Bahan Ajar Hk Bernoulli & Desain Airfoil

PENERAPAN AZAS BERNOULLI

A. Tujuan Pembelajaran
Setelah kegiatan pembelajaran 2 ini diharapkan peserta didik mampu :
3.4.1 Mengaitkan manfaat azas Bernoulli dalam kehidupan sehari-
hari.
3.4.2 Menganalisis kecepatan/tekanan di atas/di bawah sayap
pesawat
3.4.3 Menghitung besar gaya angkat pesawat terbang berdasarkan
data yang disajikan.
3.4.4 Mengaplikasikan Azas Bernaulli dalam menyelesaikan
permasalahan pada gaya angkat pesawat terbang

B. Uraian Materi
Aplikasi Azas Bernaulli banyak ditemui dalam kehidupan sehari hari
diantarnya aliran udara pada sayap pesawat terbang.

Gaya angkat pesawat diperoleh karena tekanan di bawah sayap lebih
besar dari pada tekanan di atas sayap, hal itu disebabkan karena perbedaan
bentuk sayap pesawat yang lebih melengkung di bagian bawah pesawat
sehingga kecepatan dibagian bawah sayap lebih kecil dari pada dibagian atas
sayap. Desain sayap pesawat yang berbentuk aerodinamik menyebabkan
kelajuan udara di atas sayap v1 lebih besar daripada di bawah sayap v2 ,
sehingga Dengan menggunakan Azas Bernoulli untuk sayap pesawat dibagian
atas dan sayap pesawat di bagian bawah dimana tidak terdapat perbedaan
ketinggian sehingga energi potensialnya sama-sama nol, didapat:

Dimana:
Fangkat = F2 -F1 = gaya angkat pesawat (N)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luasan sayap pesawat (m2)
v1 = kecepatan aliran udara di atas sayap (m/s)
v2 = kecepatan aliran udara di bawah sayap (m/s)

Saya yakin kita semua pernah memandang ke angkasa dan melihat ada
pesawat terbang yang sedang melintasi udara di atas kita. Mungkin ada di
antara kita yang pernah bertanya “bagaimana mungkin hal ini dapat terjadi”?.

Pertanyaan ini wajar, apa lagi jika kita melihat massa dari pesawat yang
berton-ton sehingga sepertinya mustahil untuk membuatnya dapat terbang
terangkat di atas tanah. Di tambah lagi bahwa massa jenis dari pesawat itu
yang terbuat dari material logam jauh lebih besar dari massa jenis udara
yang bertindak ibarat “Jalan Raya” tempat pesawat tersebut melaju.

Dalam kajian fisika, hal ini sebetulnya bukanlah peristiwa yang mustahil
untuk terjadi, pada dasarnya hanya masalah keseimbangan gaya saja. Sudah
umum di ketahui bahwa benda selalu jatuh menuju pusat bumi karena
adanya gravitasi yang bekerja pada setiap benda. Tetapi, terdapat juga gaya
ke atas yang secara vektor berlawanan arah dengan gaya gravitasi ini. Kedua
gaya inilah yang berusaha direkayasa untuk selanjutnya hasilnya dapat
membuat pesawat dapat terbang. Jika gaya ke atas yang bekerja pada benda
lebih besar dari pada tarikan gravitasinya, maka benda tersebut dapat
terangkat dari tanah, demikian juga sebaliknya.

Terdapat empat gaya mendasar yang bekerja pada benda, yaitu:
1. Tarikan
2. Dorongan
3. Gaya angkat
4. Gaya berat (gravitasi)'

Dalam hukum newton yang pertama dapat disimpulkan bahwa benda
cendrung untuk tetap diam atau bergerak dengan kecepatan konstan kecuali
jika ada pengaruh (gaya) dari luar yang bekerja padanya. Kecendrungan ini
terjadi disebabkan oleh adanya keseimbangan gaya yang bekerja pada benda
tersebut. Jika tarikan yang bekerja pada benda sama besar dengan
dorongannya, maka benda tidak akan mengalami perubahan ditinjau dari
pergerakan horisontalnya. Begitupun yang terjadi jika geya berat pada benda
sama besar dengan gaya angkatnya, maka untuk arah vertikal benda juga
tidak mengalami perubahan. Artinya bahwa, jika keseimbangan ini terganggu
akan mengakibatkan terjadinya perubahan pada benda, bisa horisontal
maupun vertikal.

Gambar: gaya pada pesawat terbang
Maih menurut Newton, dalam hukum keduanya dinyatakan bahwa benda
dengan massa tertentu yang mendapat pengaruh gaya maka benda tersebut

akan mengalami percepatan. Implikasi dari hukum ini adalah untuk kasus
pesawat terbang, kita dapat membuatnya terangkat dari tanah dengan
memberikan gaya angkat untuk pesawat tersebut, gaya angkat ini harus
lebih besar dari gaya yang disebabkan oleh tarikan gravitasi. Penjelasan
tentang gaya angkat ini akan lebih jelas jika kita menggunakan prinsip
bernoulli dan hukum ketiga Newton.

Dalam prinsip bernoulli kita bisa menemukan bahwa fluida yang
mengalir lebih cepat akan menyebabkan penurunan tekanan pada fluida
tersebut. Pada model moncong pesawat terbang, sengaja di desain agar ketika
udara manabrak moncong tersebut akan menyebabkan aliran udara yang
melalui bagian atas pesawat lebih cepat dari pada yang melewati bagian
bawah sayap pesawat terbang.

Gambar: perbedaan kecepatan aliran pada sayap pesawat terbang

Seperti yang telah dinyatakan oleh bernoulli, perbedaan kecepatan ini
selanjutnya mengakibatkan tekanan udara pada bagian bawah sayap akan
lebih besar daripada tekanan dari bagian atas sayap pesawat terbang.
Perbedaan tekanan inilah yang menghasilkan gaya angkat pada pesawat
terbang.
“Jantung” dari performa pesawat terbang adalah sayapnya, karena
tanpa sayap pesawat tidak dapat menjalankan fungsinya, yaitu terbang.
Sedangkan sayap itu sendiri ditentukan oleh bentuk airfoil, maka
pemilihan airfoil menjadi sangat penting dalam mendesain pesawat terbang.
Begitu juga dengan pesawat aeromodelling, pemilihan airfoil menjadi
penting walaupun keterbatasan pembuatan menjadi hambatan utama.
Kalangan aeromodeller sering mengabaikan pemilihan airfoil karena power
loading yang tinggi sudah menutupi karakter airfoil. Tetapi pesawat
aeromodelling dengan performa yang tinggi, menjalankan misi dengan
optimal serta pertimbangan efisiensi energi memerlukan
pemilihan airfoil yang tepat.

Sebelum membahas tentang pemilihan airfoil, alangkah baiknya kita
kenali penamaan/nomenklatur dari airfoil itu sendiri :

 Leading edge : Ujung depan dari airfoil atau sayap yang secara
umum berbentuk cembung.
 Trailling edge : Ujung belakang dari airfoil atau sayap yang
secara umum berbentuk runcing.
 Chord : Panjang garis yang ditarik dari leading edge ke trailing

edge. Chamber : Besarnya jarak antara garis rata-rata airfoil atas dan
bawah terhadap garis tengah (Chord line)
 Thickness : Ketebalan airfoil maksimal.



Dari nomenklatur diatas, didefinisikan pula mean chamber
line dan chord line seperti terlihat pada gambar.

Nomenklatur tersebut penting untuk dipahami karena digunakan

dalam proses pemilihan airfoil. Airfoil didesain menggunakan pengetahuan,
teori dan pengujian yang intensif sehingga akan memakan waktu yang lama
dalam membuat airfoil baru, oleh karena itu, dalam mendesain pesawat
disarankan menggunakan airfoil yang sudah tersedia (kecuali perusahaan
yang sudah besar dan desain pesawat yang benar-benar radikal). Database
airfoil dapat dengan mudah ditemukan di internet, sebagai
contohnya airfoil NACA seri 4, 5 dan 6 yang pada dasarnya adalah variasi
dari geometri airfoil pada gambar diatas.

Adapun berikut adalah penjelasan dari masing-masing faktor :

1. Pengaruh Besarnya Maksimum Chamber

Maksimum chamber menggambarkan seberapa besar airfoil “melengkung”

keatas. Secara umum, semakin besar maksimum chamber, maka
besarnya lift coefficient pada sudut serang nol akan semakin besar, serta lift

coefficient maximum airfoil tersebut akan naik. Memang sekilas semakin
besar maksimum chamber akan semakin menguntungkan, namun, seiring

meingkatnya lift coefficient pada sudut serang nol maka kondisi operasional

sudut serang akan menjadi sempit, yaitu sangat cepat stall pada sudut
serang yang kecil.

Pada prinsipnya, control surface seperti aileron, ruder,

elevator serta flap bekerja berdasarkan kenaikan nilai maksimum chamber,

ketika control surface tersebut didefleksikan kebawah, maka
maksimum chamber akan bertambah, sebagai akibatnya lift akan

bertambah tanpa perubahan sudut serang.
2. Pengaruh nilai t/c (ketebalan airfoil)

t/c adalah thickness to chord ratio, atau perbandingan antara tebal
terhadap panjang chord airfoil. Semakin besar t/c maka airfoil akan

semakin tebal (dengan panjang chord yang sama). Secara umum, semakin
besar nilai t/c maka nilai maksimum lift coefficient akan bertambah,
atau stall akan terjadi pada sudut serang yang semakin tinggi yang
mana liftnya lebih tinggi. Keuntungan dari maksimum lift coefficient yang
tinggi adalah pesawat menjadi tidak mudah stall dan stall speed nya
menjadi lebih rendah, yang artinya pesawat dapat landing dengan
kecepatan rendah dan terkontrol.
Namun dampak dari meningkatnya t/c adalah
bertambahnya drag. Airfoil yang tebal biasanya dimanfaatkan untuk
menyimpan bahan bakar yang banyak pada sayap serta meningkatkan
kekuatan struktural sayap.
3. Pengaruh letak ketebalan maksimum dari leading edge
Semakin maju letak ketebalan maksimum (dekat dengan leading edge),
maka leading edge airfoil akan terlihat semakin “menggembung” sedangkan
semakin mundur, airfoil bagian depan akan terlihat semakin tirus
(bedakan dengan tipis). Secara umum, semakin maju letak ketebalan
maksimum, maka maksimum lift coefficient juga akan semakin naik,
seperti pada pengaruh t/c, yaitu stall akan terjadi pada sudut dan lift yang
lebih tinggi. Namun, semakin maju letak ketebalan maksimum, drag akan
semakin tinggi.

Penjelasan sebab dari efek-efek diatas merupakan pembahasan yang
cukup kompleks dan intensif sehingga tidak dibahan pada artikel ini.
Kemudian, selain parameter-parameter diatas, airfoil juga dibagi menjadi
beberapa kategori berdasarkan bentuknya, yaitu symetrical, semi
symetrical, flat bottom, under chambered serta reflexed.

1. Symetrical

Secara definisi, airfoil ini memiliki chamber yang selalu bernilai nol,
yaitu simetris antara atas dan bawah. Airfoil ini biasa digunakan untuk
ekor, baik horizontal maupun vertical stabilizer serta pesawat aerobatik
dengan manuver yang ekstrim.

2. Semi-symetrical

Airfoil ini memiliki bentuk kurva atas yang lebih melengkung dari
pada kurva permukaan bawah. Airfoil jenis ini paling umum digunakan
pada pesawat konvensional seperti trainer, sailplane dan beberapa
aerobatik.

3. Flat bottom

Airfoil ini memiliki permukaan bawah yang rata dan permukaan atas
melengkung. Memiliki drag yang relatif besar dan biasa digunakan untuk

pesawat dengan kecepatan yang sangat rendah. Keunggulan dari airfoil ini
adalah mudah dibuat, terutama untuk pesawat model (aeromodelling).

4. Under chambered

Memiliki bentuk permukaan atas dan bawah yang melengkung keatas,
sehingga chamber rata-ratanya relatif tinggi. Airfoil jenis ini biasa
digunakan untuk scale model, sailplane, free flight serta paling umum
digunakan untuk pesawat yang membutuhkan high lift.

5. Reflexed airfoil

Jenis airfoil ini memiliki trailing edge yang melengkung keatas
sehingga secara keseluruhan membentuk menyerupai huruf S yang
tipis. Airfoil ini biasa digunakan untuk pesawat flying wing (tail less),
karena airfoil reflex menghasilkan efek momen (rotasi) positif, yaitu nose-
up pada pesawat, sehingga menggantikan fungsi horizontal stabilizer.

Dalam perhitungan desain pesawat, data dari airfoil tidak dapat
digunakan secara langsung pada perhitungan, data-data tersebut akan
berubah terhadap parameter desain sayap seperti planform, aspect ratio,
taper ratio dan lain-lain yang akan dibahas pada artikel desain planform
sayap.

Untuk airfoil pada sayap yang optimal, metode yang paling umum
digunakan adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD),
sehingga dengan mudah kita dapat memprediksi karakteristik gaya-gayanya
maupun aliran udara yang terjadi secara 2D maupun 3D, karena
karakteristik lift-drag, hingga sudut stall airfoil terlalu rumit (bahkan tidak
mungkin) diselesaikan secara analitis