GELOMBANG KEJUT (Shock Wave)

1. Pengertian Gelombang Kejut

Gelombang kejut adalah gelombang dari sebuah aliran yang sangat cepat dikarenakan kenaikan tekanan, temperature, dan densitas secara mendadak pada waktu bersamaan. Seperti gelombang pada umumnya shock wave juga membawa energi dan dapat menyebar melalui medium padat,cair ataupun gas.

Grafik hubungan antara tekanan gelombang kejut dengan waktu
Sumber : www.wikipedia.org

Dari grafik terlihat gelombang kejut terjadi secara mendadak dan cepat dalam waktu yang sangat singkat lalu diikuti dengan pengembangan (tekanan berkurang) gelombang seiring bertambahnya waktu.
Gelombang kejut terjadi diakibatkan karena kecepatan sumber bunyi lebih cepat dari pada kecepatan bunyi itu sendiri. Suatu benda, misal pesawat terbang menembus udara dengan kecepatan beberapa ratus km/jam. Kecepatan cukup rendah ini memungkinkan molekul-molekul udara tetap stabil ketika harus menyibak memberi jalan pesawat tebang. Namun, ketika kecepatan pesawat menjadi sebanding dengan kecepatan molekul-molekul, molekul-molekul tersebut tidak sempat menghindar dan bertumpuk di tepi-tepi depan pesawat dan terdorong bersamanya.

Gambar gelombang subsonik (a) sumber bunyi diam (b) sumber bunyi bergerak ; (c) gelombang kejut dengan kecepatan supersonik

Penumpukan udara bertekanan secara cepat ini menghasilkan “kejutan udara” atau gelombang kejut, yang berwujud dentuman keras. Gelombang bunyi tersebut memancar ke segala arah dan dapat terdengar sebagai sebuah ledakan oleh orang-orang dibawah sana. Dentuman keras tersebut disebut dengan istilah ”Sonic Boom“. Sonic Boom ini memiliki energi yang cukup besar yang mampu memecahkan gelas kaca dan jendela.

2. Kecepatan Suara
Seperti yang kita tahu bahwa kecepatan suara tergantung dari renggangan dan kepadatan materinya. Secara garis besar, dalam suatu medium (bukan hanya udara) kecepatan suara ditentukan dengan persamaan :

c = akar (E/r)

Dimana : c = kecepatan suara dalam suatu medium ( m/s)

E = Modulus Young ( modulus elastisitas) ( N/m2)

r = massa jenis medium ( kg/m^3)

Persamaan (1) tersebut menunjukkan semakin tinggi kepadatan udara, maka semakin kecil kecepatan suaranya. Suara akan merambat lebih cepat di udara hangat bila dibandingkan dengan udara dingin, karena semakin tinggi tekanan, semakin tinggi pula kepadatan udara, dan hal ini biasanya terjadi pada tempat yang bersuhu rendah atau tempat tinggi. karena itu dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk gelombang suara untuk mencapai suatu titik tertentu . Itu sebabnya pesawat supersonik beroperasi paling baik di ketinggian sangat tinggi yang dingin, karena mereka tidak perlu melaju terlalu kencang untuk melampaui kecepatan bunyi. Pada ketinggian 9 km di atas permukaan laut, udara cukup dingin dan tipis sehingga kecepatan bunyi hanya 1100 km/jam.

3. Bilangan Mach
Perbandingan antara kecepatan sumber bunyi dengan kecepatan suara didefinisikan sebagai bilangan Mach (M) yang ditujukan untuk memberikan parameter kecepatan suatu benda terhadap kecepatan suara yang dilaluinya, dan dirumuskan sebagai berikut :

M = v/c

Dimana : M = bilangan Mach
v = kecepatan benda ( m/s)
c = kecepatan suara dalam medium tertentu (m/s)

bila kita mengambil contoh dari penjelasan di atas, maka bila diasumsikan kecepatan pesawat tetap dan kecepatan suara semakin kecil, maka bilangan Mach akan semakin besar sehingga memungkinkan pesawat tersebut melaju dengan kecepatan supersonik lebih cepat daripada bila bergerak pada ketinggian 2 km dengan kecepatan suara sebesar 1211 km.

Tabel harga kecepatan suara untuk atmosfer standar berdasarkan U.S. Standard Atmosphere,1962

Gambar cara menentukan bilangan Mach dengan metode Mach Angel
Sumber : www.adl.gatech.edu/classes/dci/hispd/dci09.html

Nilai Mach selain menggunakan persamaan (2), dapat ditentukan dengan mengilustrasikan gelombang kejut yang terjadi pada suatu medium yang diperlihatkan pada gambar di atas. Dengan mengambil setengan kerucut mach (Mach Cone), akan tampak sebuah segitiga siku-siku. Sumber bunyi bergerak pada titik awal (A) sampai titik B. Gelombang kejut (warna pink) dilukiskan dengan lingkaran yang menyinggung selimut kerucut. Dengan menarik garis dari titik pusat lingkaran sampai garis singgung selimut kerucut didapat jari-jari lingkaran yang saling tegak lurus dengan garis selimut kerucut (OA) yang besarnya sama dengan jarak tempuh kecepatan suara (a*t) di udara. dan jarak AB merupakan jarak tempuh sumber bunyi (u*t). Dengan asumsi pada persamaan (2) bahwa c = a dan v = u, maka didapat :

sehingga disimpulkan :

Dan M disebut dengan Mach Angel.

Dengan adanya Mach number, kecepatan dibagi menjadi empat wilayah yakni:

Subsonik (M<1)

Berasal dari kata (sub = dibawah) dan (sonic= kecepatan suara ), yang berarti kecepatan sumber bunyi dibawah kecepatan suara. Sebagai contoh pada gambar (a) dimana udara disekeliling pesawat memiliki kerapatan yang bervariasi disebabkan tekanan yang bervariasi pula yang terdapat disekeliling pesawat. Hal ini membuat aliran udara yang memiliki tekanan yang lebih rendah dipaksa terbelah dan terlempar ke atas dan kebawah badan pesawat. molekul udara masih sempat bergerak sehingga sedikit terjadi penumpukan molekul-molekul udara. Hingga mencapai tekanan maksimum aliran udara lambat laun akan menyatu kembali seiring dengan turunnya tekanan pada sekeliling pesawat. Sehingga udara mengalir seperti awal kembali.

Sonik (Mach = 1.0)
Sebuah benda seperti pesawat terbang, misalnya, menghasilkan bunyi. Ketika bunyi benda itu mencapai atau melebihi kecepatan bunyi, benda tersebut berhasil menyusul kebisingannya sendiri. Suara/bunyi tidak lain adalah serangkaian pemampatan dan pemuaian udara (gelombang longitudinal). Jika molekul-molekul udara “berkeliaran” dengan kecepatan tertentu, maka ada batas terhadap seberapa cepat udara dapat dimampatkan dan dimuaikan, karena molekul-molekul tidak dapat dimampatkan dan dimuaikan lebih cepat daripada gerak masing-masing terhadap yang lain. Itu sebabnya kecepatan molekul-molekul udara memberi batas terhadap seberapa cepat bunyi boleh melaluinya. Batas tersebut disebut dengan istilah “sound Barrier” seperti yang terlihat pada gambar (b). Istilah sound barrier bukan menujukkan sebuah rintangan dalam arti fisik tetapi lebih menekankan bahwa kecepatan bunyi menghadirkan rintangan terhadap pengembangan suatu benda lebih cepat. Dengan kata lain perintang sesungguhnya ditimbulkan oleh kecepatan bunyi sendiri.

Transonik (0,8 <>

Transonik merupakan peralihan dari kecepatan subsonic menuju kecepatan supersonic. Ada dua keadaan kecepatan transonic terjadi, yaitu :

kecepatan transonik M <>1

Saat kecepatan benda mencapai atau melewati kecepatan suara ( M=1), maka normal shock terbentuk pada ujung sayap sebagai weak oblique shock. Pad bagian depan terbentuk sound barrier dimana aliran subsonic sedikit terjadi pada bagian depan benda ataau sayap pesawat.

Supersonik (Mach > 1.0)

Pada kecepatan supersonic, gelombang kejut mulai terbentuk. Seperti yang dijelaskan sebelumnya molekul-molekul tersebut tidak sempat menghindar dan bertumpuk di tepi-tepi depan pesawat dan terdorong bersamanya. Penumpukan udara bertekanan secara cepat ini menghasilkan “kejutan udara” atau gelombang kejut, yang berwujud sonic boom. Gelombang bunyi tersebut memancar ke segala arah dan dapat terdengar sebagai sebuah ledakan oleh orang-orang dibawah sana.

4. APLIKASI GELOMBANG KEJUT

4.1 PROSES PEMBENTUKAN BERENERGI TINGGI

Proses pembentukan berenergi tinggi ( high energy rate forming HERF), mencakup beberapa proses berkecepatan tinggi dan bertekanan sangat tinggi. HERF atau pembentukan berkecepatan tinggi meliputi proses pemberian energi dengan kecepatan tinggi pada benda kerja, dengan demikian ukuran peralatan dapat di perkecil.
Pembentukan dengan Ledakan Berbagai cara penerapan energi dengan kecepatan tinggi telah di kembangkan, seperti pada gambar 13.24. Pembentukan ledakan dapat melepaskan energi dengan laju tinggi dan tekanan gas serta laju peledakan dapat diatur dengan cermat. Bahan peledak berkekuatan rendah ataupun tinggi dapat di gunakan dalam berbagai proses. Dengan bahan peledak berkekuatan rendah atau sistem patron, gas yang mengembang terkurung dan dapat mencapai kekuatan 700 Mpa. Sedangkan yang berkekuatan tinggi yang meledak dengan cepat dapat mencapai tekanan 20 kali lebih besar. Peledakan yang terjadi di udara atau cairan akan menimbulkan gelombang kejut yang merambat dalam media antara bahan peledak dengan benda kerja. Selain dengan peledakan, tekanan gas yang tinggi dapat dihasilkan dengan ekspansi gas cair, eksplosi campuran gas hidrogen – oksigen, letupan muatan dan pelepasan gas bertekanan.
Gambar 13.24 C dan D menampilkan metoda pemuaian gas. Pada C gas menekan benda kerja dan memaksanya mengikuti bentuk cetakan. Pada D gas menekan piston yang kemudian menekan karet yang menekan bahan tebuk kecetakan dan proses ini berlangsung sangat cepat.

Pipa berdidinding tipis dapat dibentuk dengan peledakan dengan menggunakan serbuk yang meletup. Gas yang mengembang terperangkap dalam pipa memaksa pipa mengikuti bentuk cetakan.

2 MENGHANCURKAN BATU GINJAL DARI LUAR TUBUH

Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (ESWL)

Sesuai dengan namanya, Extracorporeal berarti di luar tubuh, sedangkan Lithotripsy berarti penghancuran batu, secara harfiah ESWL memiliki arti penghancuran batu (ginjal) dengan menggunakan gelombang kejut (shock wave) yang ditransmisi dari luar tubuh. Dalam terapi ini, ribuan gelombang kejut ditembakkan ke arah batu ginjal sampai hancur dengan ukuran serpihannya cukup kecil sehingga dapat dikeluarkan secara alamiah dengan urinasi. Ilustrasi sederhana teknik ESWL dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Penampang interior ginjal A) Sebelum penembakan, B) Gelombang kejut yang difokuskan pada batu ginjal, C) Tembakan dihentikan hingga serpihan batu cukup kecil untuk dapat dibuang secara natural bersama air seni

Saat ini ada 3 jenis pembangkit shock wave yang digunakan dalam ESWL: electrohydraulic, piezoelectric, dan electromagnetic generator. Masing-masing memiliki cara kerja yang berbeda, namun ketiganya menggunakan air sebagai medium untuk merambatkan shock wave yang dihasilkan. Electrohydraulic generator menggunakan spark gap untuk membuat “ledakan” di dalam air. Ledakan ini kemudian menghasilkan shock wave. Sedangkan piezoelectric generator, memanfaatkan piezoelectric efek pada kristal. Sedangkan electromagnetic generator, menggunakan gaya elektromagnetik untuk mengakselerasi membran metal secara tiba-tiba dalam air untuk menghasilkan shock wave. Dari 3 jenis generator di atas, electrohydraulic lithotripter merupakan lithotripter yang paling banyak digunakan saat ini. Diagram skematik dari lithotripter ini dapat dilihat pada Gambar 2.

Dari hasil observasi pada proses ESWL, ditemukan bahwa pada awalnya batu ginjal yang ditembak dengan shock waves pecah menjadi dua atau beberapa fragment besar. Selanjutnya dengan bertambahnya jumlah tembakan, fragment tersebut pecah kembali dan hancur. Umumnya diperlukan sekitar 1000 sampai 5000 tembakan sampai serpihan -serpihan batu ginjal tersebut cukup kecil untuk dapat dikeluarkan dengan proses urinasi. Proses hancurnya batu ginjal diprediksi merupakan hasil kombinasi dari efek langsung maupun tidak langsung dari shock waves. Untuk dapat menjelaskan proses hancurnya batu ginjal, terlebih dahulu kita perlu mengetahui profil dari shock wave yang dihasilkan di titik fokus penembakan.
Secara umum, shock wave ditandai dan diawali oleh high positive pressure (compressive wave) dengan durasi singkat sekitar satu mikrodetik, kemudian diikuti oleh negative pressure (tensile wave) dengan durasi sekitar tiga mikrodetik

Gambar 3. Shock wave profile, diukur pada titik fokus penembakan

High positive pressure di dalam batu ginjal akan mengalami refraksi dan refleksi, dan akhirnya membangkitkan tensile dan shear stress di dalam batu ginjal. Selanjutnya retak akan terjadi dan merambat hingga menyebabkan batu pecah menjadi dua atau beberapa fragment besar. Pada saat yang sama, tingginya compression stress dapat menyebabkan erosi pada permukaan batu ginjal. Proses di atas dikatakan sebagai efek langsung dari shock wave. Sedangkan negative pressure akan mengakibatkan munculnya cavitation bubbles pada fluida di sekitar batu ginjal dan ini dikatakan sebagai efek tidak langsung dari shock wave. Cavitation bubbles ini kemudian akan collapse menghujam permukaan batu ginjal dan menyebabkan erosi. Ilustrasi dari proses ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Ilustrasi efek langsung dan tidak langsung dari shock wave pada batu ginjal

4.3 DETONASI

Detonasi adalah proses kimia-fisika (proses pembakaran) yang mempunyai kecepatan reaksi sangat tinggi, sehingga menghasilkan gas dan temperature sangat besar yang semuanya membangun ekspansi gaya yang sangat besar pula.
Proses terjadninya detonasi diawali kecepatan reaksi yang sangat tinggi(3000 – 7500 m/s) tersebut menyebarkan tekanan panas ke seluruh zona peledakan dalam bentuk gelombang tekan kejut (shock compression wave) dan proses pembebasan energi berakhir dengan ekspansi hasil reaksinya. Karena detonasi merupakan proses pembakaran maka detonation sendiri adalah salah satu cabang ilmu dari pembakaran. Pembakaran itu sendiri didefinisikan sebagai suatu urutan reaksi kimia antara suatu bahan bakar dan suatu oksidan disertai dengan produksi panas yang kadang disertai cahaya dalam bentuk pendar atau api.
Adapun 3 syarat yang harus dipenuhi (syarat utama),yaitu:
1. Bahan bakar
2. Oksidizer
3. Sumber kalor
Pembakaran diklasifikasikan sebagai berikut :
-Bahan bakarnya (gas, padat, cair, hybrid),
-Cara bercampurnya bahan bakar (premix, difusi),
-Tingkat olakan dari apinya (laminar, turbulance),
-Kecepatan rambat pembakarannya (deflagrasi,detonasi)

Adapun ciri – ciri dari detonasi dengan deflagrasi dijlaskan pada tabel berikut :

Detonasi tidak sama dengan knocking, begitu pun juga dengan explosion tidak sama dengan detonasi hanya persamannya baik detonasi maupun exploison sama-sama melepas kalor dengan cepat.. Secara singkat perbedaan dari knocking, detonasi dan exploison dijelaskan pada tabel berikut :

Detonasi tidak sama dengan knocking, begitu pun juga dengan explosion tidak sama dengan detonasi hanya persamannya baik detonasi maupun exploison sama-sama melepas kalor dengan cepat.. Secara singkat perbedaan dari knocking, detonasi dan exploison dijelaskan pada tabel berikut :