Review Kuliah Hidrodinamika 1

Review Kuliah Hidrodinamika 1

Mata kuliah berada pada semester 4 dalam kurikulum jurusan, namun saya “dipaksa” oleh dosen wali untuk mengambil pada semester 3. Perasaan pada saat itu cukup bimbang, maklum saya sendirian dari angkatan 2010 yang mengambil mata kuliah ini, selain itu pesertanya adalah para senior.

Dosen pengajar Hidrodinamika waktu itu adalah Bapak Sujantoko ST. MT dan Dr. Ir. Wisnu Wardhana SE. MSc. Setengah semester pertama bapak Sujantoko yang memberi kuliah. Kemudian sisanya diajar oleh dosen yang akrab dipanggil Pak Wisnu.

Awal masuk kuliah kami langsung diberi tugas baca untuk mereview mata kuliah Mekanika Fluida dan Kalkulus. Selanjutnya materi yang diajarkan adalah lebih banyak mengenai Teori Gelombang Laut (ocean wave theory).

Oke let’s discuss about the topic!.

Banyak orang salah mengartikan tentang gelombang. Bahwa saat gelombang bergerak air juga bergerak. Namun tidaklah demikian, gelombang adalah energy yang bergerak melalui suatu medium (pada kasus ini mediumnya air). Sedangkan arus adalah proses pergerakan massa (air) yang menyebabkan perpindahan horizontal dan/atau vertikal. Gelombang di laut dibangkitkan oleh angin bahasa kerennya wind generate wave. Gelombang di laut bergerak sebagai fungsi waktu (t) dan posisi (x). Progressive wave adalah istilah untuk menyebut gelombang yang bergerak seperti gelombang laut.

Teori gelombang adalah formulasi pendekatan dari gelombang yang terjadi sebenarnya. Teori gelombang mendeskripsikan fenomena alam dengan yang memenuhi suatu asumsi tertentu. Teori gelombang mungkin tidak valid/salah dalam mendeskripsikan fenomena lain yang tidak memenuhi asumsi tersebut (CERC, 2007). Sebelum belajar Teori gelombang, wajib dipahami terlebih dahulu mengenai besaran/karakteristik gelombang, yaitu: 

Tinggi Gelombang/wave height (H), merupakan jarak vertical dari lembah gelombang (trough) ke puncak gelombang (crest)

Periode Gelombang/wave period (T), merupakan waktu yang ditempuh untuk mencapai satu panjang gelombang.

Amplitude Gelombang/wave amplitude (A), diukur dari permukaan air tenang (Still Water Level / SWL) ke puncak gelombang atau dari SWL ke lembah gelombang.

Panjang Gelombang/wave length (L), yaitu jarak horizontal dari puncak gelombang ke puncak berikutnya.

Angka Gelombang/ wave number (k), didefinisikan sebagai 2*pi/L

Kecepatan Gelombang/ wave celerity (C). Kecepatan gelombang  menjalar, didefinisikan L/T

Macam-macam teori gelombang laut antara lain:

A. Teori Gelombang Linear

Gelombang dikategorikan linear artinya puncak dan lembah gelombang memiliki amplitudo yang sama atau sinusoidal dengan SWL sebagai acuannya.

1. Teori Gelombang Airy

Teori gelombang yang paling sering digunakan dalam menghitung beban gelombang (wave load) yang terjadi pada struktur. Teori Gelombang Airy juga bisa disebut dengan teori gelombang amplitude kecil, bahwa asumsi tinggi gelombang adalah sangat kecil jika dibandingkan terhadap panjang gelombang atau kedalaman laut.

Periode gelombang diasumsikan sebagai variable konstan yang tidak berubah terhadap waktu. Jadi jika dilaut diukur periode gelombang adalah 10 detik, maka periodenya akan tetap 10 detik selama gelombang tersebut menjalar.

Nama Teori Gelombang Airy merupakan penghargaan kepada Sir. George Biddell Airy (1845) atas dedikasinya yang menemukan teori gelombang ini.

Gelombang Linear yang sering diidealisasikan sebagai teori gelombang aplitudo kecil (airy) menggunakan 2 parameter nondimensional, yaitu wave stepness (H/L)dan relative depth (d/L) . Wave Stepness ataukecuraman gelombang adalah perbandingan antara tinggi gelombang dibagi dengan panjang gelombang. Harga wave stepness yang besar menyebabkan teori gelombang Airy tidak valid digunakan. Sedangkan relative depth atau kedalaman relatif adalah perbandingan kedalaman dibagi panjang gelombang. Kedalaman relatif menentukan apakah gelombang terdispersi atau tidak dan menentukan apakah kecepatan gelombang menjalar, panjang dan tinggi gelombang dipengaruhi oleh kedalaman.

Berdasarkan kedalaman relatif (d/L) didefinisikan kondisi dari gelombang yang terjadi, yaitu diklasifikasikan menjadi 3 kondisi, Shallow Water, Transitional dan Deep Water.

1. Gelombang di Laut Dangkal (Shallow Water) jika                    d/L ≤ 1/25
2. Gelombang di Laut Transisi (Transitional )jika              1/25 < d/L < 1/2
3. Gelombang di Laut Dalam (Deep Water) jika                            d/L ≥ 1/25

Hal inipenting karena persamaan yang digunakan akan berbeda pada setiap kondisi. Berikut rangkuman dari teori gelombang Linear Airy.

B. Teori Gelombang Non linear

Gelombang non linear artinya amplitude gelombang pada puncak dan lembah besarnya berbeda, dengan acuan dari SWL (Still Water Level).

1. Teori Gelombang Stokes

Stokes (1847, 1880) mengembangkan formulasi dari teori gelombang Airy yang mengasumsikan tinggi gelombang adalah sangat kecil jika dibandingkan dengan panjangnya atau kedalamannya. Apabila tinggi gelombang relative besar, maka digunakan teori gelombang yang memiliki orde lebih tinggi, yaitu teori gelombang Stokes atau teori gelombang lain. Teori gelombang stokes dapat bervariasi sesuai tinggi orde yang digunakan. Semakin tinggi orde semakin banyak suku ‘tambahan” pada formula besaran2 gelombang. Teori gelombang stokes orde 2, orde 3, orde 4, orde 5 dan seterusnya.

 

C.  Teori Gelombang Lain

1. 1. Teori Gelombang Soliter, atau teori gelombang tunggal yaitu gelombang yang terdiri dari satu puncak gelombang. Apabila gelombang memasuki perairan dangkal maka amplitudo gelombang menjadi  semakin tinggi. Puncaknya menjadi tajam dan lembahnya datar.
   2. Teori Gelombang Cnoidal, merupakan teori gelombang untuk gelombang yang bersifat periodik dengan  puncak tajam dan dipisahkan oleh lembah yang panjang.

Perbandingan teori gelombang diatas adalah semakin tinggi ordenya maka puncak gelombang akan semakin curam dan lembah gelombang semakin landai. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut.

Gelombang yang terjadi di laut lepas kenyataannya adalah gelombang irregular (acak). Namun untuk memudahkan perhitungan dapat digunakan teori gelombang diatas.

Nah! sekarang pertanyaanya, teori gelombang mana yang saya dipakai? Untuk menjawabnya kita perlu melakukan validasi teori gelombang mana yang cocok/sesuai digunakan dengan kondisi yang ada. Oleh karena itu  digunakan Grafik Region of Validity sebagai acuan.

Jika diketahui besarnya tinggi gelombang H, periode gelombang T, dan kedalaman laut d, maka kita dapat menggunakan grafik diatas. Caranya dengan menghitung dimensionless parameter d/gT² dan H/gT² kemudian tarik garis horizontal ke kanan dari nilai H/gT² dan tarik garis vertical ke atas dari d/gt². Titik Perpotongan dari kedua garis diatas akan berada dalam daerah teori gelombang yang cocok digunakan.

Dimensionless parameter adalah parameter tak berdimensi atau tidak memiliki satuan yang sering digunakan dalam dunia teknik pantai. Parameter ini menghubungkan antara satu variable dengan variable lain melaui grafik atau rumus pada umumnya.