4 BASIC FORCE PESAWAT TERBANG

MENGAPA PESAWAT BISA TERBANG ?

Pesawat bisa terbang karena ada momentum dari dorongan horizontal mesin pesawat (Engine), kemudian dorongan engine tersebut akan menimbulkan perbedaan kecepatan aliran udara dibawah dan diatas sayap pesawat . Kecepatan udara diatas sayap akan lebih besar dari dibawah sayap di karenakan jarak tempuh lapisan udara yang mengalir di atas sayap lebih besar dari pada jarak tempuh di bawah sayap, waktu tempuh lapisan udara yang melalui atas sayap dan di bawah sayap adalah sama . Menurut hukum Bernoully , kecepatan udara besar menimbulkan tekanan udara yang kecil . sehingga tekanan udara di bawah sayap menjadi lebih besar dari sayap pesawat bagian atas. Sehingga akan timbul gaya angkat (Lift) yang menjadikan pesawat itu bisa terbang,


FOUR BASIC FORCE


Apabila kita membahas tentang pesawat terbang maka kita tidak akan jauh membahas tentang ilmu fisika yang selalu setia menyertai dan menyebabkan pesawat yang kita naiki dapat terbang ke angkasa, mulai dari pesawat tanpa mesin hingga pesawat komersial sebesar A380 perlu memperhatikan aspek yang berkaitan dengan ilmu fisika. Designer pesawat terbang diseluruh dunia akan selalu teracu pada gaya – gaya yang bekerja dan mempengaruhi pesawat terbang.Ilmu fisika yang membahas tentang bagaimana cara pesawat dapat terbang sangat sekali beragam, dimulai dari Wright bersaudara merancang pesawat yang membuka pintu dunia terhadap luasnya dunia aviasi hingga designer airbus dan boeing berlomba – lomba membuat design pesawat yang sangat efisien.
KETERANGAN DARI FOUR BASIC FORCE
 Thrust

Thrust adalah gaya dorong yang diciptakan oleh kerja mesin yang mendorong udara kebelakang agar pesawat dapat melaju kedepan. Gaya tersebut tercipta oleh kinerja mesin pesawat yang menciptakan propulsi dan mendorong pesawat.
Gaya dorong ini dipengaruhi oleh hukum newton 2& 3 yang mengatakan: “bahwa Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan masa benda “
“Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda kedua akan mengerjakan gaya terhadap benda pertama yang besarnya sama, tetapi arahnya berlawanan.” 
Gaya Dorong (Thrust) yang berasal dari Mesin pesawat dan besarnya jauh lebih besar dari Gaya Hambat (Drag) ini akan mendorong pesawat melaju ke depan dengan kecepatan tertentu. Hal ini akan menimbulkan Gaya Aerodinamik pada sayap yang bentuknya dirancang sedemikian rupa (Aerofoil) sehingga dapat menimbulkan Gaya Angkat (Lift) pada sayap (tentunya juga pada pesawat secara keseluruhan) sehingga pesawat bisa terbang.
Gaya Angkat pada sayap timbul karena adanya kecepatan aliran udara pada sayap sehingga menimbulkan perbedaan tekanan udara di bagian atas dan di bagian bawah sayap sebagai akibat perbedaan kecepatan aliran udara pada bagian atas dan bagian bawah sayap sesuai Hukum Bernouli.




 Drag


Saat pesawat mulai terdorong oleh kerja mesin, ada gaya yang bekerja berlawanan atau menghambat geraknya pesawat dengan menghasilkan gaya gesek sehingga menahan laju pesawat. Drag biasa juga disebut resistance atau berlawanan. Hal yang mempengaruhi drag dalam dunia penerbangan adalah fuselage atau body pesawat itu sendiri, tetapi drag juga bisa dihasilkan oleh spoiler, flap, dan slat.
Drag dapat sangat merugikan karena dapat menghambat laju pesawat tetapi juga dapat sangat bermanfaat apabila pesawat sedang melakukan proses pengereman. perancang pesawat berupaya untuk memilimalisir gaya ini dengan merancang jalannya udara agar tidak terlalu terhambat dengan body pesawat itu sendiri. Ilmu yang mempelajari tentang pergerakan udara disebut aerodinamika.

MACAM-MACAM DRAG
1. Induced Drag
Induced drag (Di) merupakan gaya tahan yang terjadi karena adanya gaya angkat atau lift karena adanya perputaran aliran udara yang membelok atau biasa disebut wing vortex disekitar permukaan sayap, perputaran udara ini akan menghasilkan lift pada pesawat.




Aliran wing vortex pada sayap pesawat
Induced drag (Di) biasanya terjadi pada saat pesawat sedang tinggal landas dan juga pada waktu mendarat, yaitu pada harga cl atau α yang tinggi atau dengan kata lain pada kecepatan rendah.

Grafik induced drag (Di) versus kecepatan
Grafik diatas merupakan grafik hubungan antara gaya tahan karena gaya angkat atau induced drag dengan kecepatan. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa drag karena gaya angkat akan turun dengan naiknya kecepatan, dengan kata lain induced drag berbanding terbalik dengan kecepatan.
2.Parasit Drag
Parasit drag (Dp) merupakan gaya hambat yang terjadi karena adanya gesekan antara permukaan pesawat. Ada lima jenis parasit drag, yaitu :
1 Skin friction drag atau gaya hambat gesekan kulit, terjadi karena adanya gesekan viskos yang terjadi dalam lapisan batas atau boundary layer.Kehalusan kulit atau permukaan akan berpengaruh besar pada tahanan ini.
2. Form drag atau gaya hambat bentuk, terjadi karena bentuk dari pesawat itu sendiri dan besarnya form drag tergantung dari bentuk besar kecil pesawat dan komponen-komponen tambahan yang dipasang pada pesawat tersebut.
3. Interference dragatau gaya hambat interferensi, terjadi karena interferensi lapisan batas dari berbagai bagian pesawat terbang. Misalnya pada sambungan antara bagian-bagian dari pesawat seperti sambungan rivet pada fuselage, wing, dan bagian-bagian lainnya. Besar kecilnya interference drag tergantung dari kehalusan sambungan tersebut.
4. Leakage drag atau gaya hambat kebocoran, terjadi karena adanya perbedaan tekanan antara bagian dalam dan bagian luar dari pesawat terbang.
5. Profile dragatau gaya hambat profil, biasa terdapat pada helikopter. Profile drag terjadi karena adanya rotor yang bergerak dan berputar.

Grafik parasit drag versus kecepatan
Grafik diatas merupakan grafik hubungan antara parasit drag dengan kecepatan terbang pesawat. Dari grafik dapat dilihat bahwa parasit drag berbanding lurus dengan kecepatan, yaitu akan bertambah besar dengan bertambahnya kecepatan. Berbeda dengan induced drag yang berbanding terbalik dengan kecepatan.

gaya hambat total didapat dengan menjumlahkan induced drag dan parasit



 Lift

Lift adalah gaya yang mempengaruhi tentang bagaimana pesawat tersebut dapat terangkat ke udara. Dengan memanfaatkan gaya drag yang dihasilkan oleh sayap dan mengalirkan udara kebagian bawah sayap sehingga menghasilkan gaya angkat dan menerbangkan pesawat tersebut. Dengan bentuk sayap yang telah dirancang tersebut membuat kecepatan udara diatas sayap lebih tinggi daripada kecepatan udara dibagian bawah sayap sehingga tekanan udara di bagian atas sayap lebih rendah dibandingkan dengan dibagian bawah sayap hal tersebut mengakibatkan udara akan mengangkat pesawat keatas, hal tersebut sedikit menyinggung hukum bernoulli yang memang menjadi dasar acuan gaya angkat pesawat.
Penerapan Hukum Prinsip Bernoulli dalam pesawat terbang

• Ketika sayap pesawat horizontal, sayap tidak mengalami gaya angkat.
• Ketika sayap pesawat dimiringkan, pesawat mendapat gaya angkat sebesar F1 – F2




Mekanisme Timbulnya Gaya Angkat pada Sayap






Konstruksi Sayap (Aerofoil) menghasilkan Perbedaan Tekanan Udara di atas dan di bawah Sayap sehingga menghasilkan Gaya Angkat (Lift) pada Sayap.
 Weight


Setelah pesawat berhasil berada di udara, ada lagi satu gaya terakhir yang menjadi resistance bagi lift yaitu adalah weight yang mempengaruhi beban pesawat itu sendiri ditambah dengan gaya gravitasi yang menarik badan pesawat untuk kembali ke tanah. Hal ini berkaitan dengan hukum relativitas umum einstein mengenai gravitasi.
Semakin berat pesawat maka akan memaksa gaya sebaliknya untuk bekerja lebih keras yaitu dengan menambah lift yang dengan kata lain menambah thrust.Sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin berat pesawat atau semakin besar weight nya maka akan semakin besar pula gaya dorong dan gaya angkat yang diperlukan oleh pesawat tersebut agar dapat tetap terbang.

Perangkat Kendali Dasar Pesawat Terbang

Selanjutnya, agar pesawat dapat dikendalikan sesuai keinginan sehingga dapat terbang mencapai tujuannya maka pesawat harus memiliki Perangkat Kendali (Control Devices). Gerakan terbang pesawat seperti naik, turun, belok ke kiri dan ke kanan atau berguling ke kiri dan ke kanan dilakukan oleh perangkat pengendali pada pesawat yang dikendalikan oleh Pilot di ruang kendali (Cockpit).
Perangkat Kendali Dasar pesawat terbang meliputi:

 (1) Elevator (bagian dari sirip horizontal di ekor pesawat) yang berfungsi untuk mengendalikan pesawat naik dan turun (Up-down)
 (2) Rudder (bagian dari sirip vertikal di ekor pesawat) untuk belok ke kiri dan ke kanan (Yaw) yang dibantu oleh Aileron yang terletak di kiri-kanan sayap utama (sayap depan pesawat), dan terakhir
(3) Aileron itu sendiri yang berfungsi untuk mengendalikan pesawat agar bisa berbelok (membantu Rudder), sedangkan fungsi utamanya adalah untuk mengendalikan pesawat agar bisa berguling (Roll) ke kiri dan ke kanan
STALL DAN SPIN PADA PESAWAT TERBANG
Dalam dunia penerbangan, banyak sekali fenomena aerodinamika yang menarik untuk dikaji karena penting untuk mendesain pesawat terbang maupun untuk pengetahuan pilot guna keamanan dan keselamatan. Salah satu fenomena yang terkenal dan harus dipahami adalah stall dan spin.
• Stall dalam dunia penerbangan adalah keadaan dimana gaya angkat sayap tiba-tiba turun secara drastis dan drag meningkat secara drastis. Stall ini sangat berbahaya untuk pilot terutama pada ketinggian yang rendah, karena saat stall terjadi, pesawat menjadi sulit untuk dikontrol dan cenderung mengurangi ketinggian.
Adapun penyebab dari stall antara lain adalah kecepatan udara yang rendah dan yang paling umum adalah sudut serang/angle of attack yang tinggi (biasanya sekitar 15 derajat). Stall yang terjadi karena sudut serang tinggi tersebut dikarenakan efek separasi aliran udara yang halus menjadi turbulen dan menghasilkan daerah bertekanan rendah, yang mana menurunkan lift, meningkatkan drag dan menurunkan efektifitas control surface(aileron, ruder, elevator dll.). Stall merupakan karakteristik dari airfoil, sedangkan distribusi stall pada sayap merupakan karakteristik  planform sayap. Fenomena tersebut dijelaskan pada gambar berikut :



Stall-Weight/Airfoil-Stall

Sayap pesawat biasanya didesain memiliki sudut twist untuk menghindari turunya efektifitas aileron saat terjadinya stall, sehingga pesawat masih dapat dikontrol meskipun terjadi stall.Namun, ada kalanya stall dimanfaatkan, misalkan untuk melakukan pengereman pada manuver yang ekstrim seperti aerobatik maupun pesawat tempur.


• Spin dalam dunia penerbangan adalah kategori khusus dari stall, yaitu pesawat cenderung berputar  yaw serta mengurangi ketinggian. Pada kondisi spin, salah satu sayap mengalami stall dan sayap lainya masih tetap mempertahankan terbangnya atau keduanya mengalami stall namun pada sudut serang yang berbeda, sehingga terjadi gerakan berputar.


Penyebab spin adalah gerakan yaw yang bersamaan dengan stall. Pada saat salah satu sayap mengalami stall, maka sayap tersebut akan turun dan sudut serangnya semakin menigkat, kondisi ini mengakibatkan sayap tersebut semakin stall dan semakin turun, sayap yang turun tersebut berlaku sebagai sumbu putar gerakan rotasi pesawat.
Perbedaan lift pada kedua sayap menghasilkan gerakan roll dan perbedaan drag menghasilkan gerakan yaw. Dibutuhkan keahlian bagi pilot untuk mengatasi spin sehingga menghindari terjadinya crash. Karakteristik stall dan spin dari berbagai pesawat adalah berbeda beda, tergantung dari pemilihan airfoil, bentuk sayap hingga konfigurasi ekor.
SUDUT SERANG(ANGLE OF ATTACK)
• SUDUT SERANG(ANGLE OF ATTACK)
Adalah sudut yang dibentuk oleh tali busur sebuah airfoil dan arah aliran udara yang melewatinya (relative wind) atau sudut sayap pesawat terhadap badan pesawat dan terhadap datangnya udara dari depan.
Jadi sayap tidak terpasang sejajar dengan badan pesawat tetapi bagian depan posisinya lebih tinggi dari bagian belakang sayap Sehingga pada saat bergerak posisi sayap yang miring ini akan memindahkan/menekan udara kebawah. Sehingga pesawat akan terangkat naik sebesar udara yang tertekan kebawah.
Mungkin anda beranggapan bahwa yang menyebabkan pesawat naik adalah karena " sudut serang" dari sayap pesawat. Benar bahwa "sudut serang" punya andil dalam mengangkat pesawat. Tetapi "sudut serang" tidak akan dipakai pada kecepatan yang sangat tinggi sampai supersonic. Sebab sudut serang akan menimbulkan masalah hambatan udara yang sangat menggangu sampai masalah stall pada sayap pesawat.
• SUDUT SERANG MUTLAK(ABSOLUTE ANGLE OF ATTACK)
Adalah sudut serang sebuah airfoil diukur dari kedudukan zero angle lift.

• SUDUT SERANG KRITIS (CRITICAL ANGLE OF ATTACK)
Adalah besarnya sudut serang dimana gaya angkat yang dihasilkan mencapa maximum,diatas sudut tersebut gaya angkat akan turun sedangkan  hambatan udara (drag) akan membesar dengan cepat.
• SUDUT PASANG(ANGLE OF INCIDENCE)
Adalah sudut (tajam) yang dibentuk oleh tali busur sebuah airfoil dan sumbu horizontal (horizontal axis) pesawat terbang.




Distribusi tekanan disekitar airfoil
Bentuk airfoil yang mendapatkan hak paten pertama dikembangkan oleh Horatio F Philips pada tahun 1884. Philips adalah orang Inggris pertama yang melakukan eksperimen airfoil di dalam terowongan angin secara serius. Dalam tahun 1902, Wright bersaudara melakukan percobaan airfoil mereka sendiri di dalam terowongan angin, dengan mengembangkan bentuk yang efisien yang menyumbang keberhasilan pertama mereka pada 17 Desember 1903.
Airfoil adalah bentuk dari suatu sayap pesawat yang dapat menghasilkan gaya angkat (lift) atau efek aerodinamika ketika melewati suatu aliran udara. Airfoil merupakan bentuk dari potongan melintang sayap yang dihasilkan oleh perpotongan tegak lurus sayap terhadap pesawat, dengan kata lain airfoil merupakan bentuk sayap secara dua dimensi seperti pada gambar 1.

Airfoil
Ketika melewati aliran udara, disekitar penampang airfoil akan terjadi perbedaan kecepatan aliran udara di atas sayap pesawat dan dibawah sayap pesawat. Kecepatan udara yang melewati permukaan atas sayap pesawat cendrerung akan lebih cepat daripada kecepatan udara yang melewati permukaan bagian bawah sayap.
Perbedaan kecepatan ini akan memicu adanya perbedaan tekanan udara di atas sayap pesawat dan di bawah sayap pesawat. Karena kecepatan berbanding terbalik dengan tekanan, maka tekanan udara di atas sayap pesawat akan lebih kecil dibandingkan dengan tekanan udara di bawah sayap pesawat. Karena tekanan bergerak dari tekanan yang kecil menuju ke tekanan yang lebih besar, maka pesawat akan terangkat dan dapat terbang ke udara. Tekanan atau gaya yang dapat mengangkat pesawat ini di namakan lift



Dari percobaan yang dilakukan di terowongan angin pada pesawat dengan ukuran penuh, telah ditetapkan bahwa udara yang mengalir di sepanjang permukaan sayap dengan sudut serang yang berbeda, ada daerah-daerah di sepanjang permukaan di mana tekanannya adalah negatif, atau lebih kecil dari tekanan atmosfer (tekanan diluar permukaan airfoil), dan daerah di mana tekanannya positif, atau lebih besar dari tekanan atmosfer.
Tekanan negatif pada permukaan atas menciptakan gaya yang relatif lebih besar di sayap daripada yang disebabkan oleh tekanan positif yang dihasilkan dari udara yang mengalir menuju sayap permukaan bawah. Pada gambar  ditunjukkan distribusi tekanan di sepanjang airfoil untuk tiga macam sudut serang yang berbeda.

Distribusi tekanan untuk berbagai sudut serang yang berbeda
Pada sudut serang yang besar pusat tekanan akan bergerak maju, sementara pada sudut serang yang kecil pusat tekanan cenderung bergerak kebelakang.

Posisi center of  pressure pada berbagai variasi sudut serang
Center of pressure adalah titik pada airfoil dimana terdapat jumlah tekanan aerodinamik yang menyebabkan terjadinya gaya dan momen pada titik ini.