APA YANG DIMAKSUD DENGAN KEKASARAN RELATIF DAN ABSOLUT? - FISIK - 2025

Kekasaran relatif dan kekasaran absolut adalah dua istilah yang digunakan untuk menggambarkan himpunan penyimpangan yang ada di dalam pipa komersial yang mengangkut cairan. Kekasaran absolut adalah nilai rata-rata atau rata-rata ketidakteraturan ini, yang diterjemahkan ke dalam variasi rata-rata jari-jari internal pipa.

Kekasaran mutlak dianggap sebagai properti bahan yang digunakan dan biasanya diukur dalam meter, inci, atau kaki. Untuk bagiannya, kekasaran relatif adalah hasil bagi antara kekasaran mutlak dan diameter pipa, oleh karena itu merupakan besaran tak berdimensi.

Gambar 1. Pipa tembaga. Sumber: Pixabay.

Kekasaran relatif penting karena kekasaran absolut yang sama memiliki efek yang lebih nyata pada pipa tipis daripada yang besar.

Jelas kekasaran pipa berkolaborasi dengan gesekan, yang pada gilirannya mengurangi kecepatan fluida bergerak di dalamnya. Pada pipa yang sangat panjang, fluida bahkan bisa berhenti bergerak.

Oleh karena itu sangat penting untuk mengevaluasi gaya gesek pada analisa aliran, karena untuk mempertahankan pergerakan perlu diberikan tekanan dengan menggunakan pompa. Kompensasi kerugian mengharuskan peningkatan daya pompa, yang memengaruhi biaya.

Sumber kehilangan tekanan lainnya adalah viskositas fluida, diameter tabung, panjangnya, kemungkinan penyempitan, dan adanya katup, keran, dan siku.

Asal dari kekasaran

Bagian dalam pipa tidak pernah sepenuhnya mulus dan mulus pada tingkat mikroskopis. Dinding memiliki permukaan yang tidak rata yang sangat bergantung pada material yang digunakan untuk membuatnya.

Gambar 2. Kekasaran di dalam pipa. Sumber: buatan sendiri.

Selanjutnya, setelah digunakan, kekasaran bertambah karena kerak dan korosi yang disebabkan oleh reaksi kimia antara material pipa dan fluida. Peningkatan ini dapat berkisar antara 5 dan 10 kali nilai kekasaran pabrik.

Pipa komersial menunjukkan nilai kekasaran dalam meter atau feet, walaupun jelas akan berlaku untuk pipa yang baru dan bersih, karena dengan berjalannya waktu, nilai kekasaran tersebut akan mengubah nilai pabriknya.

Nilai kekasaran beberapa bahan untuk penggunaan komersial

Di bawah ini adalah nilai kekasaran absolut yang diterima secara umum untuk pipa komersial:

- Tembaga, kuningan dan timah: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 kaki).

- Besi Cor Tidak Dilapisi: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 kaki).

- Besi tempa: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 kaki).

- Baja terpaku: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 kaki).

- Baja komersial atau baja yang dilas: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 kaki).

- Besi Cor Berjajar Aspal: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 kaki).

- Plastik dan kaca: 0,0 m (0,0 kaki).

Kekasaran relatif dapat dievaluasi dengan mengetahui diameter pipa yang dibuat dengan bahan yang dimaksud. Jika Anda menunjukkan kekasaran absolut sebagai e dan diameter sebagai D, kekasaran relatif dinyatakan sebagai:

Persamaan di atas mengasumsikan pipa silinder, tetapi jika tidak, dapat digunakan besaran yang disebut jari-jari hidrolik, di mana diameternya diganti empat kali lipat nilai ini.

Penentuan kekasaran mutlak

Untuk mengetahui kekasaran pipa, berbagai model empiris telah diusulkan dengan mempertimbangkan faktor geometri seperti bentuk ketidakteraturan pada dinding dan distribusinya.

Sekitar tahun 1933, insinyur Jerman J. Nikuradse, seorang mahasiswa Ludwig Prandtl, melapisi pipa dengan butiran pasir dengan ukuran berbeda, yang diameternya diketahui persis dengan kekasaran absolut. E. Nikuradse menangani pipa dengan nilai e / D berkisar dari 0,000985 hingga 0,0333,

Dalam eksperimen yang terkontrol dengan baik ini, kekasaran didistribusikan secara seragam, yang tidak terjadi dalam praktiknya. Namun, nilai e ini masih merupakan perkiraan yang baik untuk memperkirakan bagaimana kekasaran akan mempengaruhi kerugian gesekan.

Kekasaran yang ditunjukkan oleh produsen pipa sebenarnya setara dengan yang dibuat secara artifisial, seperti yang dilakukan Nikuradse dan peneliti lainnya. Untuk alasan ini terkadang dikenal sebagai pasir setara.

Aliran laminar dan aliran turbulen

Kekasaran pipa merupakan faktor yang sangat penting untuk dipertimbangkan tergantung dari kecepatan pergerakan fluida. Cairan yang viskositasnya relevan dapat bergerak dalam sistem laminar atau dalam kondisi turbulen.

Dalam aliran laminar, di mana fluida bergerak secara teratur dalam beberapa lapisan, ketidakteraturan pada permukaan pipa memiliki bobot yang lebih kecil dan oleh karena itu biasanya tidak diperhitungkan. Dalam hal ini adalah viskositas fluida yang menciptakan tegangan geser antar lapisan yang menyebabkan kehilangan energi.

Contoh aliran laminar adalah aliran air yang keluar dari keran dengan kecepatan rendah, asap mulai menyembur dari dupa yang menyala, atau permulaan dari ink jet yang disuntikkan ke aliran air, sebagaimana ditentukan oleh Osborne Reynolds pada tahun 1883.

Alih-alih, aliran turbulen menjadi kurang teratur dan lebih kacau. Ini adalah aliran di mana gerakan tidak teratur dan tidak dapat diprediksi. Contohnya adalah asap dari dupa ketika berhenti bergerak dengan mulus dan mulai membentuk rangkaian gumpalan tidak beraturan yang disebut turbulensi.

Parameter numerik tak berdimensi yang disebut bilangan Reynolds N _R menunjukkan apakah fluida memiliki satu atau beberapa regim, sesuai dengan kriteria berikut:

Jika N _R <2000 alirannya laminar; Jika N _R > 4000 aliran turbulen. Untuk nilai menengah, rezim dianggap transisi dan pergerakannya tidak stabil.

Faktor gesekan

Faktor ini memungkinkan menemukan kehilangan energi karena gesekan dan hanya bergantung pada bilangan Reynolds untuk aliran laminar, tetapi dalam aliran turbulen, kekasaran relatif ada.

Jika f adalah faktor gesekan, maka ada persamaan empiris untuk mencarinya, disebut persamaan Colebrook. Itu tergantung pada kekasaran relatif dan bilangan Reynolds, tetapi resolusinya tidak mudah, karena f tidak diberikan secara eksplisit:

Itulah mengapa kurva seperti diagram Moody telah dibuat, yang memudahkan untuk menemukan nilai faktor gesekan untuk bilangan Reynolds tertentu dan kekasaran relatif. Secara empiris, persamaan yang memiliki f secara eksplisit telah diperoleh, yang sangat mirip dengan persamaan Colebrook.

Pipa yang menua

Terdapat rumus empiris untuk mengevaluasi peningkatan kekasaran absolut yang terjadi akibat penggunaan, dengan mengetahui nilai kekasaran absolut pabrik e _o :

Dimana e adalah kekasaran setelah t tahun berlalu dan α adalah koefisien dengan satuan m / tahun, inci / tahun atau kaki / tahun disebut kenaikan tahunan dalam indeks kekasaran.

Awalnya dipotong untuk pipa besi cor, tetapi berfungsi baik dengan pipa jenis lain yang terbuat dari logam tidak dilapisi. Dalam hal ini, pH fluida penting dalam hal daya tahannya, karena air alkali sangat mengurangi alirannya.

Di sisi lain, pipa atau plastik berlapis, semen dan beton halus tidak mengalami peningkatan kekasaran yang signifikan seiring waktu.

Referensi

1. Belyadi, Hoss. Seleksi dan Desain Bahan Kimia Fraktur Hidraulik. Diperoleh dari: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mekanika Fluida, Dasar-dasar dan Aplikasi. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Mekanika Fluida dengan Aplikasinya di bidang Teknik. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Mekanika Fluida. 4th. Edisi. Pendidikan Pearson. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hidrolika. Diperoleh dari: sciencedirect.com.