## ANALISAPERHITUNGANWAKTU  PENGALIRAN AIR  DAN  SOLAR  PADA  TANGKI

## Nurnilam Oemiati
Staf Pengajar Jurusan Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Palembang Email: nurnilamoemiatie@yahoo.com

## Abstrak
Lubang  pada  tangki  empat  persegi  panjang  yang  terletak  di  dinding  maupun  di  dasar  tangki  berfungsi sebagai celah bukaan zat cair mengalir. Aliran yang melalui lubang mempunyai debit, kecepatan dan waktu alir. Bentuk lubang dan luas lubang dapat mempengaruhi besarnya debit, kecepatan dan waktu untuk mengalirkan zat cair.  Terkadang  kita  tidak  tahu  berapa  lama  waktu  yang  dibutuhkan  untuk  menunggu  sampai  bak  itu  kosong apalagi jika terjadi kebocoran.
Pada  penelitian  ini  digunakan  4  variasi  yaitu  zat  cair  berupa  air  yang  mengalir  melalui  bagian  samping bawah tangki dan bagian dasar tangki, serta solar yang mengalir dari bagian samping bawah tangki dan bagian dasar tangki. Lubang yang digunakan berbentuk lingkaran, yang memiliki masing-masing luas lubang yang sama yaitu 0,491 cm2. Ketinggian muka air 25 cm dan ketinggian tangki 30 cm. Waktu pengaliran dihitung lagsung dengan  menggunakan stopwatch .  Perbandingan  perhitungan  waktu  pengaliran  didapat  dengan  cara membandingkan hasil percobaan dengan hasil perhitungan secara teori.
Hasil penelitian disimpulkan bahwa waktu pengaliran masing-masing jenis zat cair air dan solar bernilai 15,38  detik  dan  17,59 detik  pada  posisi  lubang  terletak  di  bagian  dasar  tangki;  perbandingan  antara  percobaan dan perhitungan adalah 0,98. Nilai waktu pengaliran yang besar 35,03 detik dan 30,46 detik  untuk solar dan air pada  posisi  lubang  di  sisi  samping  tangki;  perbandingan  antara  percobaan  dan  perhitungan  adalah  0,96.    Air lebih evisien dibandingkan solar.
Kata kunci  : Tangki empat persegi panjang,zat cair,perhitungan waktu.

## PENDAHULUAN
Ketika  bak  penampung  yang  berisi  air hendak  dikuras  atau  dibersihkan  akan  memakan waktu  yang  tidak  sebentar,  terkadang  kita  tidak tahu  berapa  lama  waktu  yang  dibutuhkan  untuk menunggu  sampai  bak  itu  kosong  apalagi  jika terjadi kebocoran.
Maksud  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui  waktu  pengaliran  yang  diperlukan suatu  zat  cair  berupa  air  dan  solar  dalam  tangki, serta  seberapa  besar  pengaruh  variasi  posisi lubang  bocor.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah untuk membandingkan waktu aliran yang dibutuhkan  oleh  kedua  zat  cair  tersebut  untuk mengosongkan  tangki  dengan  lubang  berbentuk lingkaran  dengan  posisi  lubang  yang  berbeda. Sehingga  didapat  waktu  pengaliranyang  efisien. Bahan  yang  dipergunakan  adalah  air  dan  solar, tangki  berbentuk  empat  persegi  panjang  yang berlubang  bagian  samping  bawah  dan  dasar tangki.

## TINJAUAN PUSTAKA Aliran Melalui Lubang
Zat  cair  riil  didefinisikan  sebagai  zat  yang mempunyai  kekentalan,  berbeda  dengan  zat  cair ideal yang tidak mempunyai kekentalan.
Kekentalan disebabkan karena adanya sifat kohesi antara partikel zat cair. Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel dalam  medan  aliran.  Partikel  zat  cair  yang berdampingan  dengan  dinding  batas  akan  diam (kecepatan  nol)  sedang  yang  terletak  pada  suatu jarak  tertentu  dari  dinding  akan  bergerak. Perubahan  kecepatan  tersebut  merupakan  fungsi jarak dari dinding batas. Aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos.
Aliran  viskos  adalah  aliran  zat  cair  yang mempunyai kekentalan (viskositas), memberikaan sifat  air  (viskositas  kinematik)  pada  tekanan atmosfer  dan  beberapa  temperature.  Kekentalan adalah  sifat  zat  cair  yang  dapat  menyebabkan terjadinya  tegangan  geser  pada  waktu  bergerak. Tegangan  geser  ini  akan  mengubah  sebagian energi  aliran  dalam  bentuk  energi  lain  seperti panas, suara, dan sebagainya.

## Koefisien Aliran
Partikel  zat  cair  yang  mengalir  melalui lubang  (gambar  1)  berasal  dari  segala  arah. Karena  zat  cair  mempunyai  kekentalan  maka beberapa  partikel  yang  mempunyai  lintasan membelok  akan  mengalami  kehilangan  tenaga. Setelah  melewati  lubang  pancaran  air  mengalami
kontraksi,  yang  ditunjukkan  oleh  penguncupan aliran.  Kontraksi  maksimum  terjadi  pada  suatu tampang  sedikit  disebelah  hilir  lubang,  dimana pancaran  kurang  lebih  horisontal.  Tampang dengan  kontraksi  maksimum  tersebut  dikenal dengan vena kontrakta.
Gambar 1. Vena Kontra
Pada  aliran  zat  cair  melalui  lubang  Terjadi kehilangan tenaga menyebabkan beberapa parameter  aliran  akan  lebih  kecil  dibanding  pada aliran  zat  cair  ideal  yang  dapat  ditunjukkan  oleh beberapa  koefisien,  yaitu  koefisien  kontraksi, kecepatan, dan debit.
Koefisien kontraksi (Cc) adalah perbandingan  antara  luas  tampang  aliran  pada vena kontrakta (ac) dan luas lubang (a) yang sama dengan tampang aliran zat cair ideal.
Cc = Ac a ...................................................... ( 1 )
Koefisien  kontraksi  tergantung  pada  tinggi energi,  bentuk  dan  ukuran  lubang,  dan  nilai reratanya adalah sekitar Cc = 0,64.
Perbandingan antara kecepatan nyata aliran pada  vena  kontrakta  (Vc)  dan  kecepatan  teoritis (V) dikenal dengan koefisien kecepatan (Cv). Cv = Vc / V    ................................................. ( 2 )
Nilai  koefisien  kecepatan  tergantung  pada bentuk  dari  samping  bawah  lubang  (lubangtajam atau  dibulatkan)  dan  tinggi  energi.  Nilai  rerata dari koefisien kecepatan adalah Cv = 0,97.
Koefisien  debit  (Cd)  adalah  perbandingan antara debit nyata dan debit teoritis : Cd= Cv x Cc   ................................................. ( 3 )
Nilai  koefisien  debit  tergantung  pada  nilai Cc dan Cv yang nilai reratanya adalah 0,62.

## Lubang kecil
Gambar  2  menunjukkan  zat  cair  yang mengalir  melalui  lubang  kecil  dari  suatu  tangki. Pusat lubang terletak pada jarak H dari muka air. Pertama  kali  dianggap  zat  cair  adalah  ideal. Tekanan pada lubang adalah atmosfer.
Gambar 2. Tangki lubang kecil
Dengan menggunakan persamaan Bernoulli pada permukaan zat cair di kolam dan di lubang, kecepatan zat cair pada titik tersebut dapat dihitung :
z 1 + P 1 + V 1 2 / 2 g = z 2 + P 2 / γ + V 2 2 / 2 g Oleh  karena  kecepatan  di  titik  1  adalah  nol  dan tekanan di titik 1 dan C adalah atmosfer, maka: z 1 = z 2 + V 2 2 / 2 g V 2 = 2 g ( z 1 - z 2 ) = 2 g h atau V 2 = √2 g h .................................................. ( 4 ) Rumus  tersebut  menunjukkan  kecepatan aliran teoritis pada zat cair ideal. Pada zat cair riil, terjadi  kehilangan  tenaga  yang  disebabkan  oleh kekentalan  (adanya  vena  kontrakta).  Untuk  itu perlu  dimasukkan  koefisien  kecepatan  (Cv), sehingga :
𝑉 𝑐 = 𝐶 𝑣 𝑉 2 = 𝐶 𝑣 √2 𝑔 ℎ ................................. ( 5 ) Maka debit aliran menjadi :
Q = Ac Vc = Cc a Cv √2 𝑔 ℎ ..................... ( 6 )
atau
Q = Cd a √2 𝑔 ℎ .......................................... ( 7 )

## Lubang Besar
Dipandang  lubang  besar  berbentuk  segi empat dengan lebar b dan tinggi d yang  melewatkan  debit  aliran  secara  bebas  ke udara  luar  (tekananatmosfer).  Elevasi  permukaan zat cair di dalam kolam adalah konstan sebesar H dari  sumbu  lubang.  Distribusi  kecepatan  pada vena  kontrakta  Cc  adalah  sebanding  dengan  akar kedalaman pada setiap titik.
a C Vena Kontrakta ( Ac ) Vc H X a C d c C C H 2 H 1 H d b c B
Debit  aliran  melalui  lubang  besar  dapat  dihitung dengan memandang aliran melalui  suatu  elemen  kecil  dengan  lebar  b  dan tinggi data hujan yang berada pada kedalaman  h  dari  permukaan  zat  cair.  Kecepatan aliran melalui elemen tersebut adalah :
V = Cv √2 𝑔 ℎ ........................................... ( 8 )
Debit aliran melalui elemen adalah :
dQ = Cd b dH √2 𝑔 ℎ .................................... ( 9 )
Gambar 4. Tangki lubang bulat
Ambil elemen d’ , tebalnya dx Luas elemen = dA = d’. dx dengan d’ = 2 √ ( 1/ 2 d ) 2 - 𝑥 2 Jadi, dA = 2 √ ( 1/ 2 d ) 2 - 𝑥 2 . dx Kecepatan zat cair pada elemen = V = Cv √ 2g ( H – x ) Rumus  yang  dipakai  untuk  menghitung  debit aliran  lubang  yang  berbentuk  lingkaran  dengan diameter d adalah :
Q = Cd . 1 4 ⁄  𝜋 𝑑 2 . √2 𝑔 ℎ ......... ( 10 )

## Lubang Terendam
Apabila  permukaan  zat  cair  berada  di  atas lubang, maka lubang disebut terendam. Gambar 5 menunjukkan  lubang  terendam  dimana  elevasi permukaan  zat  cair  disebelah  hulu  dan  hilir terhadap sumbu lubang adalah H 1 dan H 2 .
Dengan menggunakan persamaan Bernoulli antara  titik  1  dan  2  yang  berada  pada  sumbu lubang, maka : 𝑧 1 + 𝑃 1 / γ + 𝑉 1 2 / 2 g = z2 + P2 / 𝛾 + 𝑉 2 2 / 2 g...( 11 )
dikarenakan : 𝑧 1 = 𝑧 2 . 𝑣 1 , P1 / 𝛾 = H1, dan P2 / 𝛾 = H2 Maka :
H1 + 0 = H2 + 𝑉 2 2 / 2 g Atau : V 2 = √2 𝑔( 𝐻1 − 𝐻2)
Debit nyata aliran melalui lubang adalah :
Q = Cd . a . √2 𝑔( 𝐻1 − 𝐻2) atau
Q = C d a √2 𝑔𝐻 dengan : Cd =  koefisien debit a    = luas tampang lubang
H      =  selisih  elevasi  muka  air  di  hulu  &  hilir lubang g    = gravitasi ( 9,81 )
Koefisien  kontraksi  dan  koefisien  debit  lubang terendam  dapat  dianggap  samadengan  lubang bebas.

## Gambar 5. Tangki lubang terendam

## Waktu Pengosongan Tangki
Dipandang  suatu  tangki  dengan  tampang lintang  A  yang  mengalirkan  zat  cair  melalui lubang  dengan  luas  a  yang  terletak  pada dasarnyaseperti ditunjukkan dalam gambar 6.
Gambar 6. Tangki lubang di dasar
Gambar 7. Tangki lubang samping bawah Pada  suatu  saat  permukaan  zat  cair  di  dalam tangki  pada  ketinggian  h  di  atas  lubang. Kecepatan aliran pada saat tersebut adalah :
V = Cv √2 𝑔 ℎ , dan debit aliran Q = C d D √2 𝑔𝐻 Dalam  suatu  interval  waktu dt volume  zat  cair yang  keluar  sebesar dh, sehingga  pengurangan volume zat cair di dalam tangki adalah :
dV = - A dh
Tanda  negatif  menunjukkan  adanya  pengurangan volume  karena  zat  cair  keluar  melalui  lubang. Dengan  menyamakan  kedua  bentuk  perubahan volume  zat  cair  tersebut,  maka  di  dapat  bentuk berikut ini :
- A dh = C d D √2 𝑔𝐻 dt
H d x d d H 1 H 2 H 1 2 H H 1 d d h d H H 1 d h
Atau
T = 2 A  H 1 2 C d a √2 gH ῤ .............................. ( 13 )

## METODOLOGI PENELITIAN

## Alat dan bahan
Peralatan  dan  bahan  yang  digunakan  adalah sebagai berikut:
1. Kotak  kaca  dengan  panjang  20  cm,  lebar  20 cm, dan tinggi 30 cm.
2. Mistar atau meteran.
3. Stopwatch.
4. Ember  atau  bak    penampungan  untuk menampung air.
5. Air
6. Solar

## Pelaksanaan dan Pengamatan

## Mengisi Zat Cair Pada Tangki
Zat  cair  yang  dituangkan  kedalam  tangki yang  mula-mula  adalah  air,  pada  pelaksanaan penelitian  yang  ke  dua  mengganti  air  dengan solar.  Saat  pengisian  kondisi  lubang  yang  berada di  dasar  maupun  yang  berada  di  bagian  samping bawah  dalam  keadaan  tertutup.  Ketinggian permukaan zat cair ditentukan 25 cm.

## Membuka Penutup Lubang Pada Tangki
Tahap selanjutnya membuka penutup lubang  pada  tangki.  Lubang  tangki  yang  pertama
dibuka boleh pada bagian samping bawah ataupun di  dasar  tangki,  tergantung  lubang  yang  mana akan  diteliti  terlebih  dahulu.  Saat  membuka penutup  lubang  pada  tangki,  pastikan  bahwa ember  atau  bak  penampungan  zat  cair  yang mengalir,  sudah  terpasang  tepat  di  dasar  lubang tangki  yang  akan  dibuka,  ember  atau  bak  yang dipakai  harus  dapat  menampung  debit  zat  cair yang mengalir.

## Mencatat Waktu Pengaliran Zat Cair
Pada  saat  membuka  penutup  lubang, pengukuran  waktu  pengaliran  zat  cair  dimulai sampai  tangki  benar-benar  kosong.  Selanjutnya dilakukan pengukuran untuk zat cair berupa solar dengan posisi lubang di dasar tangki.
Setelah  pelaksanaan  pengukuran  posisi lubang  di  dasar  selesai  dilanjutkan  dengan pengukuran  posisi  lubang  berada  di  samping bawah  tangki.  Begitu  juga  dengan  zat  cairnya mula-mula  dengan  air  kemudian  dengan  solar. Prosedur pelaksaannya sama dengan posisi lubang berada di dasar tangki. Selanjutnya data-data yang didapat  dimasukkan  kedalam  tabel  yang  telah disiapkan.

## ANALISA DAN PEMBAHASAN Debit aliran dan debit teoritis
Luas lubang  (a)  = 1/4 π d 2 = ¼ x 3,14 x2,5 2 =  4,90625 cm 2
Debit aliran (Q)  =  (Cv x Cc) . a √2gH =  0,62 x 0,109=  0,06758 m 3 / d

## Tabel 1.Hasil Pengamatan dan Pengukuran
Pengamatan Posisi Lubang Jenis Zat Cair Tinggi Muka Air (H) ( 𝐜𝐦 𝟐 ) Diameter lubang (cm) Luas  Lubang ( 𝐜𝐦 𝟐 ) Waktu Pengaliran (detik) I Sisi samping Air 25 2,5 4,90625 30,46 Solar 25 2,5 4,90625 35,03 II Dasar Tangki Air 25 2,5 4,90625 15,38 Solar 25 2,5 4,90625 17,59
Dari hasil pengamatan dan pengukuran langsung diketahui bahwa waktu pengaliran zat cair dari bahan air  pada  posisi  lubang  berada  di  dasar  tangki  mempunyai  nilai  15,38  detik.  Nilai  ini  lebih  kecil  bila dibandingkan  dengan  bahan  yang  sama  namun  berbeda  letak  posisi  lubang.  Ini  berarti  bahwa  air  mengalir lebih cepat dibandingkan dengan bahan yang sama namun berbeda lokasi lubang.
Tabel 2. Hasil Perhitungan Debit Aliran (Q)
No Posisi Lubang Jenis Zat Cair Luas Lubang (a) ( 𝐜𝐦 𝟐 )
Tinggi Muka Air (H) (cm) Debit Teoritis (Qt) (𝐦 𝟑 /𝐝) Koefisien
Debit (Cd)
Debit Aliran (Q)
(𝐦 𝟑 /𝐝) 1 Sisi Tangki Air 4,90625 25 0,109 0,62 0,06758 Solar 4,90625 25 0,109 0,62 0,06758 2 Bawah Tangki Air 4,90625 25 0,109 0,62 0,06758 Solar 4,90625 25 0,109 0,62 0,06758
Dari  tabel  2  dapat  dilihat  bahwa  debit  aliran  secara  teoritis  nilainya  lebih  besar  bila  dibandingkan dengan nilai debit aliran untuk setiap variasi bahan maupun letak posisi lubangnya.
.
Tabel 3. Hasil Perhitungan Waktu Pengaliran (T) No Posisi Lubang Jenis Zat Cair Luas Lubang (a) ( 𝐦 𝟐 ) Tinggi Muka Air (H) (m) Luas Tangki (A) ( 𝐦 𝟐 ) Koefisien Debit (Cd) Waktu Pengaliran (T) (detik) 1 Sisi Tangki Air 0,490625 0,25 4 0,62 29,67 Solar 0,490625 0,25 4 0,62 34,19 2 Bawah Tangki Air 0,490625 0,25 4 0,62 14,84 Solar 0,490625 0,25 4 0,62 17,19
Hasil  perhitungan  waktu  pengaliran  dari  empat  variasi  terlihat  bahwa  waktu  pengaliran  bahan  air  dengan posisi lubang berada di bagian dasar tangki mempunyai nilai yang lebih kecil yang berarti air mengalir lebih cepat jika dibandingkan dengan bahan solar yang juga letak posisi lubangnya berada di bagian dasar tangki. Hal  ini  disebabkan  karena  viskositas  atau  kekentalan  dari  air  lebih  kecil  dibandingkan  dengan  kekentalan dari solar yang lebih besar.
Tabel 4. Rekapitulasi Hasil Penelitian dan Perhitungan Waktu Pengaliran Zat Cair
Melalui Lubang Berbentuk Lingkaran No Posisi Lubang Jenis Zat Cair Koefisien Debit (Cd) Waktu Pengaliran (T) Berdasarkan Penelitian (detik) Perhitungan (detik) 1 Sisi Tangki Air 0,62 30,46 29,67 Solar 0,62 35,03 34,19 2 Bawah Tangki Air 0,62 15,38 14,84 Solar 0,62 17,59 17,09 Debit Teoritis (Qt) =  a.v  = 𝑎√2gH
=  4,90625x √2 x 9,81 x 25 =   4,90625x  22,15=  108,67 cm 3 / d =  0,109 m 3 / d Koefisien Debit (Cd)  = Q Qt = 0,06758
0,109 = 0,62

## Waktu Pengaliran (T)
Perhitungan untuk ke empat variasi pengaliran  mempunyai  dimensi  yang  sama  yaitu luas tangki A =  P x L=  2  m x 2 m=  4 m 2 , luas lubang alir (a) = 0,0491 m 2 dan kedalaman air awal H = 0,25 m.
1. Zat  cair  berupa  air  dengan  posisi  lubang  di samping bawah tangki:
Waktu aliran melalui lubang,
T = 2 A  H 1 2
(Cd  x a√2g) x ῤ
= 2 x 4 x 0,25 1 2 (0,62 𝑥 0,0491 x √2 x 9,81) x 1
= 4
0,1348 = 29,67 detik
2. Zat  cair  berupa  air  dengan  posisi  lubang  di dasar tangki.
Waktu aliran melalui lubang,
T = 2 A  H 1 2 (Cd x a√2g )x ῤ
= 2 x 4 x 0,25 1
2
(0,62 𝑥 0,491x √2 x 9,81)x0,87
= 4 0,117, = 34,19 detik
3. Zat  cair  berupa  solar  dengan  posisi lubang  di samping bawah tangki.
Waktu aliran melalui lubang,
T = A  H 1 2
(Cd x a √2g)x ῤ
= 4 x 0,25 1 2
(0,62 𝑥 0,0491 x √2 x 9,81) x 1
= 2 0,1348 = 14,84 detik
4. Zat  cair  berupa  solar  dengan  posisi lubang  di dasar tangki.
Waktu aliran melalui lubang,
T = A  H 1 2 (Cd x a√2g )x ῤ = 2 0,117 = 17,09 detik
Gambar 8. Grafik Hasil Perhitungan Debit Aliran
Gambar 9. Grafik Waktu Pengaliran (Cd)
Gambar 10. Grafik Koefisien Debit Pengaliran (Cd)
0,06758 0,06758 0,06758 0,06758 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Air Solar Air Solar Sisi Tangki Bawah Tangki Q M 3 /d et ik Jenis Zat Cair 29,67 34,19 14,84 17,09 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Solar Air Solar Sisi Tangki Bawah Tangki T D et ik Jenis Zat Cair 0,62 0,62 0,62 0,62 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Air Solar Air Solar Sisi Tangki Bawah Tangki Ko ef isi en D eb it A li ra n ( C d ) Jenis Zat Cair
Gambar 11. Grafik Waktu Aliran terhadap Jenis Zat Cair Berdasarkan perhitungan dan penelitian

## Simpulan
Dari  hasil  analisa  dapat  disimpulkan  sebagai berikut ini.
1. Selisih  waktu  pengaliran  (T)  hasil  penilitian dan perhitungan secara teoritis adalah :
a. Posisi lubang di dasar tangki:
Air15,38 detik.
Solar 17,59 detik.
b. Posisi lubang di samping bawah tangki: Air 30,46 detik.
Solar 35,03 detik.
2. Variasi zat cair dan posisi lubang menyebabkan waktu pengaliran yang berbeda- beda,  menunjukkan  efisiensi  dari  keempat penilitian masing-masing.
3. Jenis zat cair solar waktu pengalirannya lebih lama  karena  adanya  perbedaan  viskositas dengan air.
4. Waktu pengaliran zat cair pada lubang bagian dasar tangki lebih cepat dibandingkan dengan lubang  bagian  samping  bawah  tangki,  karena langsung  mengikuti  gaya  gravitasi  yang langsung tegak lurus kebawah.

## PUSTAKA
Chow,  Van  Te    Ph.  D  ..1985.  Hidrolika  Saluran Terbuka. Jakarta : Penerbit Erlangga
Robert  J.  Kodoatie.  2009.  Hidraulika  Terapan  ( Edisi Revisi ). Yogyakarta : Penerbit Andi
Triatmodjo, Prof. Bambang. 2011. Soal
Penyelesaian  Hidraulika  I.  Yogyakarta  :
Penerbit Beta Offset
29,67 34,19 14,54 17,09 30,46 35,03 15,38 17,59 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Solar Air Solar
Sisi Tangki
Bawah Tangki W a k tu Ali ra n Z a t Ca ir Jenis Zat Cair Perhitungan Penelitian