Upload
usman-ali
View
244
Download
11
Embed Size (px)
DESCRIPTION
gelombang air laut
Citation preview
BAB 2 KARAKTERISTIK GELOMBANG
2.1 Definisi GelombangGelombang laut atau ombak merupakan gerakan air laut yang paling umum dan mudah kita
amati. Helmholts menerangkan prinsip dasar terjadinya gelombang laut sebagai berikut : “Jika ada
dua massa benda yang berbeda kerapatannya (densitasnya) bergesekan satu sama lain, maka
pada bidang gerakannya akan terbentuk gelombang”.
Gambar 2.1 Panjang dan Tinggi Gelombang
Secara teori, pengertian gelombang laut (ideal) merupakan pergerakan naik turunnya muka
air laut yang membentuk lembah dan bukit mengikuti gerak sinusoidal. Gambar di bawah ini
menunjukkan gerak suatu gelombang yang berada pada sistem koordinat x-y, dan menjalar searah
sumbu x.
3
Gambar 2.2 Gambaran gelombang dan animasinya.
Gelombang pada permukaan laut disebabkan oleh angin. Angin di atas lautan mentransfer
energinya ke perairan, menyebabkan riak-riak, alun/bukit, dan berubah menjadi apa yang kita sebut
sebagai gelombang.
Gambar 2.3 Pergerakan Partikel Zat Cair pada Gelombang
Amati gerak pelampung di dalam gambar animasi gelombang di atas. Perhatikan bahwa
sebenarnya pelampung bergerak dalam suatu lingkaran (orbital) ketika gelombang bergerak naik
dan turun. Partikel air berada dalam satu tempat, bergerak di suatu lingkaran, naik dan turun
dengan suatu gerakan kecil dari sisi satu kembali ke sisi semula. Gerakan ini memberi gambaran
suatu bentuk gelombang. Pelampung yang mengapung di air pindah ke pola yang sama, naik turun
di suatu lingkaran yang lambat, yang dibawa oleh pergerakan air.
4
Di bawah permukaan, gerakan berputar gelombang itu semakin mengecil. Ada gerak orbital
yang mengecil seiring dengan kedalaman air, sehingga kemudian di dasar hanya akan
meninggalkan suatu gerakan kecil mendatar dari sisi ke sisi yang disebut “surge” .
2.2 Penyebab dan Gaya Terjadinya Gelombang LautGelombang terjadi karena beberapa sebab, antara lain:
1. Karena angin. Gelombang terjadi karena adanya gesekan angin di permukaan, oleh karena
itu arah gelombang sesuai dengan arah angin.
2. Karena menabrak pantai. Gelombang yang sampai ke pantai akan terjadi hempasan dan
pecah. Air yang pacah itu akan terjadi arus balik dan membentuk gelombang, oleh karena itu
arahnya akan berlawanan dengan arah datangnya gelombang
3. Karena gempa bumi. Gelombang laut terjadi karena adanya gempa di dasar laut. Gempa
terjadi karena adanya gunung laut yang meletus atau adanya getaran/pergeseran kulit bumi di
dasar laut. Gelombang yang ditimbulkan biasanya besar dan disebut dengan gelombang
“tsunami”. Contoh ketika Gunung Krakatau meletus 1883, menyebabkan terjadinya
gelombang tsunami yang banyak menimbulkan kerugian.
Gaya Pembangkit Gelombang,Gelombang/ombak yang terjadi di lautan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam
tergantung kepada gaya pembangkitnya. Gaya Pembangkit gelombang tersebut antara lain :
1. Pembangkit gelombang laut dapat disebabkan oleh: angin (gelombang angin),
2. Gaya tarik menarik bumi-bulan-matahari (gelombang pasang-surut),
3. Gempa (vulkanik atau tektonik) di dasar laut (gelombang tsunami), ataupun gelombang yang
disebabkan oleh gerakan kapal.
2.3 Bagian-Bagian GelombangSetiap gelombang secara umum memiliki bagian yang sama yaitu crest (puncak), through
(lembah), panjang gelombang, Tinggi gelombang yang ditunjukan oleh gambar berikut :
Gambar 2.4 Kejelasan mengenai Panjang, Tinggi dan Periode
Gelombang serta Puncak dan Lembah Gelombang
5
L = Panjang gelombang (Wave length)
H = Tinggi gelombang (Wave height)
T = Periode gelombang (Wave period)
Crest = Puncak gelombang
Through = Lembah gelombang
Sedangkan bagian-bagian gelombang permukaan dapat dikelompokan sebagai berikut:
a. Gerak osilasi, yaitu gerak gelombang akibat molekul air bergerak melingkar. Gerak osilasi
biasanya terjadi di laut lepas, yaitu pada bagian laut dalam. Adanya gelombang dibangkitkan
oleh kecepatan angin, lamanya angin bertiup, luas daerah yang ditiup angin (fetch), dan
kedalaman laut. Gelombang ini memiliki tinggi dan lembah gelombang. Puncak gelombang
akan pecah di dekat pantai yang disebut breaker atau gelora.
b. Gerak translasi, yaitu gelombang osilasi yang telah pecah lalu seperti memburu garis pantai,
bergerak searah dengan gerak gelombang tanpa diimbangi gerakan mundur. Gelombang ini
tidak memiliki puncak dan lembah yang kemucian dikenal dengan istilah surf. Gelombang ini
dimanfaatkan untuk olah raga surfing.
c. Gerak swash dan back swash berbentuk gelombang telah menyentuh garis pantai.
Kedatangan gelombang disebut swash, sedangkan ketika kembali disebut back swash.
Gambar 2.5 Bagian-bagian dari gelombang
Keterangan :
a. Gelombang osilasi
b. Gelora (surf atau breaker)
c. Gelombang translasi
d. Swash
e. Back swash
f. Arus dasar
6
2.4 Penyelidikan GelombangUntuk mengetahui keadaan gelombang yang sebenarnya, maka perlu diadakan penyelidikan
gelombang dilapangan. Data-data hasil penyelidikan ini kemudian dianalisa untuk perhitungan dan
model test, guna mendapatkan kolam pelabuhan yang tenang.
Penyelidikan harus dilakukan selama mungkin, tetapi bila tidak ada data sama sekali dan
data-data sangat diperlukan misalnya untuk model test, maka penyelidikan dapat dilaksanakan
minimum 3 – 4 bulan, dengan memilih musim dimana diperkirakan gelombang terbesar akan terjadi.
Dalam penyelidikan lapangan ini selain periode dan tinggi gelombang, harus pula arah gelombang
selalu dicatat. Disamping itu harus dilakukan penyelidikan angin pada waktu yang bersamaan
dengan penyelidikan gelombang.
Profil gelombang yang ada dilaut sangatlah tidak teratur, berbeda dengan profil gelombang
yang didapat dari percobaan di laboratorium, dimana profil gelombang dilaboratorium seolah-olah
berbentuk sinusoida. Karena itulah, definisi mengenai periode dan tinggi gelombang , hanya dibuat
sebagai dasar untuk menganalisa data-data. Misalnya : untuk mendapatkan data tinggi gelombang,
kita harus mempunyai minimal 100 data tinggi gelombang secara tidak terputus (Continues Record).
Rata-rata dari seluruh data tinggi gelombang tersebut merupakan Tinggi gelombang rata-rata (H).
Dari data tersebut dapat dibuat persamaan [ Hsign = H⅓ ≈ 1,6 H]
dimana H⅓ = H significant
Tentu saja dari 100 data itu akan ada tinggi gelombang yang lebih besar dari H⅓ (± 13% dari
seluruh data). Dalam hal ini kita bisa mengambil tinggi gelombang maximum (Hmax) sebagai berikut:
[ Hmax ≈ (1,6 s/d 2,0) H⅓]
Begitu pula, periode gelombang pun merupakan bilangan variable seperti halnya tinggi
gelombang. Untuk periode ini telah dibuat persamaan pendekatan
[ Tmax ≈ T⅓ ≈ 1,1 T]
dimana Tmax = periode dari gelombang terbesar
T⅓ = Significant wave periode ( periode dari gelombang significant ).
T = Periode rata-rata
Pemilihan antara Hmax, H⅓ atau H waktu mendesign, tergantung dari type konstruksinya,
untuk steel piling dan vertical wall (caisson) breakwater, pada umumnya didesign terhadap Hmax,
sebab dengan sekali hantaman oleh gelombang besar, kemungkinan konstruksi akan ambruk,
sedangkan untuk rubblemound breakwater, umumnya didesign dengan H⅓ atau Hsignificant, sebab
kemungkinan runtuhnya konstruksi hanya disebabkan oleh jumlah (banyaknya) hantaman
gelombang.
Telah diketahui bahwa gelombang dilaut, variable dalam tinggi, periode dan arah, dapat kita
anggap bahwa gelombang tersusun dari banyak sekali gelombang sinusoidal yang berbeda tinggi,
periode maupun arahnya. Karena itu sangat sulit menentukan bagaimana energi nya didistribusikan,
terutama dalam hal frekuensi dan arah. Fungsi yang menggambarkan distribusi dari energi
7
gelombang disebut wave spectrum, dan parameter yang menunjukan derajat wave energy
concentration terhadap arahnya dinyatakan dengan Smax.
Untuk swell Smax = 75, dimana energi tersebar ± 30o dari arah gelombang, sedangkan untuk
wind waves Smax = 10, dengan sudut penyebaran energi ± 60o dari arah gelombang (Smax = spectrum
maximum).
2.5 Klasifikasi Gelombang2.5.1 Gelombang Konstruktif
Ada dua tipe gelombang, bila dipandang dari sisi sifat-sifatnya. Yaitu:
a. Gelombang pembangun/pembentuk pantai (Constructive wave).
b. Gelombang perusak pantai (Destructive wave).
Yang termasuk gelombang pembentuk pantai, bercirikan mempunyai ketinggian kecil
dan kecepatan rambatnya rendah. Sehingga saat gelombang tersebut pecah di pantai akan
mengangkut sedimen (material pantai). Material pantai akan tertinggal di pantai (deposit)
ketika aliran balik dari gelombang pecah meresap ke dalam pasir atau pelan-pelan mengalir
kembali ke laut.
Gambar 2.6 Gelombang pembentuk pantai
2.5.2 Gelombang DestruktifSedangkan gelombang perusak pantai biasanya mempunyai ketinggian dan
kecepatan rambat yang besar (sangat tinggi). Air yang kembali berputar mempunyai lebih
sedikit waktu untuk meresap ke dalam pasir. Ketika gelombang datang kembali menghantam
pantai akan ada banyak volume air yang terkumpul dan mengangkut material pantai menuju
ke tengah laut atau ke tempat lain.
8
Gambar 2.7 Gelombang perusak pantai
2.5.3 Gelombang Pasang SurutPengertian gelombang yang dijelaskan di atas merupakan gelombang periode singkat
(wave of short period), yang biasanya dibangkitkan oleh tiupan angin di permukaan laut.
Selain tipe gelombang diatas, terdapat juga gelombang periode panjang (wave of long
period) yang mempunyai periode lebih lama dari gelombang yang disebabkan oleh angin.
Beberapa proses alam yang terjadi dalam waktu yang bersamaan akan membentuk variasi
muka air laut dengan periode yang panjang. Yang termasuk dalam kategori gelombang
periode panjang, antara lain: gelombang pasang surut (astronomical tide/tidal wave),
gelombang tsunami, dan gelombang badai (storm wave).
Gelombang pasang surut (pasut) adalah gelombang yang ditimbulkan oleh gaya tarik
menarik antara bumi dengan planet-planet lain terutama dengan bulan dan matahari.
Gelombang ini mempunyai periode sekitar 12,4 jam dan 24 jam. Gelombang pasut juga
mudah diprediksi dan diukur, baik besar dan waktu terjadinya. Sedangkan gelombang
tsunami dan gelombang badai tidak dapat diprediksi kapan terjadinya.
2.5.4 Gelombang PecahGelombang yang menjalar dari laut dalam menuju pantai mengalami perubahan
bentuk karena adanya pengaruh perubahan kedalaman laut. Pengaruh kedalaman mulai
terasa pada kedalaman lebih kecil dari setengah kali panjang gelombang. Dilaut dalam
profil gelombang adalah sinusoidal, semakin menuju ke perairan yang lebih dangkal puncak
gelombang semakin tajam dan lembah gelombang semakin mendatar. Selain itu kecepatan
dan panjang gelombang berkurang secara berangsur-angsur sementara tinggi gelombang
bertambah.
Gelombang pecah dipengaruhi oleh kemiringannya yaitu perbandingan antara tinggi
gelombang dan panjang gelombang. Di laut dalam kemiringan/gradien gelombang
maksimum di mana gelombang mulai tidak stabil diberikan oleh persamaan berikut :
9
Apabila gelombang bergerak menuju laut dangkal, kemiringan batas tersebut
tergantung pada kedalaman relatif d/L dan kemiringan dasar laut, m. Gelombang dari laut
dalam yang bergerak menuju pantai akan bertambah kemiringannya sampai akhirnya tidak
stabil dan pecah pada kedalaman tertentu, yang disebut dengan kedalaman gelombang
pecah db. Tinggi gelombang pecah diberi notasi Hb. Munk (1949 dalam CERC, 1984),
memberikan formula :
2.5.5 Gelombang Angin dan TsunamiGelombang laut itu lebih dipengaruhi proses atmospheric ketimbang proses dari
geologic. Artinya proses-proses serta kondisi udara lebih berpengaruh terhadap kondisi
gelombang ketimbang proses dasar laut.
Gambar 2. 8 Perbedaan Gelombang Angin dan gelombang Tsunami
10
H disebut dengan indeks tinggi gelombang pecah
Tetapi kenapa gelombang tsunami bisa jauh lebih merusak ketimbang gelombang
laut, Gelombang tsunami digambarkan sebagai gelombang yang menjalar sedangkan
gelombang laut biasa adalah gelombang naik-turun biasa, lihat gambar di atas.
Gelombang laut tidak akan bergerak kesamping seperti gelombang tsunami.
Sehingga daya rusak gelombang tsunami akan maksimum pada pinggir pantai. Di laut
gelombang tsunami tidak akan dirasakan oleh kapal laut. Karena kemarin kita menyaksikan
bagaimana gelombang tsunami yang diakibatkan oleh gempa besar (skala diatas 6.8 MI)
yang sangat merusak, tentunya secara intuisi kita melihat bahwa akan ada gelombang besar
ketika ada gempa besar.
Ketika gelombang mencapai pantai, seringkali diikuti dengan peningkatan ketinggian
gelombang karena laut semakin dangkal sedangkan volume air yang mengalir dalam jumlah
yang sama. Ketinggian “tembok gelombang tsunami” (tsunamic wave wall) ini yang terlihat
atau yang diamati di pantai, namun bukan berarti bahwa tinggi gelombang di tengah laut juga
setinggi itu. Hal inilah yang sering mengecoh perkiraan tinggi gelombang tsunami di tengah
laut.
2.6 Teori Gelombang2.6.1 Teori Laplace
Berdasarkan Laplace diperoleh persamaan frekuensi gelombang, bilangan
gelombang dan cepat rambat gelombang, sebagai berikut :
Dimana :
s = frekuensi gelombang
k = bilangan gelombang
g = gravitasi
T = periode gelombang
L = panjang gelombang
h = kedalaman perairan
C = cepat rambat gelombang
H = tinggi gelombang
a = amplitudo gelombang
2.6.2 Teori Gelombang LinearGelombang adalah suatu manifestasi dari gaya-gaya yang bekerja pada fluida yang
cenderung merubah bentuknya melawan tarikan gaya gravitasi dan tegangan permukaan.
Keadaan ini terjadi dalam berbagai bentuk dan ukuran, tergantung pada besarnya gaya yang
bekerja terhadap air (US Army Corps of Engineer, 1984).
Parameter penting untuk menggambarkan gelombang adalah panjang dan tinggi
gelombang, serta kedalaman saat gelombang berjalan. Parameter-parameter yang lain
11
seperti kecepatan dan percepatan partikel air akibat gelombang, dapat diturunkan secara
teoritis dari besaran-besaran ini. Pada Gambar 3.1 diperlihatkan suatu skema dua dimensi
dari sebuah gelombang yang berjalan dalam arah sumbu-x.
Gambar 2.9 Karakteristik Gelombang (Dean dan Dalrymple, 2002)
Periode gelombang adalah waktu yang diperlukan oleh dua puncak gelombang yang
berurutan untuk melewati satu titik yang sama. Saat gelombang berpindah sejauh L dalam
waktu satu periode T, kecepatan gelombang, disebut celerity C, didefinisikan dengan rumus
C = L/T. Ketika gelombang merambat dengan celerity C, partikel air yang menyusun
gelombang tidak bergerak sesuai dengan arah gelombang (Dean dan Dalrymple, 2002).
2.7 Equivalent Deepwater waveSetelah tinggi gelombang akibat refraksi dan difraksi didapat, sebaiknya dihitung pula
Equivalent deepwater wave heights (Ho1)
[Ho1 = Kd.Kr (H⅓)o
Dimana : Kd = Koefisien difraksi
Kr = Koefisien refraksi
(H⅓)o = Tinggi gelombang significant diperairan dalam (significant wave height in the
deepwater).
Pada perairan yang dangkal dan rata harus diperhitungkan pengurangan akibat friction dasar
perairan pada Ho1. sedangkan untuk periodenya dapat diambil sama seperti periode dari deepwater
waves :
[ T⅓ = (T⅓)o ]
Konsep tentang equivalent deepwater waves ini hanyalah anggapan (buatan), untuk memungkinkan
penggunaan data-data laboratorium dua dimensi dari wave breaking, runup dan data-data lain bagi
prototype problems dalam tiga dimensi.
2.8 Fetch.
12
Timbulnya apa yang dinamakan fetch adalah sebagai berikut. Angin meniup dalam air, maka
timbul energi. Energi tersebut bergerak dengan kecepatan Cgr (celerity of energy propagations) dan
timbullah gelombang yang tumbuh (increasing wave). Pertumbuhan gelombang ini disebut fetch dan
jarak pertumbuhan gelombang itu disebut fetch limitation.
Gambar 2.10 Terjadinya apa yang disebut FETCH
2.9 Wave shoalingGelombang yang memasuki perairan dangkal dari perairan dalam akan mengalami
perubahan apa yang disebut wave shoaling. Pertama-tama tingginya sedikit berkurang kemudian
bertambah lagi dengan perlahan-lahan, akibat penyebarannya kearah pantai. Kejadian ini
disebabkan adanya perubahan kecepatan dari wave energy transport atau perubahan dari group
velocity Cgr.
Variasi tinggi gelombang akibat waves shoaling dapat dinyatakan dengan persamaan :
[ H = Ks.Ho’ ]
Dimana Ks = shoaling cocfficient, yang merupakan fungsi dari relative waterdepth (h/Lo) dan wave
steepness (Ho’/Lo), serta telah diestimate dengan berbagai macam teori untuk menghitung harganya.
2.10 Wave Breaking.Untunglah gelombang yang ada dilaut tidak bisa mencapai tinggi yang besar diluar batas
tertentu, sebab menurut hukum hydrodinamic, gelombang beserta ketinggian nya adalah goyah dan
akan pecah dengan sendirinya.
Bila tidak, mungkin harus direncanakan breakwater untuk menahan gelombang yang tingginya lebih
dari 100 mater.
Batas tinggi dari wave breaking tergantung dari panjang gelombang, kedalaman air dan kemiringan
dasar perairan. Untuk perairan dengan kedalaman yang tetap, secara teoritis didapat hubungan
sebagai berikut:
Hb ≈ 0,17 Lo untuk deepwater waves
Hb ≈ 0,83 h untuk very shallow water waves
Sedangkan untuk intermediate depth waves dan very shallow water waves pada perairan dengan
dasar yang miring, sumber informasi untuk menghitung breaker height, datang dari hydraulic model
test. Untuk keperluan ini telah dibuat rumus empiris sebagai berikut :
13
Sebenarnya wave breaking yang ada dilaut lebih kompleks dari pada yang dinyatakan dengan
rumus diatas, sebab ada waves tersusun dari berbagai tinggi yang silih berganti.
Apabila gelombang mendekati pantai, maka pertama-tama gelombang besar pecah diperairan yang
lebih dalam, sementara gelombang kecil tidak pecah, bahkan sampai keperairan yang sangat dekat
dengan pantai.
Daerah dimana gelombang pecah sendiri disebut “ surfzone”. Definisi mengenai breaker height dan
break depth dari proses random wave breaking, merupakan definisi yang tidak jelas, sebab
gelombang pecah tidak terjadi pada satu titik, melainkan bisa terjadi dimana-mana, akibatnya
dibutuhkan sejumlah data dari breaker height dan breaker depth, bila akan menganalisa gaya-gaya
gelombang yang berkerja pada konstruksi atau pantai.
2.11 Transformasi GelombangFenomena gelombang yang terjadi di laut ketika bergerak memasuki daerah pesisir akan
mengalami transformasi gelombang. Adanya transformasi ini akan berpengaruh terhadap proses
pesisir dan pantai setempat. Transformasi gelombang yang terjadi adalah shoaling (pendangkalan),
refraksi dan difraksi (pembelokan arah gelombang) dan juga terjadi fenomena break wave
(gelombang pecah) dan menimbulkan longshore current (arus sejajar pantai).
2.12 Refraksi Gelombang (wave refraction)Didalam pergerakannya menuju pantai, gelombang selalu berusaha untuk mengubah bentuk
dan arahnya. Bila gelombang masuk kedaerah perairan yang relatif dangkal (h ≤ ½L), maka
gelombang tadi mulai mencapai dasar perairan, dan secara perlahan-lahan merubah arah geraknya
terhadap garis tegak lurus pada contour kedalaman perubahan gerak akan terlihat jelas setelah
mencapai pantai, dimana puncak gelombang sejajar dengan garis pantai.
Kejadian diatas disebut wave refraction, yang terjadi akibat perbedaan kecepatan gerakan
gelombang dalam penyebarannya disebabkan perbedaan kedalaman. Wave refraction bukan saja
menyebabkan perubahan arah geraknya, tetapi juga berubah dalam tingginya, perubahan tinggi
gelombang akibat refraction, biasanya dinyatakan dengan Koefisien refraksi (Kr), yang
hubungannya [ H = Kr Ho).
dimana H = tinggi gelombang sesudah refraksi
Ho = tinggi gelombang diperairan dalam (deepwater)
Kr makin kecil, bila : h/Lo makin kecil, (α p)o makin besar dan Smax makin besar.
(Lo = deepwater wave length, (αp)o = incident angle to the deepwater contour).
14
Gambar 2.11 Surfzone, daerah dimana gelombang pecah.
Dimana : Hp = H pada waktu gelombang pecah
hp = h pada waktu gelombang pecah
Daerah dimana gelombang pecah, disebut surfzone. Bila kedalaman air berkurang dari laut menuju
pantai maka puncak-puncak gelombang (crest) menjadi lebih tinggi dan panjang gelombang (L),
menjadi berkurang sehingga nilai L/H menjadi kecil, makin lama crest menjadi makin tajam dan
akhirnya pecah. Pecahnya gelombang pada saat ini crest (puncak gelombang) sejajar pantai dan
peristiwa ini disebut refraksi (wave Refraction).
Bila kedalaman air h = 1,72 H dalam keadaan tidak ada angin, maka timbul yang disebut surf.
Akibat timbulnya surf ini timbul Arus lawan atau Contra
2.13 Difraksi Gelombang (wave diffraction)Gelombang bila dalam pergerakannya dirintangi, misalnya oleh pulau atau breakwater,maka
gelombang tersebut akan berusaha untuk mendorong dan menembus rintangan tersebut. Kejadiaan
ini disebut wave diffraction (difraksi)
Variasi diffracted wave heights dapat dihitung secara teoritis dan secara experiment dengan
hydraulic models. Diffracted wave heights ini sangat dipengaruhi oleh arah gelombang yang datang
pada rintangan, dan terjadi pada banyak parubahan pada periodenya disebabkan keadaan dasar
laut yang sembarang. Berdasarkan hasil perhitungan dan experiment dengan hydraulic models,
maka telah dibuat diagram-diagram tentang variasi dari diffracted wave heights, yang sangat
berguna untuk menaksir distribusi tinggi gelombang didalam kolam pelabuhan.
15
16