BAB II DASAR SISTEM Pada bab ini akan dibahas beberapa teori yang mendukung skripsi ini sebagai acuan dalam merealisasikan sistem. Pada sub bab 2.1 akan dijelaskan mengenai Prinsip Bernoulli, sub bab 2.2 akan dijelaskan mengenai Wave Motion, sub 2.3 akan dijelaskan mengenai Wave Energy and Power, sub bab 2.4 akan dijelaskan mengenai ACS712 5A dan sub bab 2.5 akan dijelaskan PCDUINO sebagai pengendali utama pada bagian skripsi ini. 2.1. Prinsip Bernoulli Kolom udara Oscillating Water Column memiliki prinsip kerja yang hampir sama dengan prinsip Bernoulli. Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah didalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Definisi persamaan fluida menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik didalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Tekanan didalam pipa adalah tekanan yang tegak lurus terhadap penampang. Pada umumnya tekanan itu tidak akan tetap biarpun cairan tidak mengalir. Sebab telah diketahui dalam hidrostatika bahwa tekanan itu bergantung pada ketinggian. Oleh sebab itu, dapat diambil kesimpulan bahwa didalam pipa aliran ada 3 (tiga) besaran yang saling berhubungan yaitu: 1. Kecepatan (π’), besaran ini berkaitan dengan tenaga gerak. 2. Tekanan (π), besaran ini berkaitan dengan usaha dari luar. 3. Ketinggian (π§), besaran ini berkaitan dengan tenaga potensial/tempat. Masing- masing besaran diatas menentukan persamaan tenaga, sehingga hukum kekekalan tenaga adalah sebagai berikut: “Perubahan tenaga gerak dan tenaga potensial adalah sama dengan usaha yang dikerjakan dari luar.”[1] Energi yang seimbang pada fluida adalah: 5 Potential energy lost + work done by pressure forces = gain in kinetic energy + heat losses due to friction Sehingga dapat ditulis sebagai berikut : ππ π§1 − π§2 + π1 π΄1 π’1 βπ‘ − π2 π΄2 π’2 βπ‘ = 1 π π’22 − π’12 + πΈπ 2 (2.1) Dimana gaya tekanan π1 π΄1 melalui π’1 βπ‘ dan juga untuk π2 π΄2 dan πΈπ adalah gesekan[2]. Gambar 2.1. Ilustrasi konservasi energi: aliran naik dari ππ ke ππ [2]. π¬π , gesekan fluida diabaikan, persamaan sebagai berikut[3,h.31]: ππ π π + πππ + π πππ = ππ π π + πππ + π πππ π ππ +π+ = πππππππ ππ ππ Penurunan persamaan diatas akan dijabarkan sebagai berikut[3,h33]: 6 (π. π) (π. π) Work done = kinetic energy + potential energy βπ = βπΈπΎ + βπΈπ (2.4) Ditinjau pada pipa ke 1, rumus βπ sebagai berikut: βπ = πΉ1 βπ₯1 (2.5) Diketahui bahwa rumus tekanan π pada hukum Pascal adalah: π= πΉ π΄ ππ‘ππ’ πΉ =ππ΄ (2.6) Sehingga didapat βπ sebagai berikut: βπ = π1 π΄1 βπ₯1 (2.7) π΄1 βπ₯1 dapat dikatakan sebagai Volume, sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi: βπ = π π (2.8) Untuk rumus βπΈπΎ , energi kinetik adalah: βπΈπΎ = 1 π(π’22 − π’12 ) 2 (2.9) Karena ditinjau pipa ke 1, maka π’22 = 0, kecepatan pada pipa ke 2 dianggap tidak bergerak/diam dan tanda negatif yaitu usaha dari sistem, sehingga didapat persamaan sebagai berikut: 1 βπΈπΎ = − ππ’12 2 Diketahui bahwa π adalah kerapatan air, dengan rumus sebagai berikut: π π= ππ‘ππ’ π = π π π (2.10) (2.11) Subtitusi persamaan (2.11) ke (2.10) sehingga didapat persamaan baru untuk βπΈπΎ : 1 βπΈπΎ = − π ππ’12 2 (2.12) Untuk rumus βπ, energi potensial adalah βπΈπ = ππ(π§2 − π§1 ) (2.13) Karena ditinjau pipa ke 1, maka π§2 = 0,tinggi pipa ke 2 diasumsikan bernilai 0, tanda negatif berarti usaha yang dilakukan oleh sistem, sehingga didapat persamaan sebagai berikut: βπΈπ = − πππ§1 (2.14) Dengan menggunakan persamaan (2.11),sehingga βπΈπ diperoleh: βπΈπ = −π πππ§1 7 (2.15) Setelah diketahui untuk rumus βπ , βπΈπΎ , dan βπΈπ yang dapat dilihat pada persamaan (2.8), (2.10) dan (2.15). Apabila ketiga persamaan tersebut disubtitusikan ke persamaan (2.4), maka : 1 π π π’12 − π π π π§1 2 Apabila ditinjau pada pipa ke 2 akan sama hasilnya maka: π1 π = − π1 π + 1 π π π’12 + π π π π§1 = ππππ π‘ππ 2 (2.16) (2.17) Apabila persamaan tersebut dibagi dengan π π maka: π1 1 2 + π’ + π π§1 = ππππ π‘ππ π 2 1 (2.18) Sehingga hasil persamaan (2.18) sama dengan persamaan (2.2). Apabila persamaan (2.18) dibagi dengan g, maka akan menghasilkan persamaan ke (2.3) 2.2. Wave Motion Resultan gaya πΉ pada massa permukaan partikel air π yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Permukaan air tegak lurus terhadap resultan dari gaya gravitasi dan sentrifugal yang bekerja pada elemen air massa π. Permukaan air membutuhkan posisi yang dihasilkan oleh resultan ini, sehingga bersinggungan dengan permukaan tegak lurus terhadap πΉ. Sebuah Partikel diatas puncak pada posisi P1, mengalami gaya sentrifugal πππ€ 2 . Sesaat partikel menurun, dan posisi yang dipuncak adalah partikel yang berdekatan. Pergeseran ini dengan fase yang tertunda[2,h403]. Gambar 2.2. Permukaan Gelombang air [2,h403]. 8 Gambar 2.3. Karakteristik Gelombang [2,h403]. Gambar 2.4. Gaya Resultan pada permukaan partikel [2,h403]. P2 adalah posisi partikel pada tingkat air rata-rata, dan permukaan air berorientasi tegak lurus dengan gaya π yang dihasilkan. Pada posisi palung P3, gaya ke bawah yaitu gaya maksimal. Pada P4, partikel hampir mencapai siklus penuh pada pergerakannya[2,h.404]. Gambar 2.5. Percepatan dan kecepatan dari partikel permukaan air (a) permukaan air. (b) percepatan partikel, derivasi umum. (c) kecepatan partikel [2,h404]. 9 Pada awal π = π, partikel pada tingkat air rata-rata, dan seterusnya adalah: π π = − ππ (π. ππ) π Rumus ketinggian permukaan air diatas rata-rata yaitu: dπ = πππ§ π dπ (π. ππ) Diketahui pada gambar bahwa; πππ§ π = πππ πππ π πππ ππππ ≈ π + πππ ππ¨π¬ π π (π. ππ) Karena π β« πππ , sehingga dianggap π , terlihat pada persamaan (2.21) Dari persamaan (2.19), (2.20) dan (2.21) didapat persa,aan sebagai berikut: dπ πππ = π¬π’π§ π dπ π dπ πππ π = ππ¨π¬ −π dπ π π dπ πππ = ππ¨π¬ ππ dπ π (π. ππ) Pada Gambar 2.4(c), kecepatan partikel vertical adalah: dπ = ππ π¬π’π§ π dπ dπ = ππ ππ¨π¬ ππ dπ (π. ππ) Dari persamaan (2.22) dan (2.23) yaitu: ππ π − ππ π π = π π¬π’π§ (π. ππ) Dengan membandingkan persamaan umum gelombang yang berjalan dengan panjang gelombang π dan kecepatan π, didapat sebagai berikut[2,h.405]: π = π π¬π’π§ ππ (π − ππ) π (π. ππ) Diketahui bahwa π = ππ π dan π = π/π» , sedangkan π = ππ π» [4,h.14], sehingga diperoleh : ππ ππ π π− π π π π» ππ ππ π = π π¬π’π§ π− π π π» π = π π¬π’π§ π = π π¬π’π§ ππ − ππ 10 (π. ππ) Hal ini terlihat bahwa gerakan permukaan merupakan gelombang yang berjalan, dimana: π= ππ π ππ (π. ππ) π Dari persamaan (2.24), π = π π dan π = ππ π, sehingga diperoleh pada persamaan (2.27). Hubungan antara periode gelombang dengan panjang gelombang pada kedalaman permukaan air, sehingga dapat diperoleh: π»= ππ π (π. ππ) Dengan persamaan (2.27) akan didapatkan T, sebagai berikut: π»= ππ (ππ π) π (π. ππ) π Kecepatan partikel pada puncak gelombang adalah: π = ππ (π. ππ) Dari persamaan (2.27) diperoleh: ππ π π=π π π π (π. ππ) Untuk kecepatan permukaan gelombang dalam ranah x adalah[2,h.405]: π π=π ππ π π π (π. ππ) Penurunan rumus kecepatan permukaan gelombang dalam ranah x adalah sebagai berikut: π= π π» (π. ππ) Telah diketahui bahwa π» = ππ π , sehingga: π π= ππ π ππ π= (π. ππ) ππ Dengan menggunakan rumus π = ππ π, diperoleh persamaa sebagai berikut: π π= π. ππ π 11 π Diketahui bahwa π = π π , maka: π= π= π ππ π π π (π. ππ) Dengan menggunakan persamaan (2.27) didapatkan: π π π π = ( ππ π) π (π. ππ) Setelah subtitusi dengan persamaan (2.37) ke (2.36) maka akan didapat persamaan (2.32). Kecepatan π disebut kecepatan fase gelombang berjalan yang dilakukan oleh gerakan permukaan. Perhatikan bahwa kecepatan fase π tidak tergantung pada amplitudo π, dan belum tentu berkaitan dengan kecepatan partikel π[2,h.406]. π= ππ ππ π π (π. ππ) Contoh perhitungan: Berapa periode dan kecepatan fase gelombang air dalam, panjang gelombang adalah 100m. Dari persamaan (2.27), ππ = ππ = ππ π π ππ (ππ ms -2 ) πππm π = π. π πππ s-1 Sehingga, ππ π ππ π»= π. π π»= π» = π. π s Dari persamaan (2.38) π= 12 ππ ms −π πππm ππ π π π = ππ ms -1 Sehingga diperoleh nilai π, π», dan π sebagai berikut [2,h.406]: π = πππ m π»=πs π = ππ ms −π (π. ππ) 2.3. Wave Energy and Power Gambar 2.6.Dasar gerakan air, menunjukkan penurunan eksponensial amplitude dengan kedalaman[2,h.407]. Teori dasar dari kedalaman gelombang air yang memperhatikan satu gelombang regular. Partikel-partikel air di dekat permukaan akan bergerak dalam orbit melingkar, di berbagai tahap, di arah perambatan sumbu π. Pada kolom vertikal, amplitudo sama dengan setengah puncak ke puncak palung di permukaannya[2,h.406]. Pada Gambar 2.3(b), terlihat cuplikan unsur air di seluruh suatu luasan muka gelombang. Volum pada suatu luasan muka gelombang dari kerapatan air dan massa π adalah: d π½ = dπ dπ π. ππ dπ = π dπ½ π. ππ Dengan persamaan (2.40), maka: dπ = π dπ dπ (π. ππ) Energi kinetik dari total gerakan gelombang ke bawah laut terhadap satuan panjang dalam ranah π dan satuan luasan muka gelombang. Total energi kinetik terhadap panjangnya gelombang dari dπ adalah π¬π² dπ. Setiap unsur air dari tinggi dπ, panjang dπ dan lebar gerakan melingkar pada kecepatan angular yang konstan π , radius orbit melingkar π dan kecepatan π = ππ pada Gambar 2.3(b). Energi kinetik pada kolom 13 vertikal dari dasar laut ke permukaan adalah πΉπ¬π² dπ. πΉπ¬π² ππ ππππ πerubahan derivatif Energi kinetik dalam hal ini perubahan derivatif yang terjadi pada sumbu π sehingga persamaan energi kinetik terhadap lintasan π sebagai berikut: πΉπ¬π² dπ = π πππ π π. ππ Karena π, gerakan gelombang pada kolom vertikal menyebabkan perubahan pada π, dan π = ππ, akibat gerakan melingkar, sehingga persamaan akan menjadi: πΉπ¬π² dπ = π π dπ dπ ππ ππ π (π. ππ) Setelah persamaan diatas diintegral/penjumlahan cuplikan unsur air tersebut dalam ranah π. πΉπ¬π² = π π π ππ π dπ π (π. ππ) Radius dari orbit melingkar adalah [3,h.407]: π = ππππ (π. ππ) Subtitusi persamaan (2.46) ke persamaan (2.45), maka: π π ππ ππππ ππ dπ π Total Energi kinetik pada kolom vertikal adalah: πΉπ¬π² = π. ππ π=π πππ ππ πππ π¬π² dπ = π dπ dπ π π=−∞ (π. ππ) Setelah proses integral, akan diperoleh: π ππ ππ π¬π² dπ = π dπ (π. ππ) π π ππ π Diketahui bahwa π = ππ π dan ππ = π , Energi kinetik setiap luas muka gelombang dan panjang gelombang adalah: π π ππ π π ππ π ππ ππ π π¬π² = πππ π π π¬π² = (π. ππ) Energi potensial setiap luas muka gelombang dan panjang gelombang adalah: π¬π· = π π ππ π π 14 π. ππ Dengan demikian, pada gerakan harmonik, rata-rata energi kinetic dan energi potensial adalah sama/ekivalen, Sehingga total energi setiap luas muka gelombang dan panjang gelombang adalah: total energi = energi kinetik + energi potensial π¬ = π¬π² + π¬π· π. ππ π π π ππ π + πππ π π π π π¬ = πππ π π π¬= π. ππ Apabila root mean square amplitude adalah ππ π, sehingga; π¬ = ππ(ππππ ππππ ππππππ ππππππππ π)π (π. ππ) Energi setiap unit panjang gelombang dan setiap unit lebar muka gelombang adalah: π¬π = π¬π π¬π = Diketahui bahwa π = ππ π ππ π π ππ ππ π (π. ππ) , sehingga [2,h.408]; π π ππ π ππ π π ππ π¬π = π πππ ππ π¬π = ππ π. ππ Diketahui bahwa π» = ππ π , diperoleh [2,h.409]; π¬π = π¬π = π πππ ππ ππ π π» π πππ ππ π»π ππ 15 π. ππ 2.4. ACS712 ACS712 merupakan sensor arus AC maupun DC yang memiliki 3 macam kategori yaitu 5A, 20A dan 30A dengan sensitivitas yang berbeda-beda sesuai dengan ketentuan pada datasheet. Gambar 2.7. Tabel sensitivitas keluaran pada ACS712[5,h.2] Gambar 2.8. Block Diagram ACS712[5,h.3] 16 Gambar 2.9. Deskripsi pin-out ACS712[5,h.3] Gambar 2.10. Grafik keluaran tegangan ACS712 terhadap arus yang mengalir[5,h.6] 17 Gambar 2.11. Grafik sensitivitas tegangan keluaran terhadap arus pada ACS712[5,h.6] 2.5. PCDUINO3 PcDuino3 memiliki performance yang tinggi, efektif biaya karena satu board dengan komputer. pcDuino3 ini berjalan pada system operasi seperti Ubuntu Linux dan Android. pcDuino3 memiliki HDMI output antar muka layar desktop grafis. pcDuino3 mendukung multi-format 1080p 60fps decoder video 1080p 30fps dan H.264 dan video MPEG4 encoder dengan mesin pemrosesan video hardware built-in. pcDuino merupakan target khusus tuntutan yang berkembang dengan cepat dari komunitas open source. pcDuino3 memberikan rantai alat yang mudah digunakan dan kompatibel dengan ekosistem Arduino populer seperti Arduino Shields. Spesifikasi pcDuino3[6]: ο· 100% kompatibel dengan Arduino Shields ο· 100% kompatibel dengan Linux dan Android ο· Support untuk C, C++ dengan GNU tool ο· Support Java dengan standar Android SDK Phython ο· Arduino pin header, Slot pada Arduino UNO: 14x GPIO, 6x PWM, 6x ADC, 1x UART, 1x SPI, 1x I2C ο· Dilengkapi dengan Ethernet 10M/100Mbps, WiFi, SATA 18 Gambar 2.12. Perangkat pcDuino3 tampak depan Gambar 2.13. Perangkat pcDuino3 tampak belakang[6] 19