MAJALAH KAPAL - 1 -

*)Staf Pengajar Program Studi S1 Teknik Perkapalan UNDIP

EFEK RESONANSI GELOMBANG LAUT TERHADAP STABILITAS KAPAL

Wilma Amiruddin*)

Abstract Resonance of wave very influential on ships stability. When the resonance happened, hence the ship will experience of big enough oscillation. Resonance will be happened if fulfilling condition of forced oscillation period (Te) of effect of style of wave is equal to period of oscillation of natural from hull (T), where it known with simulation of loading condition, change of angle, and variation of wavelength. At some stage opportunity of the happening of resonance can be enough, for example at sample of calculation for GM = 0,35 m, variation of wavelength L = 200 ft - 400 ft with angle β = 0o – 120o. Pursuant of this fact, knowing and taking care of period of natural of hull is importance to guarantee safety and pleasure of moment of ship sail. Keywords : Resonance of wave – ship stability. PENDAHULUAN Sistem keamanan dan kenyamanan saat kapal berlayar adalah prioritas utama dalam pengeksploitasian kapal. Setiap gangguan terhadap faktor tersebut harus diperhatikan dengan baik. Gelombang laut sebagai gaya luar yang bekerja pada badan kapal merupakan gangguan yang cukup signifikan, terutama pada saat terjadi peristiwa resonansi. Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa. Jika rangsangan gaya luar tersebut berosilasi, maka sistem dipaksa untuk bergetar pada frekuensi rangsangannya. Jika frekuensi rangsangan gaya luar sama dengan

salah satu frekuensi natural sistem, maka akan terjadi keadaan resonansi, dan osilasi besar yang berbahaya mungkin terjadi. Kerusakan pada struktur besar seperti jembatan, gedung atau sayap pesawat terbang merupakan kejadian menakutkan akibat resonansi. Kasus resonansi akibat bekerjanya gaya gelombang laut pada badan kapal dapat menyebabkan olengan kapal yang cukup besar yang akan menyulitkan operasi pengendalian kapal oleh ABK, atau pada kondisi yang lebih buruk menyebabkan terbaliknya kapal. Frekuensi natural dari badan kapal harus diketahui dan dijaga dengan sempurna untuk menghindari

terjadinya peristiwa resonansi tersebut. Peristiwa resonansi akan

terjadi jika memenuhi kondisi sebagai berikut :

ωn = ωe ………….. (1) ωn = 2πf, atau ωn = 2π / T

ωe = 2πf, atau ωn = 2π / Te

MAJALAH KAPAL - 2 -

Di mana : ωn = frekuensi sudut natural (rad/det) ωe = frekuensi sudut eksitasi (rad/det) T = periode natural Te = periode eksitasi Berdasarkan rumus di atas peristiwa resonansi dapat juga diidentifikasi berdasarkan periode getaran pada kondisi yang memenuhi T = Te. Periode Natural Badan Kapal Pengaruh gaya gelombang pada badan kapal mengakibatkan gerakan rolling melintang dan memanjang arah kapal. Gerakan rolling melintang adalah gerakan yang paling sensitive dipengaruhi oleh gaya gelombang dari pada gerakan rolling memanjang. Dengan demikian bahasan resonansi gelombang akan sangat signifikan pada pola gerakan rolling melintang . Gerakan rolling melintang kapal memiliki kesamaan dengan gerakan osilasi sebuah pendulum yang terhubung dengan sebuah batang kaku melalui satu sumbu putar. Periode osilasi sebuah pendulum tersebut dapat diekspresikan :

=

mghIT p2 ………………(2)

Di mana : T = periode osilasi I = momen inersia terhadap sumbu putar m = massa pendulum g = percepatan gravitasi h = jarak antara titik berat pendulum

terhadap sumbu putar

Berdasarkan Pers. (2), untuk gerak rolling kapal diperoleh :

=

mgGMIT π2 ……………. (3)

Di mana : T = periode rolling I = momet inersia terhadap sumbu

putar memanjang kapal. m = massa kapal GM = jarak antara titik berat kapal (G) terhadap titik metasenter melintang sebagai pusat gerakan rolling (M).

Nilai mI

proposional terhadap lebar

kapal (B), sehingga dapat ditulis :

( )GMBCT = ………………… (4)

Di mana : C = konstanta ( merchant ships, C = 0,40). B = lebar kapal, GM = tinggi metasenter di atas titik berat kapal. Berdasarkan Pers. (4) dapat dilihat bahwa nilai periode rolling sangat ditentukan oleh oleh nilai GM yang merupakan parameter utama dalam stabilitas kapal. Hubungan parameter GM dalam diagram gaya ketika kapal dalam kondisi miring (heeling) karena bekerjanya gaya gelombang pada badan kapal, dapat dilihat pada Gambar 1. sebagai berikut :

MAJALAH KAPAL - 3 -

Gambar 1. Kapal dengan sudut

kemiringan kecil. Besarnya nilai GM akan menentukan besarnya momen balik (Mr) dari kapal sebagai reaksi dari bekerjanya momen gaya luar pada kapal (Me), di mana besarnya Mr = Me, sehingga dapat diekspresikan : Untuk sudut tak terhingga kecil, sin dθ = dθ :

dMr = D.MG.dθ Untuk sudut kemiringan tertentu, sin θ = θ (sudut heeling 15o – 20o) :

Mr = D.GM .θ Kecepatan dan Periode Gelombang Kecepatan dan periode gelombang dapat ditetapkan dengan menggunakan Teori Gelombang Trochoidal. Teori tersebut dapat diekspresikan dengan menggunakan Kurva Trochoidal (Gambar 2).

Gambar 2. Kurva Trochoidal.

Berdasarkan kurva pada Gambar 2. dapat ditetapkan : Kecepatan di puncak gelombang =

TrV π2

+

Kecepatan di lembah gelombang =

TrrV π2

−

Besarnya energi kinetik selama pergerakan dari puncak ke lembah :

TrmV

TrVm

TrVm

π

ππ

4

2212

21 22

=

−−

+

Besarnya energi potensial yang hilang selama pergerakan dari puncak ke lembah, adalah : mg2r. Jika tahanan gesek atau viskositas diabaikan, maka diperoleh persamaan :

,24 rmgTrmV

=π

π2

TgV = ……. (5)

Sementara : T = L/V …..………………(6) Subtitusi Pers. (6) ke Pers. (5) :

π2LgV = ……………………… (7)

Dengan memasukkan harga π dan g = 32 ft/sec2, diperoleh : V = 2,26 √ L ft/sec. .…………… (8) atau, V = 1,34 √ L knots ……… (9) Subtitusi Pers. (8) ke Pers. (9) :

LL

LT 442,026,2

== …… (10)

Penentuan Peristiwa Resonansi Perhitungan terhadap kemungkinan terjadinya peristiwa resonansi (synchronism) akibat gaya gelombang yang bekerja pada badan kapal dapat ditentukan dengan terlebih dahulu menghitung nilai periode eksitasi atau

MAJALAH KAPAL - 4 -

apparent periode (Te), yang dapat diekspresikan sebagai berikut :

αcos69,1)(26,2 VL

L

Te

-

= .. (11)

Di mana : Te = apparent period (sec) L = panjang gelombang (ft) V = kecepatan kapal (knot) Syarat terjadi resonansi adalah nilai dari periode natural kapal (T) sama dengan nilai dari apparent periode (Te). Penelitian tentang efek resonansi ini perlu dilakukan untuk menjaga kemungkinan terburuk akibat peristiwa resonansi yang sedapat mungkin harus dihindari dengan cara mengetahui besarnya periode natural kapal dan periode getaran paksa (eksitasi) sebagai akibat gaya gelombang. Dampak yang mungkin timbul akibat resonansi ini adalah olengan yang cukup besar hingga terbaliknya kapal.

METODOLOGI Penelitian terhadap kemungkinan terjadi resonansi akibat gaya gelombang yang bekerja pada badan kapal, dapat dilakukan dengan cara simulasi terhadap beberapa parameter terkait, antara lain : a. Perubahan sudut arah gelombang

terhadap posisi diametral kapal, diukur dari arah buritan kapal, ditetapkan sudut dalam derajat sebesar 180, 160, 140, 120, 100, 80, 60, 40, 20 dan 0.

b. Berdasarkan hasil pengukuran di lapangan untuk tekanan angin

yang kuat panjang gelombang bervariasi antara 150 ft hingga 400 ft, maka ditetapkan nilai panjang gelombang adalah 200 ft, 300 ft dan 400 ft.

c. Perubahan atau pengaturan letak muatan, provisi, stores, ballast dan beban lainnya dengan melihat pengaruhnya terhadap tinggi metasenter GM.

HASIL DAN PEMBAHASAN Model kapal yang diteliti sebagai sample perhitungan adalah general cargo dengan spesifikasi sebagai berikut : Panjang kapal (Lpp) = 135,63 ..….m. Lebar kapal (B) = 18,6 …….. m. Tinggi geladak (H) = 11,66……. m. Sarat kapal (T) = 8,30…….. m. Bobot mati (DWT) = 10.200 … ton. Displacemen (D) = 14.990 … ton. Tabel 1.Tinggi Metasenter kapal dalam beberapa kondisi.

Loading condition

Cargo and strores

Cargo no strores

Bal last and sto res

Em pty

Draught forward (m)

7,93 7,32 3,66 3,05

Draught aft (m)

8,54 7,93 6,10 3,96

Cargo (t) 8.269 8.269 - - Oil (t) 1.627 52 527 - Water (t) 254 50 254 - Ballast (t) - 391 2.600 - Crew provis. (t)

50 25 50 -

Displacement (t)

14.990 13.577 8.221 4790

Metacen tric height (m)

0,69 0,35 1,82 1.85

MAJALAH KAPAL - 5 -

Hasil perhitungan periode natural badan kapal (T) Jika ditetapkan C = 0,4 untuk kapal cargo, dan tinggi metasenter sesuai dengan Tabel 1. maka berdasarkan Pers. 4. dapat diperoleh periode natural badan kapal untuk beberapa kondisi (lihat Tabel 2). Tabel 2. Hasil perhitungan Periode natural badan kapal untuk beberapa kondisi.

Kondisi muatan

Cargo and strores

Cargo no strores

Ballast and stores

Tinggi metasenter (GM)

0,69 m 0,35 m 1,82 m

Periode natural (T)

9 dt 13 dt 6 dt

Hasil perhitungan apparent periode (Te) Jika kecepatan kapal V = 15 knot yang berlayar dengan beberapa kondisi panjang gelombang dan berbagai sudut datang terhadap badan kapal, maka berdasarkan Pers. (11) besarnya apparent periode (Te) dapat dihitung dengan hasil seperti terlihat Tabel 3. Tabel 3. Hasil perhitungan apparent periode (Te).

Apprent Periode (Te) Sudut gel dtg (βo)

αo

L = 200 (ft)

L= 300 (ft)

L = 400 (ft)

180 0 30,3 21,7 20,2 160 20 24,6 19,6 18,7 140 40 16,1 15,3 15,6 120 60 10,4 11,3 12,3 100 80 7,2 8,6 9,8 80 100 5,5 7 8,1 60 120 4,5 5,8 6,7 40 140 4 5,1 6,2 20 160 3,6 4,8 5,8 0 180 3,5 4,7 5,7

Berdasarkan hasil perhitungan pada Tabel 2 & 3, dapat diketahui peluang terjadinya resonansi dalam berbagai kondisi dengan cara membandingkan antara nilai T dan Te. Peluang tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Kapal dengan GM = 0,69 m, untuk

L = 200 ft dan L = 300 ft peluang resonansi terjadi pada (β) = 0o – 100o, dan untuk L = 400 ft terjadi pada (β) = 0o – 80o.

b. Kapal dengan GM = 0,35 m, pada seluruh panjang gelombang yang dihitung, peluang resonansi terjadi pada (β) = 0o – 120o.

c. Kapal dengan GM = 1,82 m, peluang resonansi terjadi pada : L = 200 ft dengan (β) = 0o – 80o, L = 300 ft dengan (β) = 0o – 60o, L = 400 ft dengan (β) = 0o – 20o.

Nilai periode yang relativ kecil dari perbandingan nilai tersebut di atas menunjukkan nilai frekuensi yang relativ lebih besar dari nilai-nilai yang diperbandingkan. Pada kasus efek resonansi gelombang ini, jika frekuensi ayunan paksa (subtitusi dari nilai Te) lebih besar dari Frekuensi ayunan natural atau rolling kapal (subtitusi dari nilai T), maka suatu saat frekuensi ayunan paksa ini akan menurun dan memaksa badan kapal untuk berayun atau beroleng dengan olengan yang cukup besar. Berdasarkan kenyataan ini, mengetahui dan menjaga periode natural kapal adalah sangat penting bagi keamanan dan kenyamanan saat kapal berlayar.

MAJALAH KAPAL - 6 -

KESIMPULAN 1.Efek resonansi sangat berpengaruh

pada stabilitas kapal, terkait dengan nilai dari tinggi metasenter GM pada parameter yang dihitung, yaitu periode rolling kapal (T).

2.Peluang terjadinya peristiwa resonansi ditentukan oleh beberapa factor antara lain : perubahan sudut gelombang atau arah kapal, variasi panjang gelombang di laut, dan kondisi muatan di kapal.

3.Pada kondisi tertentu, peluang terjadinya resonansi bisa cukup besar, misalnya untuk kapal dengan kondisi GM = 0,35 m, di mana sebagian besar dari nilai apparent periode (Te) pada seluruh panjang gelombang yang dihitung menunjukan peluang tersebut, yaitu pada sudut gelombang datang (β) = 0o – 120o.

4. Efek resonansi gelombang laut terhadap stabilitas kapal mengharuskan untuk mengetahui dan menjaga periode natural kapal

untuk menjamin keamanan dan kenyamanan saat kapal berlayar. DAFTAR PUSTAKA Burger, w., Corbet, A.G., 1966, Ship

Stabilizers, Pergamon Press, London.

Semyonov, v.,Tyan, Shansky, Statics and Dinamics of the Ship, Moskow.

Schokker Arkenbout, J.C., Neuerburg, E.M., Vossnack, E.J., 1959, The Design of Merchant Ships, N.V. De Technische Uitgeverij H. Stam-

Haarlem, Antwerpen, Djakarta.

Thomson Wiliam, T.,1986, Teori Getaran dan Penerapan, Erlangga, Jakarta.

Wiliam, W., Seto, 1985, Getaran Mekanis, Erlangga, Jakarta.