BAB II Tinjauan Pustaka G06dpa-4 PDF [PDF]

Citation preview

1



I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Angin merupakan salah satu unsur meteorologi yang memiliki peranan penting dalam menentukan kondisi cuaca dan iklim disuatu tempat. Angin dapat dibatasi sebagai gerakan horizontal udara relatif terhadap permukaan bumi. Batasan ini berasumsi bahwa seluruh gerakan udara secara vertikal kecepatannya dapat diabaikan karena relatif rendah yaitu < 1 ms-1 (June, 1993). Untuk mendapatkan data pengukuran kecepatan angin yang akurat diperlukan suatu alat ukur yang dapat mencatat kecepatan maupun arah pergerakan angin secara akurat pula. Pengukuran kecepatan angin itu sendiri dapat dilakukan dengan beberapa metode, dimana setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Untuk itu dalam membuat suatu alat ukur kecepatan angin perlu dipertimbangkan untuk keperluan apa alat tersebut dibuat. Alat pengukur kecepatan angin yang umum digunakan pada stasiun pengamatan cuaca adalah anemometer jenis Cup counter yang menerapkan metode mekanik dalam pengukurannya. Untuk mendapatkan alat ini, stasiun pengamatan cuaca di Indonesia perlu mengimpor dari luar negeri, sehingga diperlukan biaya yang cukup mahal untuk memiliki alat ini. Sebagaimana kita ketahui bahwa prinsip kerja dari alat ini cukup sederhana yaitu Cup yang berjumlah tiga buah berputar pada suatu tiang yang dihubungkan dengan counter. Dengan mengetahui prinsip yang sederhana tersebut kita dapat mengembangkan alat ini, yaitu dengan cara membuat Cup counter anemometer dari bahanbahan yang mudah didapat dan terjangkau harganya akan tetapi dapat bekerja secara optimal. 1.2. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mencari desain dalam hal ini panjang jari-jari yang optimal dari anemometer jenis Cup yang dibuat dari bahan fibreglass dan belahan bola tenis meja (celluloid).



II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Angin Angin adalah gerak nisbi terhadap permukaan bumi. Gerak atmosfer terhadap permukaan bumi ini memiliki dua arah yaitu arah horizontal dan arah vertikal. Kedua gerak



atmosfer ini disebabkan oleh ketidaksetimbangan radiasi bersih, kelembaban dan momentum di antara lintang rendah dan lintang tinggi di satu pihak dan di antara permukaan bumi dan atmosfer di pihak lain (Prawirowardoyo, 1996). Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi gerak atmosfer itu sendiri yaitu topografi, distribusi antara permukaan daratan dan lautan, serta arus laut. Gerak atmosfer yang umum adalah gerak horizontal, karena daerah yang diliputinya jauh lebih luas dan kecepatan horizontalnya jauh lebih besar daripada vertikalnya. Akan tetapi yang merupakan sumber pembentukan awan konvektif dan curahan yang berperan penting dalam menentukan cuaca dan iklim adalah gerak vertikal. Perubahan cuaca di atas permukaan bumi pada dasarnya adalah hasil dari gerak atmosfer atau gerak udara, yaitu gerak yang dihasilkan oleh berbagai gaya yang bekerja pada paket udara. Adapun gaya utama penggerak angin yaitu gaya gradien tekanan, yang timbul karena adanya perbedaan tekanan yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Sedangkan gaya-gaya sekunder yang mempengaruhi angin yaitu gaya Coriolis (yang timbul karena adanya rotasi bumi), gaya sentrifugal dan gaya gesekan. 2.2. Alat Pengukur Kecepatan Angin Tipe-tipe anemometer dapat diklasifikasikan berdasarkan metode pengukurannya yaitu tekanan, termoelektrik gelombang suara dan mekanik. Berikut ini akan diuraikan secara singkat jenis-jenis anemometer berdasarkan metode pengukurannya. Pitot tube adalah salah satu contoh anemometer yang prinsip kerjanya berdasarkan tekanan. Perbedaan tekanan diantara dua tube yang diumpamakan seperti hembusan udara ke dalam satu tube dan ditransfer ke tube lainnya secara langsung berhubungan dengan kecepatan angin. Sistem pitot tube merupakan sistem yang paling akurat dan umumnya digunakan sebagai standar untuk mengkalibrasi sensor kecepatan angin lainnya. Anemometer termoelektrik diwakili oleh tipe hot-wire. Anemometer jenis ini dapat digunakan dalam pengukuran kecepatan angin yang sangat lemah, seperti pada kanopi tanaman. Metode ini memanfaatkan suatu elemen kecil yang dipanasi secara elektrik. Pendinginan konvektif yang diakibatkan oleh angin yang melalui elemen tersebut digunakan sebagai fungsi dari kecepatan angin. Sonic anemometer adalah salah satu teknologi terbaru dari pengukuran kecepatan



2



angin, yang memanfaatkan kecepatan rambat suara yang dikirim melalui emitter menuju penerima. Suara akan merambat lebih cepat apabila searah dengan angin dan merambat lebih lambat apabila berlawanan dengan arah angin. Metode pengukuran kecepatan angin selanjutnya adalah secara mekanik. Anemometer jenis Cup adalah salah satu contoh alat yang prinsip kerjanya secara mekanik. Alat ini memberi tanggapan atas gaya dinamik yang berasal dari angin yang bekerja pada alat tersebut. Alat lain yang menggunakan metode ini dalam pengukuran kecepatan angin yaitu wind vanes, bivanes dan trivanes. Metode pengukuran secara mekanik merupakan metode yang paling sering digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Metode ini paling sederhana yaitu dengan memperhitungkan jelajah angin dari Cup yang berputar dan dapat mengukur kecepatan angin dari segala arah. 2.3. Cup Anemometer Pada tahun 1450, arsitek seni dari Italia bernama Leon Battista Alberti menemukan anemometer mekanik yang pertama. Instrumen tersebut terdiri dari piringan yang ditempatkan tegak lurus dengan angin. Cup anemometer yang masih digunakan sampai sekarang diciptakan pada tahun 1846 oleh peneliti dari Irlandia yang bernama John Thomas Romney Robins (http://en. wikipedia.org/wiki/anemo). Cup anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju angin dimana sensor laju anginnya terdiri atas tiga Cup yang dihubungkan oleh lengan yang ditempelkan pada as. Seluruh Cup menghadap ke satu arah melingkar sehingga bila angin bertiup maka rotor berputar pada arah tetap. Alat ini memberi tanggapan atas gaya dinamik yang berasal dari angin yang bekerja pada alat tersebut. Gaya dinamik angin pada permukaan cekung Cup lebih besar daripada permukaan cembung Cup. Perputaran sumbu sistem Cup dihubungkan secara mekanik atau elektronik dengan suatu alat yang dinamakan generator sinyal, untuk keperluan pencatatan. Generator sinyal ini berupa alat penghitung putaran. Anemometer yang akan digunakan sebagai kontrol pada penelitian ini adalah anemometer tipe AN 1 buatan Delta-T, Inggris. Mangkok rotornya terbuat dari plastik ABS yang kuat dan tahan cuaca (Delta-T devices). Konstruksi dari anemometer ini terbuat dari campuran alumunium, stainless steel dan plastik tahan cuaca untuk semua bagian yang terbuka. Bola-bola besi yang digunakan sebagai penopang kumparan rotor tangkainya



terbuat dari bahan yang tahan karat dan terlindung dari masuknya embun dan debu. Sehingga anemometer ini dapat ditempatkan pada tempat yang terbuka dan tahan terhadap cuaca yang cukup ekstrim. Spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut, kecepatan minimum yang dapat diukur alat ini yaitu 0,2 ms-1 dan kecepatan maksimum yang dapat diukur dari alat ini yaitu 75 ms-1. Kalibrasi alat ini yaitu 800 putaran per kilometer atau 1 pulsa per 1,25x10-3 kilometer. Dengan tinggi alat 200 mm dan diameter kotak 55 mm (Delta-T devices). Di bawah ini adalah gambar dari anemometer tipe AN 1 yang digunakan sebagai kontrol pada penelitian ini.



Gambar 1. Anemometer tipe AN1 sumber : Delta-T devices



2.4. Momen Inersia Benda yang mula-mula diam akan mempertahankan keadaan diamnya (malas bergerak) dan benda yang mula-mula bergerak akan mempertahankan keadaan geraknya atau malas berhenti (Kanginan, 2004). Sifat benda yang cenderung mempertahankan keadaan geraknya (diam atau bergerak) inilah yang disebut sebagai kelembaman atau inersia. Sehingga dapat didefinisikan bahwa momen inersia adalah ukuran resistansi atau kelembaman sebuah benda terhadap perubahan dalam gerak rotasi (Tippler, 1991). Momen inersia ini tergantung pada distribusi massa benda relatif terhadap sumbu rotasi benda. Momen inersia dari sebuah partikel bermassa m terhadap poros yang terletak sejauh r dari massa partikel didefinisikan sebagai hasil kali massa partikel terhadap kuadrat jarak dari titik poros, atau ditulis I = mr2 . r m poros Gambar 2. Momen inersia sebuah titik partikel terhadap poros



3



Akan tetapi jika terdapat banyak partikel dengan massa masing-masing m1, m2, m3,....,mn dan mempunyai jarak r1, r2, r3,...,rn terhadap poros, momen inersia total adalah penjumlahan momen inersia setiap partikel, yaitu I = ∑ mi ri2. Apabila sebuah benda pejal terdiri dari distribusi materi yang kontinyu, benda terdiri dari sejumlah besar elemen massa dm yang tersebar merata di seluruh benda, maka momen inersia benda adalah jumlah dari momen inersia semua elemen massa tersebut yaitu r2 dm. Untuk dm yang jumlahnya banyak, penjumlahan menjadi sebuah integral yaitu I = ∫ r2 dm. r



Cup anemometer beserta perhitungan panjang jari-jarinya dapat dilihat pada lampiran 1. Selanjutnya persiapan dalam pembuatan jari-jari anemometer. Sebelum membuat jarijari anemometer dibuat segitiga samasisi pada lembaran fibreglass yang akan digunakan sebagai pattern dalam pembuatan jari-jari anemometer. Sehingga jari-jari yang dibuat memiliki bentuk yang uniform dan yang membedakan hanya panjangnya saja.



dm



sumbu rotasi Gambar 3. Momen inersia benda pejal



III. METODOLOGI 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Juli 2006 di Workshop Instrumentasi Departemen Geofisika dan Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 3.2. Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah Interface pencacah putaran beserta perangkat lunak, variable transformer, seperangkat perkakas perbengkelan mekanik, timbangan digital dan wind tunnel. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bola tenis meja, lembaran fibreglass (tebal 1 mm), pipa alumunium, detektor pencacah putaran, dan perekat epoxy. 3.3. Metode Penelitian Metode yang diterapkan dalam penelitian ini melalui beberapa tahapan, yaitu sebagai berikut : 1.



Persiapan Perancangan dan Pembuatan Sensor Cup Anemometer Langkah awal dalam pembuatan Cup anemometer yaitu dengan membuat gambar sketsa Cup anemometer. Dalam penelitian ini sketsa yang dibuat yaitu Cup anemometer dengan menggunakan tiga Cup. Pembuatan sketsa Cup anemometer ini bertujuan untuk mempermudah dalam memperhitungkan panjang jari-jari yang dianggap ”ideal”. Sketsa



Gambar 4. Segitiga samasisi yang digunakan sebagai pattern Panjang jari-jari yang dibuat yaitu 5,5 cm; 5,7 cm; 5,9 cm; 6,2 cm dan 6,5 cm masing-masing dua set (sebagai ulangan).



Gambar 5. Jari-jari anemometer dengan panjang yang berbeda-beda Cup yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari belahan bola tenis meja. Pemilihan bola tenis meja dikarenakan bentuknya yang bulat sempurna dan massanya yang ringan. Dalam pembelahan bola tenis meja yang perlu diperhatikan yaitu terlebih dahulu menentukan bagian yang akan dipergunakan sebagai Cup yaitu dengan cara menerawang bola dan dilihat perbedaan degradasi warnanya. Bagian yang dapat dijadikan Cup adalah bagian yang memiliki degradasi warna yang lebih terang (overlap sambungan). Selanjutnya bola tenis meja dibelah menjadi dua bagian yang tidak sama besar. Berikut ini gambar belahan bola tenis meja yang akan dipergunakan sebagai Cup.