Satuan dari Besaran yang Terkait dengan Permasalahan Aliran Fluida

Sebelum memulai pembahasan mengenai besaran dan satuan yang terkait dengan permasalahan aliran fluida, penulis ingin mengajukan sebuah pertanyaan kepada para pembaca sekalian, berapa banyak air putih yang kalian minum dalam sehari ? Jawaban yang muncul bisa beragam, ada yang menjawab meminum 5 gelas air putih dalam sehari, ada juga yang meminum 9 gelas air putih dalam sehari, bahkan mungkin ada juga yang meminum 13 gelas air putih dalam sehari.

Mengukur adalah membandingkan sesuatu yang diukur dengan sesuatu lain yang sejenis yang ditetapkan sebagai satuan. Dalam mengukur banyak air yang diminum per hari pada jawaban diatas kita tetapkan gelas sebagai satuan.

Menggunakan gelas sebagai satuan dari banyak air putih yang diminum dalam sehari sangat tidak representatif, karena ukuran dan bentuk gelas beragam. Ada gelas yang ukurannya besar dan ada pula yang ukurannya kecil, sehingga harus dipakai satuan yang representatif dan bersifat universal yakni satuan SI (Internasional System of Units), bukan gelas. Misalnya, mili liter atau liter.

Contohnya seperti ini, ada seseorang dalam sehari meminum 10 gelas air putih menggunakan gelas kapasitasnya 350 mili liter (ml), maka berapa banyak air yang diminum (nyatakan dalam liter) ? 10 x 350 = 3500 ml atau setara dengan 3,5 liter.

Mengenai satuan dari sejumlah besaran telah banyak kita pelajari di bangku sekolah. Sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka disebut besaran. Besaran pada umumnya memiliki satuan. Besaran terdiri dari besaran pokok dan turunan.

Pada pembahasan kali ini tidak dijelaskan besaran pokok dan turunan, tapi besaran secara umum yang ada keterkaitan dengan permasalahan aliran fluida yang ditampilkan dalam tabel berikut ini :

Tabel satuan berbagai besaran fisik yang terkait dengan permasalahan aliran fluida

Besaran	Simbol	Dimensi untuk  Sistem		Satuan pengukuran
		M L T	F L T	Sistem Metrik	Sistem Ingrris
A. Geometrik
·         Panjang	L, l	L	L	m	ft
·         Luas	A	L2	L2	m2	ft2
·         Volume	V	L3	L3	m3	ft3
·         Kemiringan	S, i	MOLOTO	FOLOTO	m/m	ft/ft
·         Sudut	a, u	MOLOTO	FOLOTO	radian atau drajad	radian atau drajad
B. Kinematik
·         Waktu	t	T	T	s	s
·         Frekuensi	f	T-1	T-1	s-1	s-1
·         Kecepatan	v	LT-1	LT-1	m/s	ft/s
·         Percepatan	a	LT-2	LT-2	m/s2	ft/s2
·         Gravitasi	g	LT-2	LT-2	m/s2	ft/s2
·         Debit	Q	L3T-1	L3T-1	m3/s	ft3/s
·         Debit/satuan lebar	q	L2T-1	L2T-1	m3/s.m	ft3/s.ft
C. Dinamik
·         Massa	M, m	M	F	kg
·         Impulse	Fi	MLT-1	FLT-1	kg.m/s
·         Viskositas dinamis	m	ML-1T-1	FL-1T-1	kg.m/m
·         Rapat massa	r	ML-3	FL-3	kg/m3
·         Gaya	F	MLT-2	FLT-2	N
·         Kerja	W	ML2T-2	FL2T-2	Nm
·         Momen	M	ML2T-2	FL2T-2	Nm
·         Energi	E	ML2T-2	FL2T-2	Nm
·         Tegangan permukaan	s	MT-2	FT-2	N/m
·         Tekanan	P	ML-1T-2	FL-1T-2	N/m2
·         Berat spesifik	g	ML-2T-2	FL-2T-2	N/m3
·         Tenaga	P	ML2T-3	FL2T-3	Nm/jam

Sumber : Buku Ajar Hidarulika

Setelah melihat tabel tersebut mungkin kalian bertanya bagaimana cara menentukan dimensi ? Dimensi suatu besaran menunjukan cara besaran itu tersusun dari besaran-besaran pokok. Sedangkan dimensi suatu besaran turunan ditentukan oleh rumus besaran turunan tersebut jika dinyatakan dalam besaran-besaran pokok. Sebagai contoh, kita akan tentukan dimensi dari debit.

Dimensi Debit

Debit adalah besaran yang menyatakan volum fluida yang mengalir melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu tertentu.

Debit = volum fluida/selang waktu        atau Q = V/t

Satuan SI untuk volum V adalah m³ dan untuk selang waktu t adalah s, sehingga satuan SI untuk debit adalah m³/s atau m³ s^-1 .

Sebelum menentukan dimensi dari debit, terlebih dahulu tentukan dulu dimensi volum. Volum adalah hasil kali panjang, lebar dan tinggi yang ketiganya memiliki dimensi panjang yaitu [L]. Kemudian dimensi waktu [T];

[volum]   = (panjang).(lebar).(tinggi)

              = [L].[L].[L] = [L³]

[debit]    = [volum] / [waktu]   

              = [L³] [T^-1]

Penerapan satuan dari suatu besaran dalam perhitungan

Soal 1 !

Air yang keluar dari sebuah keran diatas bak mandi memiliki kelajuan 5,0 m/s dan akan digunakan untuk mengisi sebuah bak mandi berukuran 80 cm x 50 cm x 120 cm. Jika luas mulut keran adalah 0,80 cm², berapa lamakah bak mandi itu penuh dengan air ? (nyatakan dalam menit dan konsistenlah dalam memakai satuan SI)

Diketahui :

Kelajuan air v = 5,0 m/s

Volume bak mandi = 80 cm x 50 x 120 cm = 480.000 cm³ = 0,48 m³ = 480 liter

Luas mulut keran A = 0,80 cm² = 8 x 10 ^-5 m²

Jawab : 

*) Hitung debit air yang melalui keran (Q) :

Q = A x v

    = 5,0 m/s  x  (8 x 10^-5 m²)

    = 4 x 10^-4  m³/s

    = 0,4 liter/s

    = 24 liter/menit

*) Hitung lama waktu pengisian (t) :

t = V/Q

  = 480 liter / 24 liter/menit

  = 20 menit

Jadi dibutuhkan waktu 20 menit agar bak mandi terisi penuh

Soal 2 !

Suatu penampungan air berbentuk tabung dengan diameter 1,2 meter dan tinggi 2 meter. Penampung air tersebut diisi air sebanyak 1800 liter. Telah terisi berapa persenkah penampung air tersebut dan berapakah tinggi air ?

Diketahui :

Diameter D = 1,2 m

Tinggi t       = 2 m

V _terisi          = 1800 liter  = 1,8 m³ 

   

Jawab : 

*) Hitung volume total penampung air (V _total) :

Karena penampung air berbentuk tabung maka digunakan rumus volume tabung V = πr²t

V _total = πr²t

          = π x 0,6² m x 2 m

          = 2,26 m³

          = 2260 liter

*) Hitung presentase pengisian (%)

    Presentase pengisian       = (V _terisi / V _total ) x 100%

                                          = (1800 liter / 2260 liter) x 100%

                                          = 79,64%

*) Hitung tinggi air (t)

t = V _terisi / πr²

  = 1,8 m³  / (π x 0,6² m  )

  = 1,6 m

Jadi penampung air tersebut telah terisi sekitar 79,64% dan tinggi air sekitar 1,6 meter.

Kira-kira demikian pembahasan mengenai  besaran dan satuan yang terkait dengan permasalahan aliran fluida. (*)

Tahapan Perencanaan Sistem Penyediaan Air Bersih Skala Kecil (Pedesaan)

A. Pendahuluan 

Air merupakan kebutuhan dasar (basic need) bagi kehidupan manusia, karena air merupakan gizi makro yang sangat penting. Air berfungsi sebagai sumber asupan mineral, mengatur suhu tubuh, pembentuk cairan darah, pembentuk sel, dan melancarkan pencernaan.

Air bersih adalah salah satu jenis sumber daya berbasis air yang bermutu baik dan biasa dimanfaatkan oleh manusia untuk dikonsumsi atau dalam melakukan aktivitas mereka sehari termasuk untuk konsumsi air minum.

Namun kenyataan kelangkaan air bersih terjadi di sejumlah wilayah di Indonesia khususnya di daerah pedesaan yang tidak terjangkau layanan PDAM. Ada sejumlah faktor penyebap mengapa sampai sejumlah desa atau kampung mengalami kelangkaan air, misalnya: sumber air yang jauh dari pemukiman penduduk, air yang keruh dan berasa asam karena wilayahnya berupa rawa, atau juga karena faktor topografi dimana sumber air berada dalam gua perbukitan yang elevasinya lebih rendah dari pemukiman penduduk  (daerah pelayanan) sehingga air tidak bisa dialirkan secara gravitasi, dll.

Melihat layanan PDAM yang lebih terkosentrasi di wilayah perkotaan, maka untuk penyediaan air bersih di daerah pedesaan atau kampung bisa dilakukan dengan membuat program penyediaan air bersih secara partisipatif (skala kecil) dengan mengandalkan sumbangan sukarela dari warganya atau menyisihkan sebagian dana bantuan dari program PROSPEK, PNPM Mandiri, alokasi dana kampung (ADK), serta dana bantuan lainnya . Sistem penyediaan air bersih yang akan di bangun pada wilayah pedesaan atau kampung lebih dikonsentrasikan pada sistem komunal bukan individu serta menggunakan teknologi tepat guna yang berbiaya rendah dalam operasi dan pemeliharaannya.

B. Tahapan Perencanaan SPAB 

1. Pemilihan Sumber Air Baku

Air baku adalah air yang berasal dari sumber air yang perlu atau tidak perlu diolah menjadi air bersih. Dalam memilih sumber air baku yang berpotensi baik dari segi kualitas maupun kuantitas (mata air, air tanah, air hujan, air permukaan). Ketika mencari dan memilih sumber air baku, carilah sumber air yang nantinya bisa diinput teknologi sederhana yang mengedepankan pengaliran air secara gravitasi, serta ketika dioperasikan perawatannya mudah dan murah. Misalnya cari sumber mata air yang elevasinya lebih tinggi dari pemukiman penduduk (daerah pelayanan), supaya air bisa dialirkan secara gravitasi.

Kendala akan dihadapi apabila sumber air baku elevasinya lebih rendah dari pemukiman penduduk (daerah pelayanan), pasti butuh bantuan pompa untuk mengangkat air. Jika menggunakan pompa, pasti butuh listrik dan bagaimana kalau di desa tidak ada listrik, pasti teknologi yang digunakan semakin rumit dan anggaran yang dibutuhkan cukup besar. Misalnya sumber mata air (air baku) berada dalam gua perbukitan yang elevasinya lebih rendah dari pemukiman penduduk yang belum dialiri listrik dari gardu induk PLN, alternatifnya bisa dengan instalasi listrik tenaga matahari (panel surya) untuk mengangkat air ke permukaan, tapi biayanya lebih besar dibandingkan sistem gravitasi.

2. Pengukuran Debit (Kuantitas)

Cek kuantitas sumber air, misalnya sumber air permukaan (sungai, mata air, dll). Cek kuantitas air sungai, jika tidak ada air atau kering pada musim kemarau panjang, maka sungai tidak dapat digunakan sebagai sumber air.

Cek kuantitas air sungai sungai, jika sungai tidak pernah kering dan tersedianya data hasil pengkuran debit minimum pada musim kemarau panjang, maka sungai dapat digunakan sebagai sumber air.

3. Pengukuran Kualitas Air Sungai

Pengukuran kualitas air baku dilakukan di laboratorium, kemudian hasilnya dibandingkan dengan standar kualitas yang berlaku, sesuai dengan Keputusan Menteri Kesehatan 907/Menkes/SK/VII/2002. Jika kualitasnya di bawah standar, akan menjadi bahan evaluasi untuk memilih kira-kira teknologi tepat guna seperti apa yang bisa digunakan untuk meningkatkan kualitas air sehingga layak untuk dikonsumsi penduduk.

4. Penentuan Jumlah Penduduk dan Kepadatan Penduduk

Data jumlah penduduk dan kepadatan penduduk dipakai untuk menentukan daerah pelayanan.

5. Menghitung Kebutuhan Air Bersih

Kebutuhan air total dihitung berdasarkan jumlah pemakai air yang telah diproyeksikan untuk beberapa tahun mendatang dan kebutuhan rata-rata setiap pemakai dengan setelah ditambahkan 20% faktor kehilangan air (kebocoran). Kebutuhan total ini dipakai untuk mengecek apakah sumber air yang dipilih dapat digunakan. Kebutuhan air bersih ini didasarkan atas pelayanan dengan menggunakan Hidran Umum (HU).

6. Menentukan Sistem Pengolahan Air Bersih

Dalam menentukan sistem pengolahan air bersih di pedesaan akan tergantung oleh kualitas sumber air baku, namun demikian pada umumnya diusahakan harus sederhana, murah dalam biaya pembangunan, operasional dan pemeliharaannya.

C. Contoh Perhitungan dengan Permisalan Kasus

Suatu sumber mata air (sumber air baku) yang dari segi kualitas baik, setelah dilakukan pengukuran diketahui memiliki debit 5 liter/detik. Direncanakan sumber air ini akan melayani kampung B yang memiliki jumlah penduduk pada tahun 2014 adalah 350 jiwa dengan pertumbuhan penduduk sebesar 1,2 % per tahun. Asumsi kebutuhan air bersih penduduk 60 liter/orang/hari (skala komunal), dengan tahun perencanaan sampai 2020. Apakah sumber mata air tersebut layak dan mampu memenuhi kebutuhan air bersih warga kampung B dalam kurun waktu yang sudah direncanakan dan tentukan sistem pengolahan air bersih yang cocok ?

Jawab :

*) Hitung proyeksi jumlah penduduk tahun rencana 2020

P_n = P_o (1+r)ⁿ

= 350 (1 + 0,012)⁶

= 350 (1,012)⁶

= 376 orang

*) Hitung kebutuhan air bersih, Q_md

Q_md = P_n X q X f_md

Q_md = 376 x 60 liter/orang/hari x 1,05

= 23688 l/hari

= 0,27 l/detik

*) Hitung kebutuhan total air bersih, Qt

Qt = 0,27 l/detik X 100/80

= 0,3375 l/detik

*) Bandingkan dengan debit sumber mata air (air baku)

Kebutuhan total air bersih 0,3375 liter/detik atau sekitar 29.160 liter/hari. Sedangkan sumber air baku (mata air) menghasilkan 5 liter/detik atau 432.000 liter/hari dan antara debit yang dihasilkan mata air dengan kebutuhan total air bersih ada surplus sekitar 402.840 liter/hari.

*) Tentukan sistem pengolahan air bersih

Dalam menentukan Sistem pengolahan air bersih pedesaan (SPAB) akan tergantung oleh kualitas sumber air baku. Berdasarkan pengalaman dan SPAB yang ada di pedesaan , instalasi pengolahan umum yang ada dan digunakan sebagai berikut :

a. Bangunan Intake (Penyadap)

Berupa pipa sadap (PVC/Gl) yang dihitung :

b. Bangunan Penampung

Volume bak penampung   = waktu detensi (td) x Q

                                        = 3 jam x 0,3375 l/detik

                                        = 4 m³

Dimensi bak penampung :

                                 Panjang     = 2,0 meter

                                 Lebar        = 2,0 meter

                                 Tinggi        = 1,5 meter

c. Bangunan Saringan Pasir Lambat (SPL)

Luas Permukaan (A) = Qt /v filtrasi = 0,3375 l/dt  / 0,3 m³/m²/dt = 4,5 cm²

Jumlah unit bangunan SPL = 2 unit

                                        = 4,5/2 = 2,25 m²

Dimensi SPL :  Panjang = 2,25 meter

                       Lebar    = 1 meter

                       Tinggi    = 1 meter

                       Tinggi media filter (pasir ) = 0,75 meter

                       Efective Size (ES) = 0,15 – 0,35 mm

d. Bangunan Hidran Umum/Kran Umum (HU/KU)

Bangunan Hidran umum cara perhitungannya sama dengan bak penampung, sehingga dimensinya sama 4 m³, mengingat jarak maksimum antara hidran umum maksimum 200 meter, maka untuk jumlah penduduk 376 jiwa diperkirakan dapat dilayani oleh 2 unit hidran umum dengan volume masing-masing HU 2 m³.

Gambar Alur Sistem Penyediaan Air Bersih (SPAB)

D. Saran

Air bersih sangat dibutuhkan oleh manusia karena merupakan kebutuhan dasar (basic need), diharapkan pemerintah perlu memperhatikan masalah penyediaan air bersih dan air minum, khususnya di daerah pedesaan atau di kampung-kampung melalui program percepatan pembangunan infrastruktur dasar.

Tingkat pemenuhan air minum merupakan salah satu target dalam MDGs 2015 (millennium development goals) atau tujuan pembangunan milenium. MDGs masih tersisa satu tahun lagi, oleh karena itu sangat diharapkan juga pemerintah membuat program pembangunan yang langsung menyentuh kebutuhan dasar masyarakat (basic need), agar sejumlah target dalam MDGs untuk Indonesia sebisa mungkin terealisasi. (*)

Sumber Pustaka

Petunjuk Praktis Perencanaan Pembangunan Sistem Penyediaan Air Bersih Pedesaan. Departemen Pekerjaan Umum, Direktorat Jenderal Cipta Karya.

Cara Menghitung Kebutuhan Air Bersih Beberapa Tahun Mendatang Melalui Proyeksi Jumlah Penduduk

Jumlah penduduk beberapa tahun mendatang dapat kita perkirakan jumlahnya (proyeksikan) dengan bantuan rumus. Perkiraan jumlah penduduk beberapa tahun mendatang itu sangat berguna dalam perencanaan pembangunan, misalnya dalam hal menghitung kebutuhan air bersih di suatu wilayah dalam beberapa tahun mendatang.

Nah, untuk memperkirakan (proyeksi) jumlah penduduk pada tahun tertentu dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

P_n = P_o (1+r)ⁿ

Keterangan :

P_n   = Jumlah penduduk pada tahun n (ditanyakan)

P_o   = Jumlah penduduk awal

r      = Tingkat pertumbuhan penduduk per tahun (dalam %)

n     = Jangka waktu dalam tahun

Kemudian rumus untuk menghitung kebutuhan air bersih sebagai berikut :

-) kebutuhan air bersih (Q_md)

Q _md = P_n x q x f_md

-) Kebutuhan total air bersih (Qt)

Qt = Q _md X 100/80 (faktor kehilangan air 20%)

Keterangan :

Q_md  = kebutuhan air bersih

Pn     = jumlah penduduk tahun n

q       = kebutuhan air per orang/hari

f_md     = faktor hari maksimum ( 1,05 – 1,15 )

Qt     = kebutuhan air total

Agar lebih paham mengenai cara menghitung kebutuhan air bersih beberapa tahun mendatang melalui proyeksi jumlah penduduk akan dijelaskan pada dua contoh soal berikut :

Soal 1  

Pada tahun 2014 jumlah penduduk daerah A adalah 10.000 jiwa dengan angka pertumbuhan penduduk 2%. Hitung kebutuhan air bersih domestik dan non domestik pada tahun 2018, 2022. Jika diasumsikan konsumsi air bersih untuk kebutuhan penduduk sebesar 120 liter/orang/hari dan untuk kebutuhan non domestik diasumsikan sebesar 30% dari kebutuhan penduduk.

Jawab :

*) Tahun rencana 2018

Proyeksi jumlah penduduk tahun 2018

P_n = P_o (1+r)ⁿ

     = 10.000 (1+0,02)⁴

     = 10.000 (1,02)⁴

     = 10.824 orang

Kebutuhan domestik

Q = P_n X q

    = 10.824 X 120 liter/orang/hari

    = 1.298.880 liter/hari

Kebutuhan non domestik

    = 1.298.880 X 30%

    = 389.664 liter/hari

*) Tahun rencana 2022

Poyeksi jumlah penduduk tahun 2022

P_n = P_o (1+r)ⁿ

     = 10.000 (1+0,02)⁸

     = 10.000 (1,02)⁸

     = 11.717 orang

Kebutuhan domestik

Q = P_n X q

    = 11.717 X 120 liter/orang/hari

    = 1.406.040 liter/hari

Kebutuhan non domestik

    = 1.406.040 X 30%

    = 421.812 liter/hari

Soal 2

Suatu sumber mata air (sumber air baku) yang dari segi kualitas baik, setelah dilakukan pengukuran diketahui memiliki debit 5 liter/detik. Direncanakan sumber air ini akan melayani kampung B yang memiliki jumlah penduduk pada tahun 2014 adalah 350 jiwa dengan pertumbuhan penduduk sebesar 1,2 % per tahun. Asumsi kebutuhan air bersih penduduk 60 liter/orang/hari (skala komunal), dengan tahun perencanaan sampai 2020. Apakah sumber mata air tersebut layak dijadikan sumber air dan apakah sumber mata air tersebut mampu memenuhi kebutuhan air bersih bagi warga kampung B dalam kurun waktu yang sudah direncanakan ?

Jawab :

*) Hitung proyeksi jumlah penduduk tahun rencana 2020

P_n = P_o (1+r)ⁿ

     = 350 (1 + 0,012)⁶

     = 350 (1,012)⁶

     = 376 orang

*) Hitung kebutuhan air bersih, Q_md

Q_md = P_n X q X f_md

Q_md = 376 x 60 liter/orang/hari x 1,05

        = 23688 l/hari

        = 0,27 l/detik

*) Hitung kebutuhan total air bersih, Qt

Qt = 0,27 l/detik X 100/80

     = 0,3375 l/detik

*) Bandingkan dengan debit sumber mata air (air baku)

Kebutuhan total air bersih 0,3375 liter/detik atau sekitar 29.160 liter/hari. Sedangkan sumber air baku (mata air) menghasilkan 5 liter/detik atau 432.000 liter/hari dan antara debit mata air dengan kebutuhan total air bersih ada surplus sekitar 402.840 liter/hari. Kelebihan tersebut bisa digunakan untuk keperluan lain misalnya irigasi atau memberi minum ternak,dll. Maka kesimpulannya adalah sumber mata air (sumber air baku ) tersebut layak untuk dijadikan sumber air bagi warga kampung B untuk enam tahun kedepan karena layak dari segi kualitas, kuantitas dan kontinuitas.

Demikianlah cara menghitung kebutuhan air bersih beberapa tahun mendatang melalui proyeksi jumlah penduduk. Semoga Bermanfaat. (*)

Sumber :

Petunjuk Praktis Perencanaan Pembangunan Sistem Penyediaan Air Bersih Pedesaan. Departemen Pekerjaan Umum, Direktorat Jenderal Cipta Karya.