Sebelum kita membahas transmisi energi melalui cairan, kita perlu memahami beberapa sifat cairan serta cara gaya ditransmisikan melalui cairan tersebut. Hal ini akan membantu kita memahami mengapa sistem hidrolik bekerja sebagaimana adanya.

Cairan

Fluida adalah setiap zat yang tidak memiliki bentuk tetap. Fluida mencakup baik cairan maupun gas.

Cair

Cairan, seperti halnya gas, terdiri atas molekul-molekul. Namun, berbeda dengan gas, molekul-molekul dalam cairan saling tertarik secara kuat sehingga berdekatan — tetapi tidak begitu rapat sehingga terkunci pada posisi tetap seperti dalam zat padat. Oleh karena itu, cairan dapat mengalir bebas dan mengambil bentuk wadahnya.

Gambar 2-1 Molekul cairan (bawah) tersusun rapat dan bergerak terus-menerus, sedangkan molekul gas (atas) berjarak jauh.

Energi kinetik molekuler

Molekul-molekul di dalam suatu cairan selalu bergerak—bahkan ketika cairan tersebut tampak benar-benar diam. Molekul-molekul tersebut terus-menerus meluncur dan meliuk melewati satu sama lain. Gerak molekuler semacam ini disebut energi dalam cairan.

Cairan mengambil bentuk wadahnya

Karena peluncuran molekuler yang terus-menerus ini, cairan mengalir dan memenuhi wadah apa pun yang menampungnya. Baik jumlah cairannya banyak maupun sedikit, cairan tersebut selalu menempati bentuk wadahnya. Kemampuan ini erat kaitannya dengan viskositas, yang akan dibahas pada bab-bab selanjutnya.

Cairan relatif tidak dapat dimampatkan

Karena molekul-molekul cairan tersusun rapat, cairan berperilaku seperti zat padat dalam satu aspek penting: cairan relatif tidak dapat dimampatkan—tidak dapat ditekan menjadi volume yang secara signifikan lebih kecil.

Inilah mengapa penyelam memasuki air dengan kaki terlebih dahulu atau tangan terlebih dahulu ("masuk pisau") alih-alih menyentuh permukaan air dengan perut. Air tidak dapat berpindah cukup cepat saat terkena permukaan datar yang luas, sehingga benturan terasa seperti menabrak benda padat. Kaki atau tangan membelah air dengan area yang kecil, dan area kecil tersebut berarti gaya benturan jauh lebih kecil.

Karena cairan relatif tidak dapat dimampatkan dan mengambil bentuk wadah apa pun, cairan memiliki keunggulan nyata dalam hal mentransmisikan gaya.

Transmisi Gaya

Keempat metode transmisi energi (mekanis, listrik, hidrolik, dan pneumatik) semuanya mampu mentransmisikan baik gaya statis (energi potensial) maupun gaya dinamis (energi kinetik). Ketika gaya statis ditransmisikan melalui cairan, terjadi suatu fenomena khusus.

Gaya yang ditransmisikan melalui cairan

Berbeda dengan gaya yang bekerja pada benda padat, gaya yang diberikan pada cairan terkungkung akan ditransmisikan ke seluruh bagian cairan sebagai tekanan—dan tekanan tersebut sama di setiap titik dalam cairan.

Jika kita mendorong piston yang dapat bergerak yang diletakkan di atas wadah penuh cairan, gaya yang kita berikan menghasilkan tekanan, dan tekanan tersebut menyebar secara merata ke segala arah melalui cairan.

Tidak peduli bagaimana tekanan dihasilkan — baik oleh piston, tangan, gravitasi, pegas, udara terkompresi, atau kombinasi dari semua itu — begitu berada di dalam cairan yang tertutup, gaya berubah menjadi tekanan dan menyebar secara merata ke seluruh bagian cairan.

Karena cairan mengambil bentuk wadah apa pun, tekanan dapat ditransmisikan tanpa memandang bentuk wadah tersebut.

Gambar 2-4: Gaya pada piston berubah menjadi tekanan dalam cairan. Tekanan tersebut menyebar secara merata ke segala arah — inilah prinsip dasar hidrolika.

Hukum Pascal

Sifat cairan untuk menyalurkan tekanan secara merata ke segala arah disebut Hukum Pascal, yang dinamai sesuai penemunya, Blaise Pascal.

Bentuk matematis Hukum Pascal sama dengan rumus tekanan yang diperkenalkan pada Bab 1:

Manometer tekanan

Manometer mengukur tekanan yang bekerja pada cairan dalam sistem. Dua jenis yang paling umum dalam sistem hidrolik adalah manometer tabung Bourdon dan manometer tipe piston.

Manometer tabung Bourdon

Manometer tabung Bourdon terdiri atas dial (skala) dan jarum penunjuk. Jarum penunjuk terhubung ke sebuah tabung logam melengkung dan fleksibel yang disebut tabung Bourdon. Tekanan sistem memasuki tabung melalui inlet. Skala biasanya ditandai dalam satuan psi, bar, atau Pa.

Cara kerja tabung Bourdon

Saat tekanan sistem meningkat, perbedaan luas antara bagian dalam dan luar tabung melengkung cenderung meluruskan tabung tersebut. Gerak pelurusan ini menggerakkan jarum penunjuk melintasi skala untuk menunjukkan tekanan. Manometer tabung Bourdon merupakan instrumen presisi dengan akurasi 0,1% hingga 3,0% dari skala penuh; manometer ini digunakan dalam pengujian laboratorium atau di mana pun akurasi pengukuran tekanan sangat krusial.

Manometer tipe piston

Manometer tipe piston terdiri atas piston, pegas penyeimbang, jarum penunjuk, dan skala. Tekanan sistem bekerja pada permukaan piston, mendorongnya melawan pegas. Perpindahan piston menggerakkan jarum penunjuk melintasi skala. Skala dikalibrasi dalam satuan psi (bar). Manometer piston tahan lama dan ekonomis—merupakan pilihan umum untuk pemantauan sistem sehari-hari.

Gambar 2-6 Manometer tipe piston: tekanan sistem mendorong piston melawan pegas. Perpindahan piston menggerakkan jarum penunjuk.

Mengubah Tekanan menjadi Gaya Mekanis

Mentransmisikan tekanan melalui cairan tertutup hanya berguna jika tekanan tersebut dapat dikonversi kembali menjadi gaya mekanis di suatu tempat. Itulah tugas aktuator (elemen eksekusi) — yaitu menerima tekanan hidrolik dan mengubahnya menjadi gaya mekanis.

Silinder hidrolik merupakan salah satu jenis aktuator.

Silinder hidrolik

Silinder hidrolik menerima tekanan hidrolik dan mengubahnya menjadi gaya mekanis lurus (linier). Melalui sambungan mekanis yang sesuai, gaya tersebut juga dapat dikonversi menjadi gerak rotasi.

Konstruksi silinder

Bagian dasar sebuah silinder meliputi: laras (tabung), tutup ujung, piston, batang piston, serta port masuk/keluar. Setiap ujung dilengkapi satu tutup ujung. Piston dapat bergerak geser di dalam laras. Batang piston terhubung ke piston. Port masuk dan keluar di masing-masing ujung laras memungkinkan minyak kerja mengalir masuk dan keluar.

Gambar 2-8 Penampang silinder hidrolik. Minyak masuk melalui satu port, mendorong piston, sehingga batang piston maju. Minyak yang keluar melalui port lainnya kembali ke tangki.

Cara kerja silinder

Ketika port masuk silinder terhubung ke sistem, silinder menjadi bagian dari sistem tersebut. Tekanan dari titik A menyebar melalui sistem hingga mencapai piston di dalam silinder. Tekanan tersebut yang bekerja pada luas permukaan piston menghasilkan gaya mekanis di titik B — yaitu di ujung batang piston.

Menerapkan tekanan

Ketika tekanan ditransmisikan melalui cairan tertutup, suatu komponen bergerak menghasilkan tekanan tersebut. Dalam semua contoh sejauh ini, komponen bergerak tersebut adalah piston. Dengan membagi gaya dengan luas permukaan piston, diperoleh tekanan dalam sistem (P = F/A).

Perkalian Gaya Mekanis

Hidrolik dapat memperkuat (mengalikan) gaya mekanis. Faktor pengali bergantung pada luas penampang piston silinder hidrolik (dalam in² atau cm²). Karena tekanan ditransmisikan secara merata melalui cairan tertutup, jika luas penampang piston silinder keluaran lebih besar daripada luas penampang piston masukan, maka gaya keluaran akan lebih besar daripada gaya masukan.

Contoh: Gaya sebesar 5.000 lbs (22.200 N) bekerja pada piston dengan luas penampang 10 in² (64,52 cm²), menghasilkan tekanan sebesar:

Tekanan 500 psi yang sama tersebut bekerja pada piston keluaran seluas 15 in² (96,78 cm²):

Gambar 2-9 Perbesaran gaya mekanis. Tekanan yang sama bekerja pada kedua piston, tetapi piston yang lebih besar menghasilkan gaya yang lebih besar. F = P × A.

Penguat Tekanan

Penguat tekanan (juga disebut booster) mampu memperkuat tekanan hidrolik. Alat ini menggunakan dua piston yang dihubungkan oleh satu batang penggerak di dalam satu rumah (housing) bersama, dilengkapi port masuk, port keluar, dan port pembuangan. Piston besar merasakan tekanan sistem; gaya yang dihasilkannya diteruskan ke piston kecil, sehingga menghasilkan tekanan keluaran yang lebih tinggi karena luas penampangnya lebih kecil.

Cara kerja penguat tekanan

Piston besar mendeteksi tekanan sistem dan meneruskan gaya tersebut melalui batang ke piston kecil. Karena luas permukaan piston kecil lebih kecil, tekanan keluaran di ujung piston kecil menjadi lebih tinggi — tekanan ditingkatkan.

Contoh: Gaya sebesar 5.000 lbs (22.200 N) bekerja pada piston besar (luas: 15 in² / 96,78 cm²). Tekanan = 333 psi (22,9 bar). Gaya tersebut diteruskan ke piston kecil (luas: 0,76 cm²). Tekanan keluaran = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Gaya keluaran = 30.000 lbs (133.200 N).

Penggunaan umum penguat tekanan adalah pada perlengkapan penjepit.

Gambar 2-11 Penguat tekanan. Piston besar meneruskan gayanya ke piston kecil, yang memiliki luas permukaan jauh lebih kecil — menghasilkan tekanan keluaran yang jauh lebih tinggi.

Transmisi Energi Hidrolik

Tujuan penggunaan sistem hidrolik (atau metode transmisi energi lainnya) dalam suatu mesin adalah untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Agar sebuah silinder dapat melakukan pekerjaan, silinder tersebut harus memberikan gaya pada beban dan menggerakkannya sepanjang suatu jarak—oleh karena itu, sistem memerlukan komponen yang mampu menggunakan energi guna menyediakan aliran cairan secara terus-menerus.

Akumulator hidraulik

Semua komponen yang telah kita bahas hingga saat ini yang menghasilkan tekanan dalam cairan tertutup menggunakan piston dan silinder. Piston memberikan gaya; silinder mengisolasi cairan. Jenis perangkat semacam ini disebut akumulator.

Akumulator dapat menyimpan energi potensial cairan di bawah tekanan. Energi potensial yang tersimpan tersebut dapat diubah menjadi energi kerja (aliran dan tekanan).

Contoh: Sebuah akumulator bertekanan 500 psi (34,5 bar) menyediakan tekanan untuk mendorong beban. Dari tekanan 500 psi yang tersimpan, sebesar 400 psi (27,6 bar) digunakan untuk mengatasi hambatan beban, sedangkan sisa tekanannya diubah menjadi aliran guna menggerakkan beban.

Akumulator memang memiliki keterbatasan: jika beban sangat besar, tekanan yang tersedia mungkin tidak cukup untuk mengatasinya, sehingga tidak ada pekerjaan yang dapat dilakukan. Selain itu, begitu cairan yang tersimpan sepenuhnya terlepas, aliran pun berhenti.

Untuk menerapkan tekanan yang cukup guna mengatasi beban dan terus menyediakan aliran secara kontinu, diperlukan perangkat yang berbeda—yaitu pompa hidrolik perpindahan positif.

Gambar 2-12: Operasi akumulator. Tekanan yang tersimpan dapat mendorong beban, namun begitu fluida habis, aliran berhenti—akumulator tidak mampu mempertahankan pekerjaan kontinu secara mandiri.

Pompa Hidrolik Perpindahan Positif

Pompa perpindahan positif menghasilkan aliran cairan yang kontinu melalui gerak internal bolak-balik atau putar berulang. Pompa ini memberikan baik energi kinetik (aliran) maupun energi tekanan—yaitu energi kerja yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan hidrolik secara kontinu.

Pompa piston berkebalikan

Pompa piston bolak-balik memiliki piston yang dihubungkan ke penggerak utama (mesin atau motor listrik) melalui engkol atau cam. Katup pemeriksa tipe bola terpasang pada saluran masuk dan saluran keluar masing-masing. Ketika piston ditarik keluar, volume internal membesar, katup bola masuk terbuka, dan cairan mengalir masuk. Ketika piston didorong masuk, volume menyusut, tekanan meningkat, katup bola masuk menutup, dan katup bola keluar membuka—mendorong cairan ke dalam sistem. Gerak bolak-balik terus-menerus menghasilkan aliran berdenyut; tekanan dapat disesuaikan sesuai kebutuhan sistem.

Gambar 2-13 Pompa piston bolak-balik. Piston bergerak masuk dan keluar, mengisap minyak melalui katup pemeriksa masuk dan mendorongnya keluar melalui katup pemeriksa keluar.

Pompa perpindahan positif putar

Pompa yang paling umum digunakan dalam sistem hidrolik industri adalah pompa perpindahan positif putar. Pompa ini menghasilkan aliran bertekanan yang relatif halus dan mudah digerakkan oleh motor listrik atau mesin. Setiap putaran elemen berputar memindahkan volume cairan yang tetap.

Konstruksi pompa putar

Pompa putar memiliki rumah pompa dan susunan komponen berputar. Rumah pompa dilengkapi saluran masuk dan saluran keluar. Susunan komponen berputar menghasilkan aliran dan tekanan. Contoh yang ditunjukkan terdiri atas rotor dan bilah yang dapat bergerak bebas masuk dan keluar dari alur-alur pada rotor.

Cara Kerja Pompa Putar

Susunan komponen berputar dipasang secara eksentris (tidak sepusat) di dalam rumah pompa dan dihubungkan ke penggerak utama melalui poros penggerak—rotor berputar. Saat rotor berputar, gaya sentrifugal mendorong bilah-bilah ke luar menekan dinding rumah pompa, sehingga membentuk ruang-ruang tertutup. Di sisi saluran masuk, volume ruang meningkat dan cairan tersedot masuk. Di sisi saluran keluar, volume ruang menyusut, tekanan meningkat, dan cairan didorong keluar dari sistem. Pompa hanya menghasilkan tekanan sebesar hambatan minimum dalam sistem—tidak lebih dari itu.

Gambar 2-15 Pompa bilah putar. Bilah-bilah yang menempel rapat pada dinding rumah pompa membentuk ruang-ruang yang membesar (saluran masuk) dan mengecil (saluran keluar) saat rotor berputar.

Hambatan dan Tekanan

Dalam sistem hidrolik, tekanan dan hambatan memiliki hubungan langsung. Pompa mendorong cairan ke dalam sistem; tingkat tekanan ditentukan oleh tingkat hambatan. Hambatan tinggi → tekanan tinggi; hambatan rendah → tekanan rendah. Hambatan terhadap aliran fluida menentukan besarnya tekanan yang dihasilkan.

Hambatan pada pompa

Pompa menghadapi dua jenis hambatan: hambatan beban dan hambatan aliran. Jika hambatan aliran diabaikan, satu-satunya hambatan yang ada adalah hambatan beban. Jika diperlukan tekanan 200 psi (13,8 bar) untuk mengatasi hambatan beban, maka pompa menghasilkan tekanan 200 psi dan mengalirkan energi kerja hidrolik ke aktuator, yang kemudian menggerakkan beban.

Hambatan aliran selalu ada. Hambatan ini memaksa pompa menarik lebih banyak energi dari penggerak utama dan menghasilkan tekanan yang lebih tinggi untuk mengatasinya.

Gambar 2-16 Hambatan dan tekanan. Tekanan pompa meningkat untuk mengatasi total hambatan yang dihadapinya — yaitu hambatan beban ditambah hambatan aliran (gesekan).

Konversi energi tambahan

Energi tambahan yang diberikan pompa ke cairan untuk mengatasi hambatan aliran tidak diubah menjadi energi kerja hidrolik yang berguna di aktuator—energi ini dikonsumsi oleh gesekan aliran. Energi yang "dikonsumsi" ini tidak hilang dalam pengertian konservasi energi; energi tersebut diubah menjadi panas, yang meningkatkan suhu cairan. Panas inilah yang merupakan penyebab inefisiensi sistem.

Kecepatan dan Laju Aliran

Dalam sistem hidrolik dinamis (mengalir), cairan bergerak melalui pipa dengan kecepatan tertentu (kelajuan). Kecepatan diukur dalam ft/s (kaki per detik) atau m/s.

Volume cairan yang melewati suatu titik per satuan waktu disebut laju aliran. Dalam sistem hidrolik, satuan yang umum digunakan adalah gpm (gallon Amerika Serikat per menit) atau Lpm (liter per menit).

Kecepatan dan laju aliran saling terkait: untuk mengisi wadah berkapasitas 5 gal (18,95 L) dalam satu menit melalui pipa berdiameter besar, cairan bergerak dengan kecepatan 10 ft/s (3,04 m/s). Melalui pipa berdiameter setengahnya, cairan harus bergerak dengan kecepatan 20 ft/s (6,10 m/s) agar tetap menghasilkan laju aliran 5 gpm yang sama. Laju aliran tetap sama; kecepatannya berbeda.

Gambar 2-17 Laju aliran sama, kecepatan berbeda. Dalam pipa yang lebih kecil, fluida harus bergerak lebih cepat untuk mengalirkan volume yang sama per menit.

Gesekan menghasilkan panas

Cairan yang mengalir melalui pipa hidrolik menghasilkan panas akibat gesekan — semakin cepat alirannya, semakin banyak panas yang dihasilkan. Dalam aplikasi industri, kecepatan cairan yang direkomendasikan di dalam saluran antara pompa dan aktuator adalah 15 ft/s (4,572 m/s).

Lengkungan menghasilkan panas

Cairan yang mengalir dalam pipa lurus dan mencapai sebuah lengkungan harus berubah arah secara mendadak. Molekul-molekul cairan bertumbukan satu sama lain serta dengan dinding pipa — proses ini juga menghasilkan panas. Bergantung pada ukuran pipa, satu buah siku 90° dapat menghasilkan panas sebanyak beberapa kaki pipa lurus.

Perbedaan tekanan

Perbedaan tekanan adalah selisih tekanan antara dua titik mana pun dalam suatu sistem. Perbedaan tekanan memberi tahu Anda dua hal:

1. Hal ini menunjukkan bahwa energi kerja hidrolik (cairan bertekanan yang mengalir) hadir di antara kedua titik tersebut.
2. Ini mengukur seberapa banyak energi hidrolik yang diubah menjadi panas di antara dua titik tersebut.

Contoh: Manometer 1 menunjukkan tekanan 200 psi (13,79 bar); manometer 2 menunjukkan tekanan 180 psi (12,41 bar). Selisih tekanan = 20 psi (1,38 bar). Artinya:

3. Cairan mengalir dari manometer 1 menuju manometer 2.
4. energi hidrolik senilai 20 psi diubah menjadi panas akibat gesekan aliran di antara kedua manometer tersebut.

Gambar 2-19 Selisih tekanan. Penurunan tekanan sebesar 20 psi pada bagian pipa ini menunjukkan bahwa aliran sedang terjadi dan mengkuantifikasi energi hidrolik yang hilang akibat panas gesekan.

Merancang Sistem Hidrolik untuk Mengurangi Panas

Mengubah energi hidrolik menjadi panas berarti sistem membuang energi secara tidak efisien. Untuk meningkatkan efisiensi, perancang harus memilih viskositas oli yang tepat, menentukan ukuran pipa secara akurat, serta meminimalkan jumlah belokan dan sambungan. Semua langkah ini mengurangi hambatan aliran sehingga mengurangi energi yang hilang dalam bentuk panas.

Gambar 2-20 Pembangkitan panas dalam rangkaian nyata. Setiap pipa, sambungan, belokan, dan katup berkontribusi terhadap penurunan tekanan dan kehilangan energi.