Mengapa Pesawat Dapat Terbang?

Mengapa Pesawat Terbang Dapat Terbang: Generation of Lift

Pada suatu hari di kantor di bilangan Jakarta Pusat, Anda mendadak mendapat telepon bahwa Anda ditugaskan untuk berangkat ke Manado untuk suatu pekerjaan. Anda dijadwalkan untuk terbang meninggalkan Jakarta keesokan harinya pada pukul 8 pagi. Pernahkah Anda bertanya, mengapa pesawat terbang bisa terbang di udara? Adakah sesuatu yang salah dengan hukum gravitasi Mr. Newton? Bukankah segala sesuatu yang tidak digantung dan tidak nempel ke tanah harus jatuh kembali ke tanah?

Weight

Setiap sesuatu yang menempati ruang, memiliki massa. Setiap massa yang terpengaruh oleh medan gravitasi, memiliki berat. Hal ini juga berlaku dengan pesawat terbang. Setiap komponen pesawat terbang, mulai dari rangka pesawat, penumpang, sampai dengan bagasi, menambah berat pesawat terbang tersebut.

Gaya berat ini yang menyebabkan setiap barang yang gak nempel ke tanah, atau yang tidak ditahan akan selalu jatuh ke tanah. Gaya berat selalu menarik segala sesuatu ke pusat gravitasi bumi.

Lift

Kalau begitu, pesawat harus ditahan supaya tidak jatuh, dong? Ya, pesawat terbang dapat mengudara karena ditahan oleh gaya angkat (lift) netto yang dihasilkan oleh seluruh badan pesawat. Tentunya, komponen terbesar yang menghasilkan gaya angkat adalah bagian sayap pesawat (wing). Bagaimana lift dihasilkan? Ada tiga nama yang harus disebutkan di sini, Mr. Newton, Mr. Coanda dan Mr. Bernoulli.

Hey, Mr. Newton!

Lift dihasilkan karena aliran udara dibelokkan ketika mengalir melewati sayap. Bahkan, tidak hanya ketika melewati sayap pesawat, lift juga dihasilkan ketika kita menaruh kertas di depan aliran udara pada suatu sudut tertentu. Kata kuncinya adalah: aliran dan pembelokan aliran tersebut. Coba dengan bermain pesawat kertas! Jika pesawat dilepas tanpa diberi dorongan ke depan, pesawat tersebut tetap akan jatuh ke tanah. Ini menunjukkan perlu ada aliran udara agar lift dapat dihasilkan.

Ketika aliran udara dibelokkan, terjadi aksi-reaksi antara aliran udara dan objek yang membelokkan udara tersebut (sayap, kertas). Ketika aliran udara yang awalnya lurus kemudian belok setelah melewati objek tersebut, kita kemudian bertanya, apa yang membengkokkan aliran tersebut. Ya, jawabannya adalah objek tersebut. Artinya, ada suatu gaya yang dikerjakan oleh objek tersebut terhadap aliran udara tersebut. Mr. Newton berkata, untuk setiap aksi akan ada reaksi yang sama besar pada arah yang berlawanan dari aksi tersebut. Objek tadi telah mengerjakan suatu aksi pada aliran udara tersebut, maka, aliran udara juga akan mengerjakan reaksi yang sama besar pada objek tersebut.

Mari kita liat apa yang terjadi pada pesawat kertas kita tadi.

 

The second guy, Mr. Coanda!

OK, sekarang kita telah mengerti bahwa lift dihasilkan karena arah aliran udara dibelokkan. Mengapa aliran udara tersebut bisa belok? Henri Coanda (1886-1972) menemukan suatu fenomena bahwa aliran fluida cenderung menempel ke permukaan di dekatnya. Artinya udara nggak bablas begitu saja, tetapi mengikuti bentuk permukaan di dekatnya. Artinya streamline aliran fluida tersebut akan berubah sesuai dengan bentuk permukaan di dekatnya. Hal ini menyebabkan aliran udara terbelokkan ketika mengenai kertas kita tadi (ataupun ketika melewati permukaan sayap).

Efek Bernoulli

Apa manifestasi nyata dari lift? Apabila berat pesawat dapat dilihat dari gravitasi bumi, lift dapat dilihat sebagai hasil dari perbedaan tekanan antara permukaan atas dan permukaan bawah sayap. Nett lift (gaya angkat netto) hanya bisa terjadi apabila tekanan di bawah sayap lebih besar daripada tekanan di atas sayap. Menurut Bernoulli, hal ini hanya bisa dihasilkan apabila kecepatan aliran di bagian bawah sayap pesawat lebih kecil daripada kecepatan aliran udara di bagian atas sayap pesawat.

And the rotating ball                 

Dapat juga diartikan sebaliknya bahwa lift dapat dihasilkan karena adanya perbedaan kecepatan di antara dua permukaan sehingga terjadi perbedaan tekanan. Hal ini dapat juga dilihat di olahraga tenis lapangan. Pemain tenis berusaha membuat bola mereka berputar (spin). Misalnya ketika melakukan topspin (bola diputar dengan pukulan raket dari bawah ke atas), ini membantu mencegah bola tenis jatuh di luar lapangan. Hal ini disebabkan ketika bola diberikan top spin, bola akan berputar seperti ditunjukkan di gambar di bawah ini. Dengan demikian, kecepatan aliran di atas bola lebih kecil daripada di bawah bola. Hal ini menyebabkan gaya ke bawah (F_m) pada bola tenis yang membantu mencegah bola tidak keluar lapangan.

More Advanced Topics

Bound Vortex and Kutta-Joukowski  

Kutta dan Joukowski adalah dua orang yang memformulasikan bahwa lift dapat dihubungkan dengan sirkulasi/perputaran udara di sekitar suatu objek. Artinya, untuk setiap lift yang dihasilkan, ada suatu perputaran udara yang bisa diasosiasikan dengan lift tersebut. Ini yang dikenal dengan istilah bound vortex di sayap pesawat. Perputaran udara ini menghasilkan lift pada pesawat. Teorema sirkulasi yang dituliskan oleh Kelvin menyatakan bahwa karena pada awalnya ketika pesawat diam tidak ada sirkulasi sama sekali, vortex ini akan membentuk suatu loop yang agar total sirkulasi tetap nol. Akibatnya dapat dilihat seperti pada gambar di samping: adanya starting vortex dan tip vortex.

The Common Fallacies

Kesalahan-kesalahan yang sering ditemukan mengenai bagaimana lift dapat dihasilkan adalah sebagai berikut:

Teori "Longer path" or "Equal Transit Time"

Teori ini mengatakan bahwa airfoil pesawat di-design sedemikian agar panjang lintasan permukaan atas sayap lebih panjang daripada permukaan bawah sayap. Artinya molekul udara di sisi atas sayap harus bergerak lebih cepat daripada molekul di sisi bawah sayap agar mereka bertemu lagi di ujung trailing edge sayap. Teori ini walaupun kedengarannya benar, tetapi didasarkan pada asumsi yang salah, yaitu bahwa molekul udara harus bertemu lagi di ujung sayap. Kalau teori ini benar, kertas kita tadi tidak akan bisa menghasilkan lift. Pada kenyataannya, ada lift yang dihasilkan dari kertas yang diletakkan pada suatu angle-of-attack terhadap aliran udara.

 Teori tumbukan molekul udara

Teori ini mengatakan bahwa lift dihasilkan dari tumbukan udara yang dibelokkan pada sisi bawah sayap. Teori ini salah karena hanya melihat pada sisi bawah sayap saja yang menyebabkan aliran udara membelok. Pada kenyataannya lebih banyak udara yang dibelokkan di sisi atas sayap dibandingkan dengan sisi bawah sayap.