas, kerugian dalam pipa (major losses) dan kerugian pada perubahan geometri (minor losses).

1.    Kerugian  Gesekan  Dalam  Pipa  Atau Mayor  Losses

Kerugian gesekan dalam pipa atau Mayor  losses merupakan kerugian yang disebabkan oleh gesekan aliran dengan pipa sepanjang litasan. Kerugian gesekan untuk perhitungan aliran didalam pipa pada umumnya dipakai persamaan Darcy-Weisbach :

Keterangan :

h_L         : kerugian gesekan dalam pipa/mayor losses (m)

f           : koefisien gesek

L          : panjang pipa (m)

                        D         : diameter dalam pipa (m)

                        V         : kecepatan aliran fluida (m/s)

                        g          : percepatan gravitasi (m/s²)

2.    Kerugian Akibat Perubahan Geometri/Luas Penampang (Minor Losses)

Minor losses merupakan kerugian yang disebabkan oleh gesekan aliran dalam pipa akibat perubahan luas penampang/geometri. Misalnya terjadi penyempitan luas penampang. Merupakan kerugian head pada fitting dan valve yang terdapat sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus :

dimana :

hlf  : Minor losses

n    : jumlah fitting/valve untuk diameter yang sama

k    : koefisien gesekan

V   : kecepatan rata-rata aliran

g   : percepatan gravitasi

Dalam menghitung kerugian pada fitting dan valve dapat menggunakan tabel pada lampiran 4. Besaran ini menyatakan kerugian pada fitting dan valve dalam ukuran panjang ekivalen dari pipa lurus.

3.    Total Losses

Total losses merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu :

Hls = hlp + hlf

atau

hl = f. .

hl         : Total losses.

hlp       : Jumlah mayor losses (kerugian gesekan dalam pipa).

hlf        : Jumlah minor losses (kerugian head pada fitting dan valve).

Le        : Panjang ekivalen dari fitting dan valve ditambah panjang pipa.

D.      Persamaan Osborn Reynold

Aliran  fluida  (cair  atau  gas)  dalam  saluran  tertutup   sangat  penting  dalam kehidupan  sehari-hari.  Pada  kenyataannya,  kecepatan  fluida  dalam  pipa bergantung  pada  jenis  alirannya.  Jenis  aliran  juga  mempengaruhi  dalam penentuan gaya friksi yang bekerja pada fluida.

Osborne   Reynolds   (1842-1912)  merupakan  orang  yang  pertama  kali membedakan  jenis  aliran,  yaitu  aliran  laminar  dan  aliran  turbulen.  Pada percobaan  ini  akan  diamatisifat  aliran  laminar,  turbulen,  dan  transisi  secara visualisasi  dan  teoritis.  Secara  visualisasi,  percobaan  dilakukan  cengan mengamati gerak zat warna dalam aliran pipa lurus yang akan menunjukan pola aliran tersebut. Zat warna yang dipakai adalah tinta. Jika tinta tersebut bergerak secara teratur dan mempunyai garis edar yang sejajar dan berlapis-lapis, maka aliran  tersebut  adalah  laminar.  Aliran  disebut  turbulen  jika  tinta  bergerak menyebar tidak menentu. Apabila terjadi perpindahan kondisi dari aliran laminar dan aliran turbulen, maka aliran tersebut adalah aliran transisi.

1.    Debit

Besarnya  debit yang  mengalir  merupakan  besarnya  volume  fluida  per satuan  waktu.  Perhitungannya  dapat  dilakukan  dengan  cara  mengukur volume fluida dalam gelas ukur pada selang waktu tertentu.

Q=Vt

Keterangan :

Q = debit aliran

V = volume fluida dalam gelas ukur

t  = waktu  pengukuran  selama  penampungan  fluida

dalam   gelas ukur

Fluida  yang  dialirkan menggunakan pompa sehingga  debit yang  keluar tidak sama dari waktu ke waktu, sehingga pengukuran dilakukan 3 kali kemudian dibuat rata-rata. Sebagai acuan, waktu pengukuran diambil tetap untuk debit yang sama.

Qrata-rata=V1+V2 +V3 t

Keterangan :

Qrata-rata           = debit aliran rata-rata

 V1, V2 , V3      = volume air pada pengukuran ke 1, 2, 3

 t                         = waktu pengukuran

2.      Persamaan Kontinuitas

Massa fluida yang bergerak tidak berubah ketika mengalir. Fakta ini membimbing kita pada hubungan kuantitatif penting yang disebut persamaan kontinuitas.

Gambar 6: Laju Aliran Massa

(lontar.ui.ac.id/opac/.../abstrakpdf.jsp?id)

Volume fluida yang mengalir pada bagian pertama, V­₁,  yang melewati luasan A₁ dengan laju v₁ selama rentang waktu ∆t adalah  A₁v₁ ∆t.  Dengan mengetahui hubungan Volume dan Massa jenis, maka laju aliran massa yang melalui luasan A₁ adalah:

Keadaan yang sama terjadi pada bagian kedua. Laju aliran massa yang melewati A₂ selama rentang waktu ∆t adalah:

Volume fluida yang mengalir selama rentang waktu ∆t pada luasan A₁ akan memiliki jumlah yang sama dengan volume yang mengalir pada A₂.  Dengan demikian:

Atau

ρ.A.V = konstan (tetap)

3.      Bilangan Reynold

Bilangan Reynolds adalah suatu bilangan tak berdimensi yang digunakan untuk menentukan jenis aliran, apakah aliran itu tergolong aliran laminar atau aliran turbulent. Hal ini dikemukakan oleh Osborne Reynolds pada tahun 1883.

Bilangan Reynolds adalah perkalian dari massa jenis aliran dengan kecepatan aliran dan diameter penampang yang kemudian dibagi dengan viskositas dinamis.

Bilangan Reynolds sangat dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida dan kekentalan fluida.  Bilangan Reynolds terbagi dua, yaitu :

a.    Internal flow

Merupakan aliran fluida yang mengalir di dalam pipa. Untuk aliran internal, jenis aliran yang terjadi dapat diketahui dengan mendapatkan bilangan Reynoldnya dari persamaan:

Keterangan :           Re = Bilangan Reynold

                          V = Kecepatan Fluida  

                          D = Diameter pipa/saluran

                          v  = Viskositas Kinematis

b.    Eksternal Flow

Adalah aliran fluida diluar atau aliran fluida yang mengalir pada permukaan suatu benda. Untuk menentukan jenis aliran, dapat diketahui dengan menentukan nilai bilangan Reynoldsnya dengan persamaan :

Keterangan :           Re = Bilangan Reynold

                          V = Kecepatan Fluida  

                          L = Panjang Karakteristik benda

                          v  = Viskositas Kinematis

Bukti Reynold tidak memiliki satuan :

                         Re  = 

                         Re =  =

Batasan bilangan Reynolds :

Untuk aliran internal

Turbulent    :           Re > 4500

Laminar      :           Re < 2300

Transisi       :           2300 < Re < 4500

Untuk aliran eksternal

Turbulen     :           Re  > 1000000

Laminar      :           Re  < 5.

Transisi       :           500000 < Re < 1000000

E.       Perbedaan Fan Dan Blower

1.    Fan

Hampir kebanyakan pabrik menggunakan fan  untuk ventilasi dan untuk proses industri yang memerlukan aliran udara. Sistim fan penting untuk menjaga pekerjaan proses industri, dan terdiri dari sebuah fan, motor listrik, sistim penggerak, saluran atau pemipaan, peralatan pengendali aliran, dan peralatan penyejuk udara (filter, kumparan pendingin, penukar panas, dll.)

Jenis-jenis Fan :

Terdapat dua jenis fan. Fan sentrifugal menggunakan impeler berputar untuk menggerakan aliran udara. Fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan.

a.    Fan sentrifugal

Fan sentrifugal meningkatkan kecepatan aliran udara dengan impeler berputar. Kecepatan meningkat sampai mencapai ujung blades dan kemudian diubah ke tekanan. Fan ini mampu menghasilkan tekanan tinggi yang cocok untuk kondisi operasi yang kasar, seperti sistim dengan suhu tinggi,

b.    Fan Aksial

Fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan. Cara kerja fan seperti impeler pesawat terbang: blades fan menghasilkan pengangkatan aerodinamis yang menekan udara. Fan ini terkenal di industri karena murah, bentuknya yang kompak dan ringan. Jenis utama fan dengan aliran aksial (impeler, pipa aksial dan impeler aksial).

2.    Blower

Blower adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan angin kencang untuk keperluan manusia. Alat ini hampir mirip dengan kipas angin hanya saja alat ini menghasilkan angin yang jauh lebih kencang dibandingkan dengan kipas angin. Alat ini berbentuk bulatan dengan terdapat kipas didalamnya dan ada lubang kecil untuk mengeluarkan angin yang dihasilkan. Walaupun alat ini merupakan alat yang modern, tapi kita tidak akan mudah menemuinya di sembarang tampat. Salah satu tempat dimana kita bisa menemui alat blower adalah dalam industri pande besi. Dalam industri pande besi blower ini berguna untuk meniup api yang ada dalam prapen. Sehingga akan menghasilkan api yang membara untuk proses pembakaran besi. Dulu sebelum adanya alat blower ini, industri pande besi hanya menggunakan ubub untuk meniup api dalam prapen. Dengan adanya alat blower ini, industri pande besi bisa menghemat tenaga dan waktu untuk pembakaran besi. Namun alat ini juga memakan listrik yang lumayan besar. Sehingga industri juga harus menyisihkan beberapa pendapatan untuk listrik. Alat blower ini sekarang merupakan bagian penting dalam industri pande besi Blower dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi daripada fan, sampai 1,20 kg/cm2. Dapat juga digunakan untuk menghasilkan tekanan negatif untuk sistim vakum di industri.

Gambar 7: Blower

(http://www.labds.com/products/laboratory-blowers-ducting/)

Jenis –jenis blower :

a.    Blower sentrifugal

Blower sentrifugal terlihat lebih seperti pompa sentrifugal daripada fan. Impelernya digerakan oleh gir dan berputar 15.000 rpm. Pada blower multi-tahap, udara dipercepat setiap melewati impeler. Pada blower tahap tunggal, udara tidak mengalami banyak belokan, sehingga lebih efisien. Blower sentrifugal beroperasi melawan tekanan 0,35 sampai 0,70 kg/cm2, namun dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi. Satu karakteristiknya adalah bahwa aliran udara cenderung turun secara drastis begitu tekanan sistim meningkat, yang dapat merupakan kerugian pada sistim pengangkutan bahan yang tergantung pada volum udara yang mantap. Oleh karena itu, alat ini sering digunakan untuk penerapan sistim yang cenderung tidak terjadi penyumbatan.

Gambar 8: Blower Sentrifugal (FanAir Company)

(www.cincinnatifan.com/centrifugal-fans-blowers.html)

b.    Blower jenis positive-displacement

Blower jenis positive displacement memiliki rotor, yang "menjebak" udara dan mendorongnya melalui rumah blower. Blower ini me nyediakan volum udara yang konstan bahkan jika tekanan sistimnya bervariasi. Cocok digunakan untuk sistim yang cenderung terjadi penyumbatan, karena dapat menghasilkan tekanan yang cukup (biasanya sampai mencapai 1,25 kg/cm2) untuk menghembus bahan-bahan yang menyumbat sampai terbebas. Mereka berputar lebih pelan daripada blower sentrifugal (3.600 rpm) dan seringkali digerakkan dengan belt untuk memfasilitasi perubahan kecepatan.

Gambar 9: Jenis Positive-Displacement

(http://www.scribd.com/doc/98399314/Blower-Dan-Kipas-Sentrifugal)

F.       Hukum-Hukum Yang Berlaku

1.    Hukum Newton

Hukum Newton adalah tiga hukum fisika yang menjadi dasar mekanika klasik. Hukum ini menggambarkan hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya. Hukum Newton dibedakan atas 3 hukum yaitu :

a)                  Hukum Newton I

Setiap benda akan tetap

       Gambar 10: Isaac Newton

(http://id.wikipedia.org/wiki/Isaac Newton)

bergerak lurus beraturan atau tetap dalam keadaan diam jika ada resultan, gaya (F) bekerja pada benda itu yaitu :

b)     Hukum Newton II

Menyatakan bahwa gaya sama dengan perbedaan momentum (massa dikali kecepatan) tiap perubahan waktu.

c)      Hukum newton III

Setiap aksi pasti terdapat reaksi yang searah dan berlawanan arah.

2.    Hukum archimedes

Hukum Archimedes mengatakan bahwa "Jika suatu benda dicelupkan ke dalam sesuatu zat cair, maka benda itu akan mendapat tekanan keatas yang sama besarnya dengan beratnya zat cair yang terdesak oleh benda tersebut".

            Gambar 11 : Archimedes

(http://id.wikipedia.org/wiki/Archimedes)

Keterangan : 

FA         = Tekanan Archimedes (N/m³)

ρ             = Massa Jenis Zat Cair (Kg/ m³)

g             = Gravitasi (N/Kg)

V            = Volume Benda Tercelup (m³)

3.    Hukum Pascal

Hukum Pascal menyatakan bahwa “tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup dteruskan ke segala arah dengan sama besar”. Perbedaan tekanan karena perbedaan kenaikan zat cair diformulakan sebagai berikut:

           Gambar 12: Blaise Pascal

(http://id.wikipedia.org/wiki/Blaise Pascal)

Dimana :

ΔP  : tekanan hidrostatik (Pa)

ρ     : kepekatan zat cair (kg/m³)

g     : kenaikan permukaan laut terhadap gravitasi bumi (m/s²)

­­_­ΔH : perbedaan ketinggian fluida (m)

4.    Hukum Bernoulli

Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Prinsip ini diambil dari nama ilmuwan Belanda/Swiss yang bernama Daniel Bernoulli. Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli; yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible

Gambar 13: Daniel Bernoulli

(http://id.wikipedia.org/wiki/Daniel_Bernoulli)

flow), dan yang lain adalah untuk fluida termampatkan (compressible flow).

a.    Aliran Tak-termampatkan

Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:

di mana:

v = kecepatan fluida

g = percepatan gravitasi bumi

h = ketinggian relatif terhadap suatu referensi

p = tekanan fluida

ρ = densitas fluida

Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut:

1.    Aliran bersifat tunak (steady state)

2.    Tidak terdapat gesekan (inviscid)

Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:

b.    Aliran Termampatkan

Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida termampatkan adalah: udara, gas alam, dll. Persamaan Bernoulli untuk aliran termampatkan adalah sebagai berikut:

dimana:

= energi potensial gravitasi per satuan massa; jika gravitasi konstan maka 

  = entalpi fluida per satuan massa

Catatan: , di mana  adalah energi termodinamika per satuan massa, juga disebut sebagai energi internal spesifik.

5.    Persamaan Kontiunitas

Massa fluida yang bergerak tidak berubah ketika mengalir. Fakta ini membimbing kita pada hubungan kuantitatif penting yang disebut persamaan kontinuitas.

Gambar 14: Laju Aliran Massa

(lontar.ui.ac.id/opac/.../abstrakpdf.jsp?id)

Volume fluida yang mengalir pada bagian pertama, V­₁,  yang melewati luasan A₁ dengan laju v₁ selama rentang waktu ∆t adalah  A₁v₁ ∆t.  Dengan mengetahui hubungan Volume dan Massa jenis, maka laju aliran massa yang melalui luasan A₁ adalah:

Keadaan yang sama terjadi pada bagian kedua. Laju aliran massa yang melewati A₂ selama rentang waktu ∆t adalah:

Volume fluida yang mengalir selama rentang waktu ∆t pada luasan A₁ akan memiliki jumlah yang sama dengan volume yang mengalir pada A₂.  Dengan demikian:

Atau

ρ.A.V = konstan (tetap)

G.      Prinsip Kerja Manometer Dan Tabung Pitot

1.    Manometer

Manometer adalah alat yang digunakan secara luas pada audit energi untuk mengukur perbedaan tekanan di dua titik yang berlawanan. Jenis manometer tertua adalah manometer kolom cairan . Versi manometer sederhana kolom cairan adalah bentuk pipa U (lihat Gambar 9) yang diisi cairan setengahnya (biasanya berisi minyak, air atau air raksa) dimana pengukuran dilakukan pada satu sisi pipa, sementara tekanan (yang mungkin terjadi karena atmosfir) diterapan pada tabung yang lainnya. Perbedaan ketinggian cairan memperlihatkan tekanan yang diterapan.

                                     (a)                            (b)                            (c)

Gambar 15: Manometer

(http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/ manometer/)

Prinsip kerja manometer adalah sebagai berikut:

Gambar a. Merupakan gambaran sederhana manometer tabung U yang diisi cairan setengahnya, dengan kedua ujung tabung terbuka berisi cairan sama tinggi.

Gambar b. Bila tekanan positif diterapan pada salah satu sisi kaki tabung, cairan ditekan kebawah pada kaki tabung tersebut dan naik pada sisi tabung yang lainnya. Perbedaan pada ketinggian , “h”, merupakan penjumlahan hasil pembacaan diatas dan dibawah angka nol yang menunjukan adanya tekanan.

Gambar c. Bila keadaan vakum diterapkan pada satu sisi kaki tabung, cairan akan meningkat pada sisi tersebut dan cairan akan turun pada sisi lainnya. Perbedaan ketinggian “h” merupakan hasil penjumlahan pembacaan diatas dan dibawah nol yang menunjukan jumlah tekanan vakum.

Ada tiga tipe utama manometer:

a.    Manometer satu sisi kolom yang mempunyai tempat cairan besar dari tabung U dan mempunyai skala disisi kolom sempit. Kolom ini dapat menjelaskan perpindahan cairan lebih jelas. Kolom cairan manometer dapat digunakan untuk mengukur perbedaan yang kecil diantara tekanan tinggi.

b.    Jenis membran fleksibel: jenis ini menggunakan defleksi (tolakan) membran fleksibel yang menutup volum dengan tekanan tertentu. Besarnya defleksi dari membran sesuai dengan tekanan spesifik. Ada tabel keterangan untuk menentukan tekanan perbedaan defleksi.

c.    Jenis Pipa koil: Sepertiga bagian dari manometer ini menggunakan pipa koil yang akan mengembang dengan kenaikan tekanan. Hal ini disebabkan perputaran dari sisi lengan yang disambung ke pipa.

(http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/ manometer/)

2.    Tabung Pitot

Tabung Pitot atau sering disebut pipa Pitot ini merupakan suatu peralatan yang dapat dikembangkan sebagai pengukur kecepatan gerak pesawat terbang. Melalui tabung ini umumnya dapat diketahui adalah kecepatan gerak pesawat terbang terhadap udara. Hal ini berarti apa yang terukur bukanlah kecepatan gerak terhadap kedudukan bumi. Oleh sebab itu untuk dapat mengukur kecepatan gerak pesawat terbang terhadap bumi, maka kecepatan udara harus dapat diketahui. Prinsip kerjanya tabung Pitot ini perhatikan gambar di bawah ini:

 

Gambar 16. Tabung/pipa Pitot

(http://alfiyanfaqih.blogspot.com/2011/04/hukum-bernoulli.html)

Adapun cara kerjanya dapat  dikemukakan sebagai berikut: apabila alat ini digerakkan dengan cepat sekali (diletakkan dalam badan pesawat terbang) ke arah kiri sehingga udara akan bergerak dalam arah yang sebaliknya yakni menuju arah kanan. Mula-mula udara akan masuk melalui lubang pertama, selanjutnya mengisi ruang tersebut sampai penuh. Setelah udara dapat mengisi ruang tersebut melalui lubang pertama dengan penuh maka udara tersebut akan dalam keadaan diam. Udara yang lewat lubang kedua akan selalu mengalir dan kecepatan udara yang mengalir melalui lubang pertama jauh lebih kecil daripada kecepatan pengaliran udaran yang melalui lubang kedua. Oleh sebab itu dapat dianggap v₁ = 0 dan perbedaan tekanan diketahui dari perbedaan tinggi permukaan air raksa dalam pipa U.

(http://alfiyanfaqih.blogspot.com/2011/04/hukum-bernoulli.html)

A.  Contoh Kasus Lapisan Batas

Sebagai contoh kasus pada aliran yang mengalir pada suatu sudu juga mengalami lapisan batas. Secara teoritis aliran yang mengalir adalah laminar secara keseluruhan. namun pada kenyataannya setiap aliran yang mendapatkan hambatan seperti gesekan permukaan maka akan mengalami tegangan geser dan diferensiasi kecepatan. dan jiak semakin banyak gangguan yang dialami maka alirannya akan terus berubah sehingga menyebabkan aliran turbulen.

Gambar : Lapisan Batas Pada Airfoil

(http://indrasakti.wordpress.diskusi-kelompok-boundary-layerlapisan-batas/)

Semakin banyaknya turbulen yang terjadi, maka lama kelamaan bisa menyebabkan vorteks. dimana vorteks ini merupakan fenomena alamiah penyebab terjadinya angin tornado.

Gambar : Arah Lapisan Batas Pada Airfoil

(http://indrasakti.wordpress.diskusi-kelompok-boundary-layerlapisan-batas/)

B.  Aplikasi Lapisan Batas

Lapisan Batas Pada Bola Golf Yang Bergerak

Kita sudah pasti tahu kalau bola golf itu permukaanya tidak rata alias cekung-cekung. Ternyata hal ini memiliki tujuan khusus, yaitu agar jarak yang ditempuh dapat lebih jauh. Menurut perancang bola golf, bola dengan permukaan yang rata hanya akan terlontar paling jauh sekitar 119 meter.

Bola golf serupa dengan cekungan-cekungan yang sesuai dapat mencapai dua kali lipat jarak itu. Cekungan tadi berguna untuk mengurangi daya hambat udara sehingga dapat memberi kemampuan pada bola golf untuk meluncur lebih jauh. Berikut penjelasan mekanismenya.

Gambar di atas membandingkan pola aliran udara untuk bola yang mulus (atas) vs bola yang bercekung (bawah) dalam gerakan horizontal. Dalam kasus sebuah bola dengan permukaan halus, aliran udara di lapisan tipis di sebelah bola tersebut (boundary layer) sangatlah halus.

Aliran jenis ini disebut laminer. Untuk sebuah bola dengan permukaan halus, boundary layer terpisah dari permukaan bola terlalu dini, sehingga menciptakan turbulen yang lebar di belakang bola. Turbulen ini menimbulkan gaya gesek yang besar pada bola.

Ketika cekungan-cekungan kecil ditambahkan ke permukaan bola, maka akan menciptakan turbulensi di dalam (boundary layer) itu sendiri. Turbulen dalam (boundary layer) ini memiliki lebih banyak energi daripada laminar boundary layer (lihat gambar di atas), sehingga aliran udara akan terpisah lebih lambat dibandingkan dengan bola yang mulus.

Jika aliran udara ini terpisah lebih lambat, maka lebar turbulen udara di belakang bola akan lebih sempit, dengan kata lain akan mengurangi gaya gesek terhadap bola, sehingga bola bercekung akan bergerak lebih jauh daripada bola yang mulus.

http://terselubung.blogspot.com/2010/04/fungis-permukaan-bola-golf-yang-banyak.html