Fisika Terbang

by cmailoa, 2018-07-27 17:33:35

Gaya Angkat

Secara fisis, baik persamaan Bernoulli dan Newton dapat menjelaskan fenomena gaya angkat pesawat dengan dasar yang tepat. Banyak perdebatan mengenai prinsip manakah yang lebih tepat untuk menjelaskannya.


Pada dasarnya kedua persamaan akan berkontribusi untuk menghasilkan gaya angkat total pada sayap pesawat. Gaya angkat akan muncul akibat perbedaan tekanan pada bagian atas dan bawah sayap, berkesesuaian hukum kekekalan energi fluida serta kontribusi dari transfer momentum (Hukum ke-3 Newton mengenai aksi-reaksi) dari partikel udara yang menumbuk pada bagian bawah sayap pesawat. Ketika total gaya angkat melebihi beban total dari pesawat, maka pesawat akan mengudara.


Secara desain kontrol, manipulasi gaya angkat dapat dilakukan dengan memanipulasi angle of attack. Angle of attack, merupakan definisi dari arah datangnya partikel udara relatif terhadap garis lurus maya antara leading edge dan trailing edge (Chord Line) seperti yang ditunjukan pada gambar. Mengurangi angle of attack akan berakibat pada berkurangnya perbedaan tekanan pada aliran udara diatas dan dibawah sayap pesawat yang berimplikasi pada pengurangan gaya angkat secara prinsip Bernoulli, serta mengurangi luasan area tumbukan partikel udara dengan bagian bawah pesawat yang mengurangi gaya angkat secara prinsip Newton.


Perbedaan kecepatan aliran udara pada bagian atas dan bawah sayap serta transfer momentum pada sayap pesawat akan menghasilkan perubahan pada gaya angkat pesawat yang bekerja. Secara vertikal, posisi pesawat terbang dapat diubah dengan memanipulasi gaya angkat melalui perubahan pada angle of attack. Sebelum pesawat terbang, maka angle of attack akan diperbesar untuk menunjang gaya angkat pesawat yang lebih besar dibandingkan gaya berat pesawat, dan begitu pula sebaliknya ketika pesawat mendarat.

 

Gaya Dorong dan Hambat Udara

Ketika pesawat mengudara, terdapat beberapa gaya yang bekerja untuk menjaga pesawat tetap mengudara pesawat serta membuat pesawat melaju diudara. Gaya angkat pesawat untuk menunjang pesawat tetap mengudara dapat dimanipulasi dengan mengatur sudut datangnya partikel udara atau Angle of attack.


Jika dianalisis secara vektor gaya, maka terdapat beberapa gaya yang akan bekerja pada keseluruhan pesawat terbang. Selain gaya angkat yang ditujukan untuk melawan gaya berat pesawat, terdapat 2 gaya dasar lain yang merupakan gaya aksi-reaksi, yaitu Gaya Dorong dan Gaya hambat udara. Arah kedua gaya ini akan saling berlawanan.

Gaya thrust atau gaya dorong ditujukan untuk menghasilkan percepatan arah positif (longitudinal) dari pesawat yang akan diperlambat oleh gaya hambat udara yang diakibatkan gaya gesek badan pesawat dengan udara. Untuk menghasilkan percepatan arah longitudinal, maka gaya dorong harus lebih besar dari gaya hambat udara. Hal ini akan didukung oleh mesin pesawat itu sendiri.


Pada dasarnya, gaya angkat dan gaya hambat udara, akan diresultankan menjadi gaya aerodinamik (seperti pada gambar diatas) karena kedua gaya dihasilkan oleh konsekuensi sifat fluida pada udara saat berinteraksi pada pesawat. Desain bentuk badan pesawat dan ukuran mesin pesawat akan dipertimbangkan berdasarkan besar gaya dorong yang akan dihasilkan serta gaya hambat akibat udara.

Pusat Massa

Sering artikel-artikel yang membahas mengenai fisika terbang melewatkan prinsip pusat massa. Ketika mengudara, gaya angkat akan mengeliminasi gaya gravitasi yang bekerja pada seluruh badan pesawat. Untuk membantu para insinyur pesawat terbang dalam mendesain, konsep pusat massa diperkenalkan, baik resultan gaya bekerja dan lokasi dimana rata-rata distribusi massa pesawat.

 

Pusat Massa didefinisikan sebagai lokasi distribusi massa atau beban pesawat rata-rata. Konsep ini akan mempermudah insinyur karena dinamika pusat massa dapat dikalkulasi secara sederhana. Insinyur dapat menggunakan lokasi perhitungan pusat massa dan pusat massa dinamik untuk memperkirakan desain pesawat yang akan dibuat, seperti posisi sayap pesawat, posisi roda pendaratan, kemampuan kontrol stabilisasi pesawat ketika terjadi pergeseran pusat massa akibat konsumsi bahan bakar, distribusi tempat duduk penumpang, distribusi penyimpanan kargo dan masih banyak lainnya.


Masing-masing komponen pesawat akan dihitung lokasi pusat massa secara lokal, kemudian diresultankan dengan seluruh komponen pesawat lainnya termasuk estimasi jika sudah terisi penumpang, kargo dan juga bahan bakar. Sebagai suatu transpotasi rakasasa, maka pusat massa pesawat mungkin bergeser ketika pesawat mengudara, baik akibat perubahan posisi manusia, hingga pergeseran akibat pembakaran bahan bakar pesawat. Insinyur pesawat terbang akan mempertimbangkan pergeseran maksimum dari pusat massa pesawat untuk mendapatkan desain yang optimal.