Alifarsya Ihsan Maulana

Biodata Diri

Nama  : Alifarsya Ihsan Maulana

Panggilan : Ihsan

TTL  : Jakarta, 24 September 2003

NPM  : 2106707132

Program  : S1 Reguler Teknik Mesin

= METODE NUMERIK =

First Report of Pressurized Hydrogen Storage Optimization

Case Study Requirements

Dalam Case Study ini, kita mendapatkan suatu tugas untuk membuat suatu tangki hidrogen. Diberikan ketentuan bahwa suatu tabung Hydrogen 1 liter bertekanan 8 bar harus memiliki biaya maksimum Rp.500.000

Apa Itu Hydrogen Storage Optimization

Hidrogen direncanakan akan menjadi suatu sumber energi alternatif dari bahan bakar fosil di masa depan. Dengan ini, kita harus dapat mengoptimalkan penyimpanan dari hidrogen dimana proses pengoptimalan ini dapat meningkatkan efisiensi, keamanan, kapasitas, serta kinerja dari gas hidrogen ini. Dengan ini, kita harus dapat membuat sistem penyimpanan hidrogen yang sesuai dengan spesifikasi yang ditentukan.

Ada beberapa faktor yang perlu untuk diperhatikan dalam mendesain tabung hidrogen ini agar mempunyai kinerja yang sesuai dengan spesifikasi yang ditentukan. Beberapa dari faktor-faktor tersebut adalah:

Material

Dalam membuat tangki hidrogen, kita harus membuat tangki yang kuat, tahan, dan kokoh. Tabung dari hidrogen ini harus mampu untuk menahan tekanan yang cukup besar dari gas hidrogen yang ada di dalamnya.

Kapasitas

Kapasitas dari tabung harus diperhatikan untuk menyimpan gas hidrogen. Hal ini dikarenakan kapasitas tentunya mempengaruhi waktu pakai sebelum pengisian ulang. Oleh karena itu, kita harus memperhatikan kapasitas optimal dari tabung dengan memperhatikan volume, berat, dan kebutuhan energi dari sistem yang mengunakan tabung ini.

Desain

Desain dari tangki juga harus diperhatikan, untuk mengoptimalkan kapasitas dan berat dari tangki. Variabel seperti bentuk tangki, volume, ketebalan dan luas permukaan tangki harus menjadi topik konsiderasi dalam membuat tangki. Tangki yang mempunyai bentuk estetik dan juga ergonomis, tentunya juga menjadi salah satu daya tarik dari pembeli.

Integrasi

Tangki hidrogen harus dapat diintegrasikan dengan sistem atau infrastruktur yang ditenagai oleh tangki hidrogen. Kita harus memasukkan konsiderasi integrasi seperti bentuk, kebutuhan ruang, dan berat agar tangki hidrogen dapat memiliki kompabilitas dengan berbagai sistem

Piranti

Dalam membuat tangki hidrogen, maka dibutuhkan piranti-piranti, bukan hanya tabung saja seperti contohnya pressure gauge, katup, selang, lalu handle (bila didesain untuk dibawa) dan berbagai piranti keamanan lagi. Dalam membuat tabung ini, dibutuhkan piranti yang berkualitas namun terjangkau agar biaya maintenance tidak terlalu besar.

Keamanan

Gas hidrogen dapat secara mudah untuk meledak dan terbakar. Dengan ini, tabung harus didesain dengan material tahan api dan juga kedap. Selain itu juga walaupun tabung sudah sangat memadai, tabung harus disimpan dalam tempat yang aman dari suhu ekstrim dan potensi kebakaran

Biaya

Tentu saja biaya menjadi suatu pembatas dalam mendesain suatu tangki. Dengan budget yang tidak terbatas, tentu saja kita dapat membuat tangki dengan teknologi optimalisasi yang sangat mutakhir. Tetapi tentu saja biaya memiliki batasan, oleh karena itu kita harus mengkonsiderasi teknik manufaktur, material, bentuk, dan teknologi yang ada didalam tabung agar optimal dengan biaya yang digunakan untuk membuat tabung

Maintenance

Tabung hidrogen juga memerlukan maintenance sepertu inspeksi kebocoran, korosi, atau kerusakan hardware, pemerikasaan tekanan, penggantian komponen seperti katup, pressure gauge dan selang. Dikarenakan maintenance yang cukup banyak, tabung hydrogen harus didesain untuk memiliki biaya seminimalisir mungkin tanpa mengorbankan kualitas dari tengki sendiri.

Sertifikasi Keamanan

Tabung hidrogen harus memiliki sertifikasi keamanan yang dimana ada beberapa keamanan yang bisa di tes ke tabung hidrogen seperti contohnya

Burst test

Leak test or permeation test

Fatigue test

Bonfire test

Bullet test

Second Report of Pressurized Hydrogen Storage Optimization

Dalam membuat tabung hidrogen, kita dapat mengoptimisasi tangki dengan menggunakan 3 batasan yang menjadi acuan dalam mendesain. ketiga batasan ini adalah:

- Geometrical Constraint

- Material Strength Constraint

- Budget Constraint

Berikut adalah report saya dalam menggunakan ketiga batasan ini sebagai acuan

Geometrical Constraint

Geometri Dasar

Dalam mendesain bentuk geometris dari tangki, geometri dasar adalah langkah pertama dalam membuat desain bentuk tangki. Bentuk dari tangki dipilih memiliki bentuk tabung dengan volume 1 liter. Dikarenakan adanya reduksi oleh end caps, batas volume dalam coding yang akan dibuat untuk menentukan ukuran tabung yang optimal akan ditambahkan sedikit menjadi 1,050 liter untuk menangani reduksi end caps. Digunakan aplikasi bahasa pemrograman python dengan library NumPy dan SciPy untuk mendapatkan hasil.

import numpy as np
from scipy.optimize import minimize
def objective(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the surface area of the cylindrical structure
    surface_area = 2 * np.pi * radius * (radius + height)

    return surface_area

def constraint(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the internal volume of the cylindrical structure
    volume = np.pi * radius**2 * height

    # Return the difference between the volume and the desired value (1050 cubic centimeters)
    return volume - 1050

# Initial guess for the radius and height
x0 = [1.0, 10.0]

# Define the bounds for the variables (radius and height)
bounds = [(0, None), (0, None)]
 
# Define the constraint dictionary
constraint_dict = {'type': 'eq', 'fun': constraint}
 
# Use the minimize function to optimize the objective function subject to the constraint
result = minimize(objective, x0, method='SLSQP', bounds=bounds, 
constraints=constraint_dict)

# Print the optimized results
print("Optimization Results:")
print("Radius: {:.2f} cm".format(result.x[0]))
print("Height: {:.2f} cm".format(result.x[1]))
print("Surface Area: {:.2f} cm^2".format(result.fun))

Dengan kode Phyton diatas, kita dapat melakukan iterasi diameter dan juga tinggi untuk menghasilkan biaya produksi yang optimal. Dengan kode ini, kita dapat menentukan diameter dan tinggi dari tabung yang optimal untuk tabung hidrogen dengan batasan budget ditentukan. Berikut adalah hasil dari code:

Berdasarkan hasil coding, didapatkan bahwa tinggi tabung adalah 11,02 cm dan radius dari tabung adalah 5,51 cm. Dan dengan ini, luas permukaan yang diperoleh adalah 571,88 cm^2

Geometri End Cap

Tentu saja bentuk tabung ini memiliki banyak resiko berbahaya. Dikarenakan ujung dari tabung yang runcing dapat melukai seseorang saat tabung ini dibawa. Selain itu, tabung yang memiliki sudut inimemiliki konsentrasi tegangan atau stress yang terpusat pada sudutnya, hal ini menjadikan adanya suatu resiko failure pada sudut tersebut.

Dengan ini, kita dapat membentuk end caps menggunakan filletting pada kedua ujung tangki agar tegangan dari tekanan dapat terdistribusi kepada seluruh bagian tangki. Pembentukan end caps, ini tentu saja dapat mengurangi volume dari tangki hidrogen dikarenakan tentu saja filletting ini dapat mengurangi luas permukaan tadi tangki. Hal ini adalah alasan mengapa volume dari tangki ini saya buat sedikit lebih besar yaitu 1050cm^3 agar apabila ada pengurangan akibat filletting, pengurangan in tidak kurang dari batasan 1 liter.

Kita dapat mengetahui radius dari fillet menggunakan rumus berikut

Dari hasil perhitungan, didapatkan bahwa radius dari fillet adalah 2,59553 cm, atau 2,6 cm.

Material Strength Constraint

Material

Pada spesifikasi, kita dapat lihat bahwa batasan tekanan dari tekanan adalah 8 bar. Bila kita lihat, tekanan 8 bar tidaklah terlalu besar untuk sebuah tangki dan dengan ini, saya memilih material Stainless Steel, secara spesifik adalah Stainless Steel AISI 316. Hal ini dikarenakan logam ini dapat menahan tekanan yang cukup untuk tekanan 8 bar dan juga terbilang cukup murah dan pas untuk budget.

Ketebalan Tangki

Menurut ASME BPV Code Section VIII D.1, ketebalan dari tangki minimal adalah 1,59mm. Tetapi tentu saja kita tidak dapat menggunakan ketebalan minimal ini dengan alasan keamanan. Dengan ini kita akan menghitung menggunakan iterasi koding untuk mencari ketebalan dari tangki dengan memperhatikan yield strength. Kita dapat menggunakan coding python untuk mencari ini.

r = 5.51e-2 #radius (Tank)
p = 800000  #8 bar pressure 
t = 3e-3  #minimum thickness

while t < 13e-3:
  hoop = (p * r)/(t)
  print('For the thickness of', t, 'meters, hoop stress =', hoop, "Pa")
  t += 1e-3
  if hoop > 205e9: #AISI 316 Yield Strength
    break

Berikut adalah hasil dari code:

Berdasarkan hasil iterasi, dapat dilihat bahwa semua ketebalan memiliki yield strength yang masih dibawah yield strength dari AISI 316 (205 MPa). Dengan ini, semua ketebalan masih dapat diaplikasikan.

Budget Constraint

Biaya tentu saja menjadi batasan dalam membuat sesuatu. Dengan budget tidak terbatas, tentu saja kita bisa mendapatkan barang dengan kualitas terbaik. Namun, dalam study case ini, kita hanya mendapatkan budget Rp500.000. Dapat dilihat dari tabel dibawah yaitu tabel mengenai Stainless Steel AISI 316 beserta harga-harganya. Kita harus memilih ketebalan tangki yang masih ada didalam range biaya. Berikut adalah tabel dari harga pelat Stainless Steel AISI 316.

Setelah melihat harga, kita dapat mencari harga dan juga tebal tangki menggunakan tabel dibawah ini.

• Note: Harga akhir & berat akhir berdasarkan perkalian harga per satuan luas dan berat per satuan luas dengan luas tangki yang dibulatkan (572 cm^2)

Berdasarkan hasil perhitungan, dengan mengkonsiderasi biaya yang kita punya, ketebalan tangki, berat dari tangki, dan kekuatan dari tangki, saya memilih tangki dengan ketebalan sebesar 8 mm untuk tangki hidrogen ini. Dengan ini, biaya akhir dari pembuatan satu tangki hidrogen ini akan memakan biaya Rp249,392 atau dapat dibulatkan menjadi Rp250.000, setengah harga dari budget yang sudah ditentukan.

Conclusion

Berdasarkan hal-hal yang sudah saya sampaikan, kita bisa mengetahui besar geometri tangki menggunakan rumus python yang menghasilkan hasil tinggi tabung yang sebesar 11,02 cm dan radius tangki sebesar 5,51 cm. Dari sini, kita bisa mendapatkan luas permukaan tangki yaitu sebesar 571,88 cm^2 dan juga kita dapat menambah fillet tangki dengan radius end caps sebesar 2,59953 cm atau 2,6 cm. Kemudian kita dapat membuat tebal dari dinding tangki hidrogen sebesar 8mm setelah mengkonsiderasi mengenai berat dan biaya.

Pada akhirnya, biaya yang dibutuhkan untuk membuat tangki tidaklah terlalu mahal, yaitu Rp249,392 yang dimana hanya mengambil setengah budget dari budget Rp500,000 yang diberikan. Adanya sisa budget sebesar Rp250,000 sebaiknya digunakan untuk membeli piranti-pirant pendukung tangki seperti selang, pressure gauge, katup, dan juga handle yang berkualitas. Biaya sisa ini juga dapat digunakan untuk melakukan testing sertifikasi keamanan yang tentu saja dapat menguras biaya, namun dapat membuktikan tingkat keamanan dari tangki buatan kita.

= MEKANIKA FLUIDA =

Manometer

Manometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan fluida, baik itu cairan atau gas. Alat ini terdiri dari tabung yang diisi dengan fluida referensi (biasanya air atau merkuri) dan satu atau beberapa tabung yang terhubung dengan sistem yang akan diukur tekanannya.

Dalam penggunaannya, manometer mengukur perbedaan tekanan antara fluida referensi di dalam tabung dengan tekanan fluida yang akan diukur. Perbedaan tekanan ini akan menyebabkan ketinggian fluida referensi di dalam tabung manometer berubah, yang kemudian dapat dibaca sebagai angka pada skala yang terdapat di tabung manometer.

Manometer digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pada sistem pemanas, sistem pendingin, sistem hidrolik, dan lain sebagainya. Ada beberapa jenis manometer, di antaranya adalah manometer Bourdon, manometer U-tube, dan manometer diferensial.

Manometer (Tipe U)

Manometer tipe U adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan fluida dalam sistem. Mekanisme kerja manometer tipe U didasarkan pada prinsip perbedaan ketinggian fluida di dalam dua buah pipa U yang saling terhubung.

Pada manometer tipe U, terdapat dua buah pipa U yang terhubung pada salah satu ujungnya. Pipa U tersebut diisi dengan fluida, biasanya air atau merkuri, yang berfungsi sebagai media penghantar tekanan. Kedua ujung pipa tersebut terbuka sehingga tekanan di kedua ujung pipa adalah sama.

Ketika fluida di dalam sistem dialiri oleh tekanan, maka tekanan fluida tersebut akan merambat ke dalam pipa U, sehingga ketinggian fluida di dalam pipa U akan berubah. Ketinggian fluida di dalam pipa U akan berubah sebanding dengan tekanan fluida yang diterima oleh pipa U.

Ketinggian fluida pada sisi pipa U yang terhubung dengan sumber tekanan akan lebih rendah dibandingkan dengan sisi pipa U yang terhubung dengan atmosfer. Hal ini disebabkan oleh tekanan fluida yang dihasilkan oleh sumber tekanan yang lebih besar dibandingkan tekanan atmosfer. Sehingga, fluida pada sisi pipa U yang terhubung dengan sumber tekanan akan naik lebih tinggi dibandingkan dengan sisi pipa U yang terhubung dengan atmosfer.

Dengan memperhatikan perbedaan ketinggian fluida pada kedua sisi pipa U, maka dapat dihitung besarnya tekanan fluida yang dialiri oleh sistem. Besarnya tekanan fluida dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

P = ρgh

dimana P adalah tekanan fluida (dalam satuan Pa), ρ adalah massa jenis fluida (dalam satuan kg/m3), g adalah percepatan gravitasi (dalam satuan m/s2), dan h adalah ketinggian fluida pada pipa U (dalam satuan meter).

A Test for Chat GPT

Sebuah manometer U yang berisi raksa digunakan untuk mengukur tekanan gas. Tinggi raksa dalam rabung yang terbuka adalah 500 mm lebih tinggi dari tabung U yang dihubungkan ke tangki gas. Berapa besar tekanan gas tersebut (dalam pascal)?

(Massa jenis raksa = 1,36 x 10^4 kg/m^3, tekanan atmosfer = 1,01 x 10^5 Pa, g = 9,8 m/s^2.)

Answer: Untuk menghitung tekanan gas, kita perlu menentukan perbedaan tinggi antara kedua ujung manometer. Mari kita asumsikan bahwa raksa di dalam manometer U telah mencapai kesetimbangan.

Perbedaan tinggi antara kedua ujung manometer = tinggi raksa dalam rabung terbuka - tinggi raksa di dalam tabung U = 500 mm

Kita dapat mengubah satuan ini menjadi meter dengan membaginya dengan 1000: Perbedaan tinggi antara kedua ujung manometer = 500/1000 m = 0,5 m

Tekanan pada titik di mana tabung U terhubung ke tangki gas adalah sama dengan tekanan pada titik di mana tabung U terhubung ke atmosfer. Oleh karena itu, kita dapat menggunakan persamaan tekanan hidrostatis:

P = ρgh

di mana P adalah tekanan, ρ adalah massa jenis, g adalah percepatan gravitasi, dan h adalah perbedaan tinggi antara kedua ujung manometer.

Dalam hal ini, massa jenis raksa adalah 1,36 x 10^4 kg/m^3, percepatan gravitasi adalah 9,8 m/s^2, dan perbedaan tinggi antara kedua ujung manometer adalah 0,5 m. Kita juga perlu menambahkan tekanan atmosfer sebesar 1,01 x 10^5 Pa.

Jadi, tekanan gas adalah:

P = ρgh + Patm = (1,36 x 10^4 kg/m^3) x (9,8 m/s^2) x (0,5 m) + 1,01 x 10^5 Pa = 7,392 Pa + 1,01 x 10^5 Pa = 1,017.392 x 10^5 Pa

Jadi, tekanan gas adalah sekitar 1,02 x 10^5 Pa.

Tugas 1 Manometer

Tugas 1 Mekanika Fluida Jawablah pertanyaan ini berdasarkan informasi dari video

1. Jelaskan mekanisme kerja manometer analog

2. Jelaskan mekanisme kerja manometer tipe U (fluida air)

3. Tuliskan hasil pengukuran P1, P2, dan P2 (ketika menggunakan manometer tipe U)

4. Faktor apa yang mempengaruhi tinggi rendahnya tekanan

5. Tuliskan satuan yang ada pada manometer tersebut dan konversi ke dalam satuan SI

6. Buatlah skala tekanan pada manometer tersebut

Jawaban

1. Manometer analog adalah sebuah alat pengukur tekanan yang menggunakan prinsip fluida untuk mengukur tekanan dalam sebuah sistem. Manometer analog terdiri dari sebuah tabung berisi cairan, biasanya merkuri atau air, yang terhubung dengan sistem yang akan diukur tekanannya. Ketika tekanan dalam sistem naik, cairan dalam tabung akan naik juga, dan tinggi cairan tersebut dapat diukur dan dijadikan sebagai indikator tekanan. Manometer analog sendiri biasanya terdiri dari beberapa bagian penting, yaitu:

Tabung U: tabung ini berisi cairan, biasanya merkuri atau air, dan terbuat dari bahan yang tidak mudah pecah atau korosif. Pipa penghubung: pipa ini menghubungkan tabung U dengan sistem yang akan diukur tekanannya. Skala: skala digunakan untuk membaca tinggi cairan dalam tabung U. Skala pada manometer analog biasanya menggunakan satuan PSI (pound per square inch) atau bar. Pointer atau jarum: pointer digunakan untuk menunjukkan tekanan yang terukur pada skala.

Ketika manometer analog dipasang pada sistem yang akan diukur tekanannya, tekanan dalam sistem tersebut akan membuat cairan dalam tabung U naik atau turun. Kenaikan atau penurunan tinggi cairan akan diperbesar melalui perbesaran skala dan ditunjukkan pada pointer. Semakin besar tekanan dalam sistem, semakin tinggi juga tinggi cairan dalam tabung U dan semakin jauh pointer bergerak di atas skala. Prinsip dasar pengukuran tekanan pada manometer analog adalah prinsip dasar fluida, yaitu tekanan yang dihasilkan oleh fluida pada kedalaman tertentu. Dalam manometer analog, cairan dalam tabung U akan mengalami perubahan tekanan sesuai dengan tekanan pada sistem yang dihubungkan. Tinggi cairan dalam tabung U akan menunjukkan besarnya perubahan tekanan tersebut dan akan dijadikan sebagai indikator tekanan dalam satuan yang sesuai pada skala manometer analog.

2. Manometer tipe U adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan fluida dalam sistem. Mekanisme kerja manometer tipe U didasarkan pada prinsip perbedaan ketinggian fluida di dalam dua buah pipa U yang saling terhubung. Pada manometer tipe U, terdapat dua buah pipa U yang terhubung pada salah satu ujungnya. Pipa U tersebut diisi dengan fluida, biasanya air atau merkuri, yang berfungsi sebagai media penghantar tekanan. Kedua ujung pipa tersebut terbuka sehingga tekanan di kedua ujung pipa adalah sama. Ketika fluida di dalam sistem dialiri oleh tekanan, maka tekanan fluida tersebut akan merambat ke dalam pipa U, sehingga ketinggian fluida di dalam pipa U akan berubah. Ketinggian fluida di dalam pipa U akan berubah sebanding dengan tekanan fluida yang diterima oleh pipa U. Ketinggian fluida pada sisi pipa U yang terhubung dengan sumber tekanan akan lebih rendah dibandingkan dengan sisi pipa U yang terhubung dengan atmosfer. Hal ini disebabkan oleh tekanan fluida yang dihasilkan oleh sumber tekanan yang lebih besar dibandingkan tekanan atmosfer. Sehingga, fluida pada sisi pipa U yang terhubung dengan sumber tekanan akan naik lebih tinggi dibandingkan dengan sisi pipa U yang terhubung dengan atmosfer. Dengan memperhatikan perbedaan ketinggian fluida pada kedua sisi pipa U, maka dapat dihitung besarnya tekanan fluida yang dialiri oleh sistem. Besarnya tekanan fluida dapat dihitung dengan menggunakan rumus: P = ρgh Dimana P adalah tekanan fluida (dalam satuan Pa), ρ adalah massa jenis fluida (dalam satuan kg/m3), g adalah percepatan gravitasi (dalam satuan m/s2), dan h adalah ketinggian fluida pada pipa U (dalam satuan meter).

3. Manometer pipa U (Awal)

P_1=10 mmBar

P_2=8,5 mmBar

Manometer pipa U (Akhir)

P_1=1,5 mmBar

P_2=1,2 mmBar

4. Tekanan dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: Volume: Volume dapat mempengaruhi tekanan, hal ini dikarenakan apabila suatu ruang menyempit, maka molekul dari fluida yang awalnya mempunyai banyak ruang, sekarang semakin terhimpit dikarenakan ruang yang terbatas. Hal ini menyebabkan molekul fluida yang bertumbuk satu sama lain dan menyebabkan tekanan yang meningkat, begitupun sebaliknya. Suhu: Suhu dapat mempengaruhi tekanan, hal ini dikarenakan apabila suhu meningkat, maka molekul juga akan bergerak lebih cepat dan juga bertumbuk lebih cepat. Hal ini dapat dibuktikan dengan rumus PV=nRT, dimana dapat dilihat bahwa tekanan (P), berbanding lurus dengan suhu (T). Hal ini juga berlaku untuk sebaliknya. Kecepatan aliran: Kecepatan aliran dapat mempengaruhi tekanan dikarenakan aliran yang cepat membuat molekul dari fluida untuk sering bertumbuk. Reaksi kimia: Reaksi kimia dapat mempengaruhi tekanan dikarenakan mol sendiri berbanding lurus dengan tekanan seperti yang dapat kita lihat di rumus PV=nRT. Gaya: Gaya dapat mempengaruhi tekanan dikarenakan tekanan fluida dapat dipengaruhi oleh gaya beban dari benda atau fluida diatasnya.

5. Satuan pada manometer = mmBar

P_1=10 mmBar

P_2=1,5 mmBar

Satuan pada SI = Pascal

P_1=1000 Pa

P_2=150 Pa

6. Skala tekanan

Dari pengamatan di video, didapatkan perbandingan dari skala tekanan, yaitu:

P_1=10 mmBar

P_1'=1,5 mmBar

Skala tekanan=P_1 ∶P_1'=20∶3

P_2=8,5 mmBar

P_2'=1,5 mmBar

Skala tekanan=P_2 ∶P_2'=5∶4

Tugas Praktek Pengukuran Tekanan Lab CCIT

1. Prinsip kerja dari Manometer Analog, Manometer Tipe-U, dan Pressure Transducer

2. Soal hitungan mengenai percobaan dengan manometer analog yang didapatkan tekanan sebesar 300 Pascal (3mbar), dilakukan pada pipa U, dengan percepatan gravitasi dianggap 10 m/s^2, Tentukan :

(a). Perbedaan ketinggian jika fluida dari minyak dan Raksa

(b). Sama dengan soal (a) dengan tekanan yang diubah menjadi 30mbar

3. Berbicara dan berdiskusi dengan Chatgpt mengenai eksperimen di lab CCIT

Jawaban

1. Prinsip kerja dari Manometer Analog, Manometer Tipe-U, dan Pressure Transducer

Manometer Analog: Prinsip kerja dari manometer analog sendiri didasarkan dengan hukum Hooker, dimana bahwa bahwa gaya yang diperlukan untuk memperluas atau mengompres skala pegas secara linier dan berkaitan dengan jarak ekstensi atau kompresi. Biasanya manometer analog menggunakan tabung Bourdon sebagai mekanisme utamanya. Tabung Bourdon sendiri berfungsi dengan cara mengambil tekanan den mengubahnya menjadi energi mekanik. Energi ini menggerakkan tmbol di pengukur dan menampilkan jumlah tekanan di dalam sistem. Tabung Bourdon memiliki beberapa konfigurasi seperti melengkung, heliks, dan spiral. Operasi dari tabung Bourdon ini cukup sederhana. Tabung Bourdon sendiri terdiri dari tabung logam setengah lingkaran dan datar, dipasang di satu ujung dan melekat pada mekanisme tuas sensitif di ujung lainnya. Ketika tekanan meningkat di dalam tabung, gaya cairan mencoba untuk meluruskan tabung yang melengkung. Tabung kemudian menarik diri dari tuas yang terhubung ke jarum di layar yang menunjukkan tekanan pada cairan.

Pipa U: Prinsip kerja dari manometer tipe U adalah terdapa suatu pipa yang berbentuk U dimana pipa tersebut diisi dengan fluida seperti air atau merkuri. Air dan merkuri ini nantinya berfungsi sebagai media untuk menghantarkan tekanan. Kedua ujung dari pipa ini terbuka dan menyebabkan tekanan di kedua ujung pipa adalah sama. Apabila pipa U dialiri oleh tekanan, maka salah satu ujung dari pipa U yang terhubung dengan sumber tekanan yang lebih tinggi dari atmosfir, akan mengalami perubahan ketinggian menjadi lebih rendah dan ujung pipa U yang terbuka dan terhubung dengan atmosfir menjadi lebih tinggi. Dengan melihat perbedaan ketinggian dari kedua ujung, maka dapat diketahui besarnya tekanan dengan cara menggunakan rumus

P = ρgh

Dimana P adalah tekanan fluida (dalam satuan Pa), ρ adalah massa jenis fluida (dalam satuan kg/m3), g adalah percepatan gravitasi (dalam satuan m/s2), dan h adalah ketinggian fluida pada pipa U (dalam satuan meter).

Pressure Transducer: Pressure Transducer sendiri adalah perangkat yang digunakan untuk mengubah tekanan menjadi sinyal listrik yang dapat ditangkap menggunakan komputer. Prinsip kerjanya adalah dengan menggunakan suatu sensor atau elemen penginderaan yang mengubah sifat listrik seperti kapasitansi dan resistansi sebagai respon terhadap perubahan tekanan. Ketika tekanan fisik ditangkap oleh sensor, maka akan terjadi defleksi yang menyebabkan perubahan kapasitansi atau defleksi. Kemudian perubahan ini akan dideteksi oleh sirkuit dari transduser yang kemudian menghasilkan sinyal listrik yang sesuai dengan tekanan yang terdeteksi. Dikarenakan pressure transducer sendiri adalah teknologi modern dan paling akurat, teknologi ini seringkali ditemukan di banyak sekali aplikasi seperti industri, otomotif, medis, militer dan manufaktur yang dimana membutuhkan pengukuran tekanan yang akurat dan presisi.

2. Soal hitungan

(a). Tekanan adalah 3 mbar

Jika fluida yang digunakan adalah minyak

3 mbar = 800 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

300 Pascal = 800 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

Maka Δh = 0.0375 m

Jika yang digunakan adalah raksa

3 mbar = 13600 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

300 Pascal = 13600 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

Maka Δh = 0.0022 m

(b). Tekanan adalah 3 mbar

Jika fluida yang digunakan adalah minyak

30mbar = 800 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

3000 Pascal = 800 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

Maka Δh = 0.375 m

Jika fluida yang digunakan adalah raksa

30mbar = 13600 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

3000 Pascal = 13600 kg/m^3 . 10 m/s^2 . Δh

Maka Δh = 0.022 m

3. Berbicara dan berdiskusi dengan Chatgpt mengenai eksperimen di lab CCIT

Saya: Alat apa saja yang dapat kita gunakan untuk mengukur tekanan fluida

ChatGPT: Ada beberapa alat yang dapat digunakan untuk mengukur tekanan fluida, di antaranya adalah:

Manometer: Alat ini menggunakan prinsip fluida yang terkandung dalam pipa U untuk mengukur tekanan fluida. Manometer biasanya digunakan untuk mengukur tekanan udara atau gas, dan dapat memiliki berbagai bentuk dan ukuran.

Barometer: Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan atmosfer atau tekanan udara. Barometer bekerja dengan cara mengukur ketinggian kolom cairan di dalam tabung tertutup yang dipengaruhi oleh tekanan atmosfer.

Transduser tekanan: Alat ini menggunakan prinsip perubahan sinyal listrik sebagai akibat dari perubahan tekanan fluida yang diukur. Transduser tekanan dapat digunakan untuk mengukur tekanan fluida dalam sistem tertutup atau terbuka.

Piranti pengukur tekanan: Alat ini biasanya digunakan untuk mengukur tekanan air atau fluida yang lebih kental. Piranti pengukur tekanan terdiri dari tabung kaca yang memiliki skala, dan bermacam-macam bentuk dan ukuran.

Altimeter: Alat ini digunakan untuk mengukur ketinggian dengan mengukur tekanan atmosfer pada suatu titik tertentu. Altimeter digunakan dalam penerbangan untuk menentukan ketinggian pesawat terbang di atas permukaan laut.

Piezometer: alat yang digunakan untuk mengukur tekanan statis fluida pada titik tertentu dalam sistem. Piezometer terdiri dari tabung tertutup yang dihubungkan ke sistem dan terbuka ke fluida.

Sphygmomanometer: Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan darah manusia. Sphygmomanometer bekerja dengan memanfaatkan perbedaan tekanan antara tekanan udara dan tekanan arteri.

Pitot Tube: Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida dan tekanan dinamik. Alat ini sering digunakan pada alat pengukur aliran fluida.

Saya : Dari berbagai alat yang dapat mengukur tekanan tersebut, alat mana yang paling akurat dalam pembacaan tekanan?

ChatGPT: Tidak ada alat yang dapat dikatakan paling akurat dalam pembacaan tekanan, karena setiap alat memiliki batas ketelitian dan kisaran pengukuran yang berbeda-beda, serta dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti temperatur dan keadaan lingkungan. Namun, dalam situasi tertentu, salah satu alat mungkin lebih sesuai atau lebih akurat dalam mengukur tekanan dibandingkan dengan yang lain.

Sebagai contoh, manometer cairan memiliki ketelitian yang tinggi dalam mengukur tekanan dalam sistem hidrolik, sementara transduser tekanan dapat memberikan pembacaan yang akurat pada tekanan yang sangat tinggi atau sangat rendah. Sementara itu, barometer biasanya digunakan untuk mengukur tekanan atmosfer pada ketinggian yang sama dan pada suhu tertentu.

Namun, secara umum, transduser tekanan dianggap sebagai salah satu alat pengukur tekanan yang paling akurat karena menggunakan prinsip perubahan sinyal listrik sebagai akibat dari perubahan tekanan fluida yang diukur. Transduser tekanan dapat memberikan pembacaan yang sangat akurat dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi pengukuran tekanan, mulai dari tekanan udara hingga tekanan hidrolik yang sangat tinggi.

Oleh karena itu, pemilihan alat yang paling sesuai dalam mengukur tekanan tergantung pada kebutuhan spesifik dan kisaran pengukuran yang diperlukan, serta memperhatikan faktor-faktor lain yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran. Penting untuk memilih alat yang memiliki ketelitian yang memadai dan menggunakan alat tersebut dengan benar untuk memperoleh hasil pengukuran yang akurat.

Saya: Fluida apa saja yang biasanya digunakan untuk melakukan praktik mengenai pengukuran tekanan

ChatGPT: Ada beberapa jenis fluida yang biasanya digunakan untuk melakukan praktik mengenai pengukuran tekanan, di antaranya adalah:

Air: Air adalah fluida yang paling umum digunakan dalam pengukuran tekanan, terutama dalam aplikasi yang melibatkan sistem air atau hidrolik.

Minyak: Minyak digunakan dalam pengukuran tekanan pada sistem hidrolik yang beroperasi pada tekanan tinggi dan membutuhkan kekuatan tinggi untuk menggerakkan komponen sistem.

Gas: Gas seperti udara atau gas lainnya digunakan dalam pengukuran tekanan udara atau gas dalam sistem HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) atau di industri yang memproduksi gas.

Fluida khusus: Beberapa aplikasi industri membutuhkan fluida khusus seperti gas inert atau bahan kimia tertentu yang digunakan dalam pengukuran tekanan yang spesifik.

Pilihan fluida tergantung pada jenis sistem yang diukur dan aplikasi pengukuran tekanan yang digunakan. Selain itu, faktor seperti viskositas, kepadatan, dan kemampuan konduktivitas panas dan listrik dari fluida tersebut juga dapat mempengaruhi keakuratan pengukuran tekanan. Oleh karena itu, penting untuk memilih fluida yang sesuai untuk setiap aplikasi pengukuran tekanan yang dilakukan.

Saya: Saya akan membuat sebuah hipotesis mengenai perubahan tekanan di bumi, apa yang terjadi apabila tekanan di bumi naik secara drastis dan apa yang terjadi apabila tekanan di bumi turun secara drastis

ChatGPT: Hipotesis mengenai perubahan tekanan di Bumi dapat dirumuskan sebagai berikut:

Hipotesis: Apabila tekanan di Bumi naik secara drastis, maka akan terjadi peningkatan suhu dan penurunan kelembaban, sedangkan apabila tekanan di Bumi turun secara drastis, maka akan terjadi penurunan suhu dan peningkatan kelembaban.

Penjelasan:

Apabila tekanan di Bumi naik secara drastis, ini berarti udara di atas permukaan Bumi menjadi lebih padat dan lebih berat. Hal ini akan menyebabkan peningkatan suhu karena tekanan yang lebih tinggi akan meningkatkan kecepatan molekul-molekul gas di atmosfer, sehingga suhu akan meningkat. Selain itu, udara yang padat akan menekan kelembaban dan membuatnya lebih sulit untuk terbentuk menjadi awan dan hujan.

Sebaliknya, apabila tekanan di Bumi turun secara drastis, ini berarti udara di atas permukaan Bumi menjadi lebih ringan dan lebih sedikit. Hal ini akan menyebabkan penurunan suhu karena udara yang lebih ringan akan memiliki kecepatan molekul-molekul gas yang lebih lambat. Selain itu, udara yang lebih lembap akan cenderung untuk terkondensasi dan membentuk awan dan hujan, sehingga dapat meningkatkan kelembaban.

Namun, perubahan tekanan di Bumi juga dapat dipengaruhi oleh banyak faktor lain seperti suhu permukaan laut, arus jet, dan pola angin global, sehingga hipotesis ini perlu diuji dan diverifikasi melalui observasi dan analisis data yang lebih lanjut.

Tugas 2 Statika Fluida, Tekanan Hidrostatis dan Buoyancy

Another Chat with ChatGPT

Saya: Can you explain what are steady and unsteady flow in terms of fluids kinematic

ChatGPT: Sure! In fluid dynamics, the terms "steady flow" and "unsteady flow" refer to two different types of fluid motion based on the behavior of fluid particles over time.

Steady Flow: In steady flow, the velocity of fluid particles at a particular point in a fluid remains constant over time. This means that the flow pattern does not change with time and the velocity vectors of fluid particles do not vary with time at a fixed point. Mathematically, for a steady flow, the velocity vector is a function of space only, and not a function of time. Steady flow is often depicted by streamlines that do not change with time. Examples of steady flow include flow in a long pipe with a constant velocity or flow in a river with a constant discharge.

Unsteady Flow: In unsteady flow, the velocity of fluid particles changes with time at a particular point in a fluid. This means that the flow pattern changes with time, and the velocity vectors of fluid particles vary with time at a fixed point. Mathematically, for an unsteady flow, the velocity vector is a function of both space and time. Unsteady flow is often depicted by streamlines that change with time. Examples of unsteady flow include flow in a pipe with varying velocity, flow during the filling or emptying of a tank, or flow around a moving object such as a car or an airplane.

Saya: How about laminar and turbulance flow? Still in the same terms

ChatGPT: Certainly! In fluid dynamics, "laminar flow" and "turbulent flow" are terms used to describe the smoothness or irregularity of fluid motion in a flow.

Laminar Flow: In laminar flow, fluid particles move in parallel layers, or laminae, without much mixing between the layers. The fluid flows smoothly in well-defined paths, and the motion of fluid particles is highly ordered. The velocity of fluid particles at any given point in the flow remains constant over time, and there is little random motion or mixing of fluid particles. Laminar flow is characterized by smooth streamlines, with minimal fluctuations in velocity. Laminar flow is often associated with low flow velocities or low Reynolds numbers, which is a dimensionless number that characterizes the relative importance of inertial forces to viscous forces in a fluid flow.

Turbulent Flow: In turbulent flow, fluid particles move in a highly irregular and chaotic manner. The fluid flows in a disordered fashion, with eddies, vortices, and fluctuations in velocity occurring at various scales. The motion of fluid particles is highly unpredictable, and there is significant mixing between different layers of the fluid. Turbulent flow is characterized by irregular streamlines, with significant fluctuations in velocity. Turbulent flow is often associated with high flow velocities or high Reynolds numbers, where inertial forces dominate over viscous forces in a fluid flow.

In summary, laminar flow refers to smooth, orderly fluid motion with well-defined paths of fluid particles, while turbulent flow refers to chaotic, disordered fluid motion with significant mixing and fluctuations in velocity. Laminar flow occurs at low flow velocities or low Reynolds numbers, while turbulent flow occurs at high flow velocities or high Reynolds numbers.

In summary, steady flow refers to fluid motion in which the velocity at a particular point remains constant over time, while unsteady flow refers to fluid motion in which the velocity at a particular point changes with time.

Saya: What is Reynolds number and it ties with laminar and turbulance flow? elaborate!

ChatGPT: The Reynolds number (Re) is a dimensionless number that characterizes the relative importance of inertial forces to viscous forces in a fluid flow. It is used as a criterion to predict whether a flow is likely to be laminar or turbulent. The Reynolds number is defined as:

Re = (ρvd) / μ

where:

ρ is the density of the fluid v is the velocity of the fluid d is a characteristic length of the flow (such as the diameter of a pipe or the size of an object) μ is the dynamic viscosity of the fluid The Reynolds number is a dimensionless quantity, and its value can help determine the flow regime of a fluid, as follows:

Laminar Flow: For flows with low Reynolds numbers (typically Re < 2,000)

Turbulent Flow: For flows with high Reynolds numbers (typically Re > 4,000

The transitional flow regime, between laminar and turbulent flow, can occur in the Reynolds number range of 2,000 to 4,000, and the flow behavior in this range can vary depending on the specific flow conditions and geometry. Flow regimes can also transition from laminar to turbulent, or vice versa, depending on changes in velocity, viscosity, or geometry of the flow.

In summary, low Reynolds numbers (Re < 2,000) generally indicate laminar flow, high Reynolds numbers (Re > 4,000) generally indicate turbulent flow, and the transitional flow regime can occur in the Reynolds number range of 2,000 to 4,000. However, the exact transition point between laminar and turbulent flow depends on various factors and may vary in different situations.

Saya: Alright, how about streamline, streakline, and pathline?

ChatGPT: Streamline, streakline, and pathline are concepts used in fluid dynamics to describe the motion of fluid particles in a flowing fluid.

Streamline: A streamline is an imaginary line that is tangent to the instantaneous velocity vector of a fluid particle at a given instant in time. In other words, a streamline represents the instantaneous path followed by a fluid particle as it moves through the flow field at a specific moment in time. Streamlines are used to visualize the flow pattern of a fluid and are often depicted as smooth curves in a fluid flow. In steady flow, streamlines remain unchanged with time.

Streakline: A streakline is the path traced by a fluid particle as it moves through a flow field over a certain time duration. Unlike a streamline, which represents the instantaneous path of a fluid particle at a given moment, a streakline represents the path followed by a fluid particle over a period of time. A streakline is obtained by injecting a dye or a tracer into the flow, which marks the position of fluid particles at different times. Streaklines can provide information about the time history of fluid particle motion and can help visualize how fluid particles are advected and mixed in a flow field.

Pathline: A pathline is the actual trajectory followed by an individual fluid particle in a flow field over a certain time period. It represents the complete history of the motion of a fluid particle from its initial position to its final position, including any changes in velocity or direction. A pathline is obtained by tracking the movement of a specific fluid particle over time. Pathlines can provide detailed information about the individual motion of fluid particles and how they are affected by the flow field.

In summary, a streamline represents the instantaneous path followed by a fluid particle at a given moment, a streakline represents the path traced by a fluid particle over a certain time duration, and a pathline represents the complete trajectory followed by an individual fluid particle from its initial to final position.

Tugas 3 Kinematika Fluida

1. Apa itu aliran steady state? Berikan contohnya dalam fenomena nyata!

Aliran steady state sendiri adalah suatu aliran dimana variabel-variabel dalam fluida seperti kecepatan, tekanan, temperatur, dan massa jenis tidak berubah dalam suatu jangka waktu tertentu di dalam sebuah medan aliran dan dapat dikatakan stabil atau sesuai namanya, steady. Contoh dalam fenomenanya adalah air didalam pipa yang tidak berubah dalam bentuk dan ukuran serta sangatlah mulus sehingga tidak menginterupsi laju aliran

2. Apa itu Lagrange Method dan Eulerian Method?

Metode Lagrangian adalah metode pendekatan untuk sebuah fluida dimana pengamat hanya mengamati satu partikel fluida dari sekian banyaknya partikel. Pengamat mengamati posisi dari partikel sebagai fungsi waktu dengan memperhatikan sifat-sifat partikel fluida. Sebagai pengibaratan adalah mengamati satu mobil di jalan raya yang padat dengan banyak mobil.

Metode Eulerian adalah metode pendekatan untuk fluida juga, yang membedakan adalah metode ini menggunakan kontrol volume untuk pendekatannya dimana suatu grid atau 'wilayah' dari fluida diamati secara keseluruhan dengan memperkirakan kecepatan, tekanan dan sifat-sifat fluida lain. Contohnya adalah mengamati mobil-mobil di satu jalan tertentu.

3. Apa perbedaan antara aliran uniform dan aliran non-uniform? Berikan contohnya dalam fenomena nyata!

Aliran uniform adalah kondisi dimana variabel dalam fluida seperti kecepatan, tekanan, temperatur dan sifat-sifat lain fluida tidak berubah dalam jarak tertentu sehingga fluida dapat dikatakan seragam atau teratur. Contohnya adalah aliran fluida dalam pipa yang lurus dan tidak berubah bentuk atau mengerucut.

Aliran Non-uniform sendiri adalah kebalikan dari uniform dimana sifat-sifat variabel fluida berubah dalam jarak tertentu sehingga menjadikan fluida tidak seragam dan teratur yang membuat fluida berubah dalam arah dan kecepatan. Contohnya adalah sungai yang berliku dan pipa yang mengerucut.

4. Apa itu aliran laminar dan aliran turbulen? Apa perbedaan keduanya?

Aliran laminar adalah aliran fluida yang teratur dan tidak kacau. Dalam aliran ini, partikel dari fluida terlihat teratur dan dapat diprediksi kecepatan dan juga arah alirannya dengan akurasi yang baik. Apabila dilihat secara langsung, aliran laminar terlihat tenang tanpa adanya kekacauan dalam alirannya. Contohnya adalah aliran air dari keran yang yang teratur dan tidak kacau saat keluar dari keran.

Aliran turbulen adalah kebalikan dari aliran laminar dimana fluida yang keluar sangatlah kacau dan tidak dapat diprediksi. Dalam aliran ini, partikel fluida mengalir secara acak dengan kecepatan dan arah yang sulit untuk di prediksi dan kacau. Contoh dari aliran ini adalah aliran dari pipa dengan pompa kuat namun diameter pipa yang kecil sehingga air keluar secara kecau dan acak sehingga menyembur kemana-mana.

Untuk mengetahui jenis aliran, dapat ditinjau menggunakan bilangan/angka Reynolds dimana apabila bilangan aliran <2000 maka dapat dikategorikan sebagai laminar, 2000 < x < 4000 sebagai transisi, dan > 4000 sebagai turbulen.

5. Apa itu streamline, streakline, dan pathline?

Streamline adalah garis imajiner yang digunakan untuk menggambarkan arah dan juga pola pergerakan fluida di suatu titik tertentu dalam aliran. Streamline sendiri selalu sejajar dengan arah kecepatan fluida di suatu titik dan digambarkan sebagai garis kontinu yang mengikuti arah aliran.

Streakline adalah garis yang menghubungkan semua partikel yang telah melewati posisi euler yang benar dan tepat atau dapat dikatakn melewati posisi euler yang sama. Atau gabungan lintasan dari sejumlah partikel yang mengalir, dimana identitas partikel sudah di ketahui dan partikel tersebut pernah lewat titik yang sama.

Pathline adalah garis jejak/jejak partikel sebagai fungsi waktu.Pathline juga dapat dikatakan garis yang dilalui pertikel terentu dalam suatu periode.Atau lintasan yang dibentuk oleh sebuah partikel yang bergerak dalam aliran.

Tugas 4 Kinematika Fluida II

c. Hal ini dikarenakan apabila ditinjau secara waktu, maka partikel mengalami perlambatan di semua titik, namun apabila ditinjau secara ruang, partiel mengalir ke daerah yang memiliki kecepatan lebih tinggi. Dengan ini, percepatan dan dan perlambatan yang dialami oleh partikel saling meniadakan sehingga membuat partikel tetap memiliki kecepatan yang konstan.

(Note, maaf untuk ketelatan pengumpulan tugas ke 4, hal ini dikarenakan ternyata tugasnya tidak tersimpan pada saat yang mengupload tugas ke 4