Oke, kita melanjutkan materi dari minggu lalu masih membahas tentang seputar fluida. Minggu ini akan saya bahas sedikit mengenai fenomena fluida. Ada kejadian-kejadian aneh bin ajaib yang bisa terjadi dalam penanganan fluida, yang bahkan anda belum pernah membayangkan sekalipun dampaknya. Tetapi tenang saja, karena sebagian besar fenomena fluida sudah dipelajari oleh sains dan sudah ada pemecahan untuk masalah-masalah yang ditimbulkan. Langsung saja kita bahas fenomena yang pertama.

 

WATER HAMMER

Kalau anda pergi ke toilet atau ke kamar mandi untuk mandi, pernahkah pada saat anda menutup keran air secara cepat terdengar bunyi suatu benda di belakang dinding menabrak sesuatu secara keras? Nah, fenomena tersebut dinamakan water hammer – secara literal bisa diterjemahkan sebagai palu air. Mengapa hal itu bisa terjadi? Silahkan lihat diagram di bawah.

Diagram terjadinya water hammer

Kalau anda ingat hukum Newton, bahwa untuk setiap aksi timbul reaksi yang sama, maka anda pasti mengerti ketika air mengalir maka aliran tersebut memiliki energi kinetik. Energi ini baik-baik saja selama air dibiarkan mengalir, namun apa yang terjadi saat aliran ditutup secara cepat? Energi kinetik tersebut tidak bisa keluar melalui ujung aliran, sehingga energinya akan menyebar ke segala arah dalam bentuk tekanan.

Tekanan ke segala arah ini, untungnya, cukup kecil untuk keran-keran air di rumah. Tapi apa yang terjadi jika air ini mengalir dari sebuah pipa berdiameter besar dengan kecepatan tinggi? Silahkan lihat akibatnya pada gambar di bawah

Kerusakan yang diakibatkan water hammer, untuk kasus ini disebabkan oleh variannya yaitu steam hammer

Biasanya water hammer akan merusak siku-siku pipa karena di situlah arah tekanan menyebar paling besar dan ketahanan siku pipa lebih rendah daripada pipa yang lurus. Water hammer juga bisa disebabkan pada pipa yang berada di puncak bukit. Apabila pompa yang memberikan suplai air ke lokasi di bawah bukit dimatikan dan saluran ditutup, maka akan terjadi kondisi vakum di dalam pipa karena air di tengah-tengah pipa masih mengalir ke bawah bukit karena gravitasi. Tentu saja, pipa yang vakum akan penyok karena tidak ada tekanan dari dalam pipa yang bisa menahan tekanan dari luar pipa.

Solusi untuk menangani water hammer ini antara lain:

  • Membatasi tekanan di dalam aliran fluida dengan menggunakan regulator
  • Mengurangi kecepatan aliran fluida di dalam pipa dengan mengatur besaran pipa dan besar debit fluida yang mengalir di dalamnya.
  • Menggunakan valve yang berjenis slow closed / penutupan lambat
  • Menggunakan pipa yang tahan tekanan tinggi (mahal ongkos pembuatannya)
  • Melakukan prosedur pembukaan dan penutupan aliran dengan tepat
  • Menggunakan alat hidropneumatik untuk menyerap tekanan yang berlebih
  • Menggunakan water tower / menara air untuk menstabilkan debit aliran dan menangkap tekanan-tekanan berlebih (dalam sistem aliran air minum)

Kavitasi / Cavitation

Pernah melihat sebuah baling-baling berputar di dalam air? Jika Anda perhatikan dengan lebih detail maka akan terlihat gelembung-gelembung udara timbul di dalam putaran baling-baling tersebut. Atau saat anda berenang, cobalah menggerakkan tangan atau kaki dengan cepat di dalam air, maka akan timbul gelembung-gelembung udara sepanjang pergerakan tangan atau kaki anda. Fenomena ini disebut dengan kavitasi / cavitation.

Kavitasi terjadi pada saat sebuah cairan diberi tekanan secara tiba-tiba dan cepat yang menyebabkan timbulnya “lubang” atau “gelembung” yang tidak berisi cairan. Saat tekanan yang diberikan rendah, gelembung ini tidak menimbulkan kerusakan yang berarti. Namun saat tekanan yang diberikan tinggi, jika gelembung kavitasi ini pecah akan menimbulkan getaran hebat yang bisa merusak benda-benda di sekitarnya. Di dalam konteks bidang teknik, kavitasi dapat menimbulkan kerusakan yang cukup signifikan, terutama jika berkali-kali terjadi pada bidang permukaan yang sama.

 

Proses terbentuknya gelembung kavitasi dan pecahnya
Dampak kerusakan akibat kavitasi pada baling-baling pompa

Seperti yang bisa Anda lihat pada gambar di atas, selain ada diagram penjelasan kenapa kavitasi bisa merusak ada pula dampaknya jika terlalu sering terjadi dalam tekanan tinggi. Mengapa bisa demikian? Karena gelembung kavitasi yang terbentuk tadi tidak selalu vakum, biasanya mengandung gas bertekanan rendah. Karena tekanan di sekitar gelembung lebih tinggi maka gelembung akan pelan-pelan tertekan hingga meletus bersamaan dengan naiknya temperatur dan tekanan dalam gelembung. Pada saat gelembung meletus, gas di dalamnya akan terlepas dan bercampur dengan cairan di sekitarnya secara kasar dengan membawa tekanan yang besar. Akibatnya, timbul panas dan gelombang kejut ke sekitarnya. Reaksi panas dan tekanan tinggi ini akan menghantam permukaan benda terdekat dan menimbulkan reaksi kimia terhadap permukaan benda tersebut.

Untuk fenomena ini tidak hanya terjadi secara mekanik, di alam bebas banyak terjadi kavitasi dan digunakan oleh mahkluk hidup seperti udang tepuk untuk berburu. Contoh alami lain yang biasa terjadi adalah di air terjun, di mana kerusakan kavitasi bisa dilihat pada bebatuan yang ada di sekitarnya.

Memang ada lagi fenomena-fenomena fluida lain yang menarik seperti super kavitasi; efek Coanda; gelombang kejut; dan lain-lain, namun karena keterbatasan waktu akan saya bahas di lain kesempatan.