TAJUK : HENTAMAN JET

OBJEKTIF :

1. Untuk mengukur daya sebenar yang dikeluarkan oleh jet air ke atas:a) sebuah plat ratab) sebuah mangkuk hemisfera

2. Membandingkan keputusan yang didapati secara percubaan dan keputusan yang didapati secara teori.

RADAS :

1. Radas hentaman jet2. Tangki hidraulik3. Alat penimbang4. Jam randik5. Jisim pemberat6. Plat rata7. Mangkuk hemisfera

RADAS HENTAMAN JET

1

TEORI :

Apabila air dengan halaju tertentu dipancutkan dari muncung jet yang bergaris pusat ‘d’ ke atas permukaan piring (plat rata / mangkuk hemisfera). Kadar perubahan momentum pancutan air akan dihasilkan dan magnitudnya adalah sama dengan daya yang dikenakan oleh permukaan piring untuk menyokong pancutan air.

Daya hentaman

Apabila jet bendalir menghentam sesuatu plat atau melalui bahagian bengkok didalam sebuah paip,ianya menimbulkan daya hentaman keatas plat atau bahagian bengkok paip tersebut.

Prinsip impuls-momentum

Untuk topic hentaman daya ini prinsip daya impuls-momentum juga dikenali sebagai persamaan momentum digunakan.Daya impuls atau daya dari luar unsur bendalir diperolehi dari perubahan momentum iaitu kadar momentum jet masuk + daya impuls =kadar momentum jet keluar atau daya impuls =Kadar momentum keluar – Kadar momentum masuk.Inilah prinsip impuls momentumPersamaan diatas sama dengan persamaan momentum

F = m ∆ v Dimana F = daya luar unsur bendalir m∆v = kadar perubahan momentum

=kadar momentum keluar – kadar momentum masuk

Daya impuls = Daya luar = FTetapi yang diperlukan adalah daya hentaman oleh bendalir iaitu D.Dari hukum Newton,daya hentaman D oleh bendalir adalah sama nilainya tetapi berlainan arah dengan daya luar yang bertindak keatas bendalir tersebut iaitu F.Ataupun D =-F

Hentaman jet

Hentaman normal pada plat diam Halaju jet = vLuas jet = aKetumpatan bendalir = ρMomentum adalah satu vector.

2

Disini momentum jet adalah normal kepada plat dan momentum tersebut dimusnahkan oleh plat yang diam itu. Oleh sebab momentum dimusnahkan.

Oleh sebab itu momentum keluar = 0

Daya yang dikenakan oleh plat keatas bendalir

F = O- kadar momentum masuk = -mvtetapi daya hentaman oleh bendalir yang normal kepada plat,D = -F Oleh sebab itu D = mv = ρ av² Dimana m = kadar alir jisim (kg/s) Dan kuasa jet =½ mv² = ½ ρ av³ (watts)

Daya = Kadar perubahan momentum pancutan air (Jisim bendalir / masa) × Perubahan halaju

Daya teori untuk kedua-dua jenis plat diberi untuk persamaan seperti berikut:

Plat rata:

Ft = Q(V –Vֽ) = ρ av (v – v cos ө) = ρ av² - pav² cos ө

Untuk plat rata, ө = 90° menjadikan cos ө = 0Maka Ft = ρ av² ……………(1)

Mangkuk hemisfera:

Ft = Q(V –Vֽ) = ρ av (v – v cos ө)

Untuk mangkuk hemisfera,ө = 180° (lihat gambarajah 2) menjadikan cos ө = -1Maka Ft = ρ av (v-(-v)) = 2 ρ av² ……………..(2)

3

Dengan ,

Ft = daya teori yang dikenakan oleh permukaan piring,NewtonFs = daya sebenar pemberat,Newton Q = kadar alir air,liter / saat A = luas keratin muncung jet, mm ρ = ketumpatan air ,kg/m³ө = sudut aliran air selepas menghentam permukaan piringv = halaju pancutan air sebelum menghentam permukaan piring

V´ = Halaju air selepas menghentam permukaan piring(V´ = V –V cos)

Fs = pemberat (gram) × 9.81 m/s² 1000 gram /kg = gram × 9.81 × 10¯¹º Newton

4

Rajah 1 : plat rata

5

Rajah 2 : Mangkuk hemisfera

6

Data Ujikaji :

Ketumpatan air,ρ = 1000 kg / m³Halaju air yang dipancut oleh muncung yang bergaris pusat ‘d’

V = Q /Am = liter × 1 × m³ s s m² 10³ liter

Di mana : V = halaju air,m/s Q = kadar isipadu aliran air A = luas muncung yang bergaris pusat ‘d’,m²

A = π / 4 × d² m²= π × (d mm) ² × m² 4 (10³ liter) ²

Garis pusat muncung untuk ujikali ini,d = 5 mm

CARA KERJA

1. Pasangkan plat rata dan muncung yang diberi didalam radas2. Diberi berat minima dengan meletakkan pemberat keatas piringradas supaya

spring menjadi mampat.3. Selaraskan kedudukan penunjuk sama dengan paras piring yang mengandungi

berat minima pemberat keatasnya.Paras ini dianggap piawai.(di mana halaju air adalah kosong, V = 0)

4. Hidupkan pam dan injap di buka sehingga halaju maksima5. Catatkan berat maksima dengan cara menambahkan pemberat keatas piring

sehingga kedudukan piring kembali semula ke paras piawai6. Carikan kadaralir (masa yang diperlukan untuk mengumpul 5 liter air yang

digunakan untuk menyokongberat minima pada paras piawai)7. Kirakan julat pemberat dimana nilai pemberat = berat maksima – berat minima8. Kurangkan jumlah pemberat dari atas piring .Kurangkan kadaralir air sehingga

kembali ke paras piawai.9. Ulangi langkah 7 sehingga ke takat berat minima(bacaan diambil sekurang-

kurangnya 4 bacaan )10. Ulangi uji kaji plat rata dengan mangkuk hemisfera

7

PEMERHATIAN :

Saiz muncung,d = 5 mm

a) Plat rataBerat minimum = 750 gmBerat maksimum = 1150 gm

Berat(g)

F sebenar(Newton)

Masa(saat)

Q(m3/s)X10-4

V(m/s)

F teori(Newton)

Peratus ralat(%)

800 0.491 48.57 1.029 5.203 0.532 8.35850 0.981 34.62 1.444 7.328 1.054 7.44900 1.472 28.15 1.776 9.023 1.599 8.63950 1.962 24.32 2.056 10.452 2.145 9.331000 2.453 21.74 2.299 11.692 2.684 9.421050 2.943 19.85 2.519 12.814 3.224 9.551100 3.434 18.54 2.697 13.721 3.697 7.66

b) Mangkuk hemisferaBerat minimum =750 gmBerat maksimum = 1500gm

Berat(g)

F sebenar(Newton)

Masa(saat)

Q(m3/s)X10-4

V(m/s)

F teori(Newton)

Peratus ralat(%)

800 0.491 69.13 0.733 3.636 0.518 5.97900 1.472 39.52 1.265 6.412 1.615 9.681000 2.453 30.79 1.624 8.247 2.671 8.881100 3.434 28.35 1.764 8.962 3.154 8.151200 4.415 25.30 1.976 10.044 3.962 10.261300 5.396 20.73 2.412 12.268 5.910 9.53

8

CONTOH PENGIRAAN

Daya Sebenar ( Fs )

Fs = Pemberat ( kg ) x 9.81

Pemberat0.8 kg : Fs = ( 0.8 – 0.75 ) x 9.81

= 0.4905 N

KADAR ALIR, Q

Diberi isipadu air : 5 liter = ( 5 x 10-3 ) m3 = 0.005 m3

Q = isipadu (m3 ) / masa ( s )

Kadar alir untuk masa : Masa = 48.57 saat Q = 0.005 / 48.57 = 1.029 x 10-4 m3/s

Halaju Aliran , V m/s

Diketahui V = Q / A ( m/s )

dengan A = / 4 ( 0.005 )² = 1.96 x 10-5 m2

Q ( m3/s ) V = Q/A1.029 x 10-4 m3/s 1.029 x 10-4/ 1.96 x 10-5 m2

Maka v = 5.25 m/s

Halaju aliran semasa hentam plat

v2 = u2+2asa = 9.81s = 0.02m

ambil v sebagai halaju aliran semasa hentam platambil u sebagai halaju aliran ketika keluar dari muncung

v2 = 5.252+2(-9.81)(0.02) = 5.203 m/s

9

Daya Teori (Ft) , N

Untuk plat rata = Ft = AV² Diketahui : - Ft = AV² , N , air = 1000kgm-3

, A = 1.96 x 10-5 m2

Daya Teori (Ft) pada halaju ( v ) : -

Ft =(1000)( 1.96 x 10-5 m2)(5.2032)

= 0.532 N

untuk plat hemisfera = 2AV²

Untuk plat rata = Ft = AV² Diketahui : - Ft = 2AV² , N, air = 1000kgm-3

, A = 1.96 x 10-5 m2

Daya Teori (Ft) pada halaju ( v ) : -

Ft =2(1000)( 1.96 x 10-5 m2)(3.6362)

= 0.518 N

SOALAN ;

10

.

1) Plot graf Fs melawan Ft bagi kedua-dua plat .

2) Bandingkan daya teori bagi kedua-dua plat dan apakah kesimpulan yang dapat dibuat : -

3) Dari graf Fs melawan Ft bagi kedua dua plat,dapatkan kecerunan graf dan buat ulasan

4) Bincangkan nilai daya teori yang akan dihasilkan oleh kedua-dua plat sekiranya muncung jet yang bergaris pusar yang lebih besar digunakan untuk memancut air .Apakah hubungan garispusat muncung jet dengan nilai daya teori ?

5) Nyatakan anggapan yang kamu buat semasa melakukan ujikaji ini .

6) Beri 3 kesimpulan yang dapat dibuat dari ujikaji ini

PERBINCANGAN DAN JAWAPAN

2. Perbandingan antara daya teori pada plat rata dengan mangkuk hemisfera dapat di lihat pada bacaan daya teori pada jadual untuk kedua dua plat dimana perbezaan bacaan meningkat apabila berat pemberat bertambah.Di dapati halaju aliran dan tempat hentaman jet amat memainkan peranan penting dalam menentukan bacaan bagi daya teori yang di hitung untuk setiap bacaan.Dari persamaan daya teori,luas permukaan plat juga amat memberikan kesan pada daya teori yang dihitung.Ini kerana pada plat rata hentaman jet memberikan sudut 90º pada plat berbanding 180º pada mangkuk hemisfera.Kaedah ini menjadikan pada mangkuk hemisfera adalah dua kali ganda lebih besar berbanding daya yang mengunakan plat rata.Berat, halaju,dan tempoh hentaman turut mempengaruhi daya hentaman pada plat.

Ralat SistematikRalat pada alat,spring,beban,sifat bahan ini iaitu memamapat dan meregang apabila beban dikenakan menyebabkan kedudukan atau daya beban sebenar yang diperlukan pada plat dan aliran sukar ditentukan.

Ralat ParalaksKesilapan ketika mengambil bacaan ketika ujikaji menyebabkan menilai daya teori dan daya sebenar menunjukkan perbezaan,kecerunan graf tidak seragam.

11

3. Didapati terdapat perbezaan kecerunan yang berlaku daripada kedua-dua graf yang dilukis iaitu :

kecerunan = perubahan y / perubahan x

plat rata plat hemisfera

m = ( 3.0 – 1 ) / ( 3.3 – 1.1 ) m = ( 4.13 – 2.0 ) / ( 4.5 – 2.17 ) = 0.909 = 0.914

Perbezaan kecerunan antara daya teori dan daya sebenar mngkin disebabkan ralat-ralat yang wujud semasa eksperimen dijalankan dan menyebabkan data yang diperolehi tidak persis dan konsisten.Ralat yang berlaku ialah ralat sistematik iaitu pada spring beban .Sifat spring iaitu memampat dan meregang apabila beban dikenakan menyebabkan kedudukan daya yang sebenar yang dikenakan pada plat dan aliran sukar ditentukan.Selain itu berlakunya ralat paralaks iaitu kesilapan ketika mengambil bacaan menyebabkan nilai daya teori dan daya sebenar menunjukkan perbezaan. Ralat ini dikurangkan dengan mengambil bacaan purata daripada 5 bacaan. Kecerunan graf yang dilukis tidak seragam.

Akan tetapi daripada bentuk graf yang dilukis tepat dinyatakan satu saling kaitan antara daya teori dan daya sebenar iaitu daya teori adalah berkadar dengan daya sebenar akan tetapi kewujudan ralat dan faktor lain menyebabkan perkadaran ini sukar diperolehi.

4. Mengikut teori kadar aliran bendalir, halaju bendalir akan bertambah apabila bergerak dari muncung yang besar ke muncung yang lebih kecil. Daya teori adalah berkadar terus dengan halaju aliran. Oleh itu, dapatlah dirumuskan bahawa semakin besar garis pusat muncung semakin kecil daya teori yang dihasilkan.

Plat rata Plat hemisfera

Ft = AV² Ft = 2AV²

= A( Q / A )² = 2Q²/A = Q²/A = 8Q²/d² = Q²/ (/4)d²

5. Anggapan semasa melakukan eksperimen ini adalah :

12

a) Kadar aliran adalah seragam bagi setiap bacaan yang diambil, apabila ketumpatan aliran dapat diabaikan.

b) Kewujudan ralat ketika mengambil bacaan apabila penambahan beban dilakukan.

c) Menganggap tekanan yang dikenakan pada setiap beban yang dilakukan adalah sama dan konsisten.

d) Menganggap bendalir yang sama digunakan sepanjang eksperimen dilakukan.e) Menganggap penetapan jisim bagi setiap pertambahan halaju adalah seragam

dan bergantung kepada ketinggian bagi beban maksimum yang dikenakan.

6. a) kesimpulan pertama

Daripada eksperimen yang telah dijalankan, dapat disimpulkan bahawa halaju aliran bendalir dalam sesuatu jasad dengan geseran yang diabaikan adalah berkadaran dengan daya hentaman jet yang akan dihasilkan oleh aliran tersebut ke atas sesuatu permukaan samada rata atau sebaliknya. Oleh itu sekiranya pengaliran adalah konsisten ini bermaksud daya seragam antara kadar aliran dengan halaju berlaku. Maka pengiraan dan penentuan halaju yang seragam perlu dilakukan untuk sesuatu rangkaian bacaan supaya nilai daya hentaman yang diperoleh adalah berkadar dengan halaju yang telah ditetapkan.

b) Kesimpulan kedua

Melalui pengiraan kecerunan dan persamaan graf garis lurus yang dilakukan, dapat disimpulkan bahawa daya sebenar yang dikenakan oleh sesuatu aliran mestilah berkadaran atau setara dengan daya teori yang diberikan. Daya hentaman jet ke atas plat samada rata atau sebaliknya adalah konsisten bagi daya sebenar dan daya teori tetapi kesilapan dan pengaruh ralat akan menyebabkan daya hentaman jet berubah untuk kedua-dua bacaan. Maka kepersisan alat radas serta ketelitian pelajar dalam mendapatkan sesuatu bcaan adalah amat penting supaya teori hentaman yang sebenar dapat dibuktikan.

a) kesimpulan ketiga

Kepersisan dan kejituan sesuatu ukuran samada bagi plat rata atau mangkuk hemisfera adalah bergantung kepada pengiraan, pemplotan graf dan penghuraian data yang lengkap. Kemudian bagi mendapatkan daya teori yang sebenar , kesemua komponen haruslah ditentukan dengan sempurna seperti halaju aliran dan termasuk luas muncung aliran. Ini disebabkan luas muncung yang lebih besar akan memberikan nilai daya teori yang kecil. Oleh itu pengiraan dan ketelitian dalam pemilihan alat radas yang sesuai akan mempengaruhi kesempurnaan dan ketepatan bacaan seterusnya menjadikan eksperimen adalah berjaya atau sebaliknya.

13