08 Mei 2007

Pesawat Bisa Terbang, Tanya Kenapa?

Salah satu posting di blog ini yang ramai di sambangi penyelancar (via google) adalah posting "mengapa pesawat bisa terbang?". Sampai saat ini sebenarnya saya masih ragu, apakah informasi dalam postingan tersebut cukup akurat (dan tepat sasaran dalam penyampaian). Sesungguhnya ada banyak teori yang dapat dipakai untuk menjelaskan mengapa pesawat bisa terbang. Pertanyaannya: mana yang benar?

Beberapa hari terakhir topik ini cukup seru dibahas di milis alumni penerbangan ITB. Bahkan pak Diran yang legendaris serta pak Joko pakar aerodinamika ikut meramaikan suasana. Sampai saat saya menulis ini diskusi masih hangat, sebagian posting yang menarik saya kutip dibawah. Alamat email pemosting yang asli sengaja saya hapus untuk menghindari abuse kepada yang bersangkutan.

Oyah, buat yang masih belum mudheng juga: Diskusi ini mempertanyakan apakah hukum Bernoulli bisa digunakan untuk menjelaskan gaya angkat pada sayap yang menyebabkan pesawat bisa terbang (sebagaimana yang diajarkan di pelajaran Fisika di SMA)?

(note: pada saat artikel ini ditulis, diskusi dimilis tersebut masih berlanjut)

--------------------------
From: Sentot Suryangat

hi,

well hukum bernoulli diturunkan dari navier stokes, dan ia hanya berlaku untuk kondisi2 tertentu. di tingkat molekul, sepertinya asumsi kontinum nggak bisa diberlakukan lagi.

banyak teori ttg kenapa pesawat bisa terbang. yang pasti yang banyak diajarkan selama ini (bahwa "partikel" udara terpecah di titik stagnasi di leading edge dan harus bertemu kembali dengan "pecahannya" di trailing edge) itu salah. saya pribadi lebih suka menjelaskannya dengan vortisitas.

regards,
sentot

--------------------------

From: Adi Putra

Setau saya memang Hukum Bernoulli adalah teori turunan, kombinasi dari hukum kekekalan massa. DAN pula hk Bernoulli adalah BENTUK IDEAL. So, wajar hukum Berboulli belum bisa menjelaskan alasan munculnya gaya angkat secara tepat. Perasaan itu dah saya dapat dari kul di PN dulu.

Teori ttg viscousity saat ini salah satu dari beberapa teori yang dapat menjelaskan kenapa gaya angkat bisa muncul... ? Yup, property udara itu sendiri salah satunya viscousity, sebagaimana dimiliki oleh fluida lain. Lebih lengkap bisa tanya pak Djoksar.

Oleh karena hk Bernoulli adalah bentuk ideal (penurunannya banyak asumsi2 ideal) so sangat wajar tidak dapat dipakai ditingkat molekul. Ini mirip dengan Teori Gerak Newton (Hukum I, II, II) yang tidak berlaku untuk benda yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dalam hal ini Hukum Relativitas Newton lebih mendekati kebenaran dalam memprediksi prilaku gerak benda2 yang mendekati cahaya, termasuk level atom atau molekul.

Wuih keringatan gw utk me-recall yang sedikit ini......dah 4 thn otak gw berkecimpung di dunia lain. Sorry ya bro's, just sharing cmiiw

--------------------------

From: Rifki

Ikutan ah...

Perbedaan kecepatan itu gak ada hubungannya sama partikel udara yg pecah di leading edge dan musti bertemu di trailing edge. Walaupun partikel udara yg terpecah di leading edge tidak bertemu di trailing edge, mereka tetap punya beda kecepatan. Kecepatan partikel udara berubah karena perubahan area. Menurut hukum konservasi masa, mass flow rate, A*V = Constant (ini bentuk paling sederhana hukum konservasi masa). Jadi adanya perbedaan kecepatan antara top and lower surface of an airfoil itu karena airfoil didesign sedemikian rupa supaya flow on the top surface lebih cepat dari pada flow on the lower surface. Caranya , area di top surface hrs lbh kecil dari area di lower surface (waktu membayangkan perubahan area, coba gambar airfoil diantara dua garis lurus yg paralel. Garis lurus yg pararel itu analogus sama far away field streamline)
Ada banyak cara lain utk menjelaskan lift generation, klo menurut saya sih ini paling sederhana. Klo yg berdasarkan vorticity itu klo gak salah diturunkan dari potential flow theory, betul kan? Silahkan liat di Anderson "Fundamental of Aerodynamics" kalau pingin tau lebih detail.

Regards,

Rifki

--------------------------

From: habbibi ryu

klo seandainya teori partikel udara yg pecah di leading edge dan mustinya bertemu di trailing edge itu salah, apakah itu berarti juga salah klo terjadi perbedaan kecepatan dan selanjutnya perbedaan tekanan. kan ini dulu penyebab munculnya lift di pesawat. [ini jg yg gue jelaskan sama org lain, klo gue ditanya, knp pesawat terbang..:) ]

--------------------------

From: oetarjo diran

mohon diterangkan dengan teori kinetika gas, dimana
media dimodelkan sebagai molekul-molekul.

o.diran

--------------------------

From: oetarjo diran

banyak fenomena alam dapat diterangkan dengan
pemodelan fenomena berdasarkan ratio. kadang-kadang
model fenomena yang satu tidak dapat menerangkan
fenomena lain. salah satu kemampuan seorang engineer
adalah untuk menemukan model-model yang menerangkan
fenomena-fenomena. secara umum dapat diamati upaya
manusia sepanjang masa untuk memperoleh teori yang
dapat menerangkan semua fenomena alam. antara lain
hawkings yang menyatakan dalam dua tiga dekade yang
akan datang manusia akan dapat menerangkan segala
fenomena yang diamati (dan yang tidak atau belum
diamati).

untuk seorang engineer yang penting adalah bagimana
ratio di belakang teori-teori ini dapat dimanfaatkan
untuk kebaikan umat manusia, lingkungan hidup, dsb.

o.diran

--------------------------
From: Sentot Suryangat

Hi Lubeck dan semua,

Maaf baru jawab. Walaupun teori "partikel pecah" itu menurut saya nggak masuk nalar, perbedaan kecepatan dan tekanan antara permukaan atas dan bawah itu tetap betul, karena memang perbedaan tekanan (juga shear stress) itu adalah penyebab langsung munculnya gaya-gaya aerodinamika. Cuma yang jadi masalah adalah, kenapa perbedaan tekanan itu bisa muncul.

Menurut penjelasan yang paling gampang, karena aliran udara cenderung mengikuti kurva permukaan airfoil, aliran udara akan terdefleksi sedemikian rupa sehingga bakal ada komponen kecepatan ke bawah (downwash) setelah aliran meninggalkan airfoil. Downwash ini akan menimbulkan reaksi ke arah yang berlawanan ie. lift. Ini sederhana, tapi nggak begitu menjelaskan kaitannya dengan perbedaan tekanan dan kecepatan.

Kalau dilihat dari sirkulasi, gampangnya, airfoil bisa dipandang sebagai vortex generator. Bayangkan hal-hal berikut:

* Karena gerakan relatif terhadap aliran bebas, bakal ada sirkulasi di permukaan airfoil. Bayangkan ada aliran udara searah jarum jam mengelilingi airfoil, dari leading edge, ke permukaan atas, ke trailing edge, ke permukaan bawah, dan kembali ke leading edge, terus menerus.
* Ada aliran bebas (seragam) dari hulu yang akan bertemu dengan airfoil.
* Superposisikan kedua aliran ini dan kita bakal dapetin gambar klasik aliran udara di sekitar airfoil. Kecepatan di permukaan atas akan lebih besar daripada permukaan bawah, yang menunjukkan adanya perbedaan tekanan, etc etc etc.

Notice that, perbedaan kecepatan bukan penyebab perbedaan tekanan. Consider them as 2 sides of a coin.

Dari sisi teoretis, penjelasan ini bersesuaian dengan teori Kutta-Zhukovski, yaitu untuk benda dengan permukaan sembarang di dalam aliran seragam:
Lift = density x velocity x circulation
Besarnya nilai circulation ini harus sedemikian rupa shg kondisi Kutta terpenuhi, yaitu aliran udara bakal meninggalkan airfoil dengan mulus di trailing edge.

Pemodelan matematis airfoil juga menggunakan konsep ini. Vortex-vortex super mini disebarkan di permukaan airfoil, dan kemudian diintegrasikan untuk seluruh airfoil untuk menghitung lift. Walaupun ini cuma pemodelan matematis, vortex-vortex cilik di permukaan airfoil ini ada untuk mewakili lapisan batas, yaitu wilayah di dekat permukaan airfoil yang di dalamnya pengaruh viskositas nggak bisa diabaikan. Ini bakal menyebabkan adanya gradien kecepatan yang tinggi (hence high vorticity).

Which brings us the next question. Kenapa bisa ada sirkulasi di airfoil setelah ada gerakan relatif terhadap udara? Ada dua versi penjelasan.

Penjelasan pertama adalah seperti yang baru saya jelaskan, yaitu karena adanya viskositas yang pengaruhnya signifikan dekat permukaan airfoil. Jadi viskositas menurut penjelasan ini nggak hanya menyebabkan shear stress (and hence drag and heating), tapi juga lift (!!!). Anehnya, ini paradoxical dengan asumsi dasar potential flow (irrotational, inviscid, steady). Saya sendiri nggak pasti mengapa. Tapi saya pikir ada kaitannya dengan kenapa point vortex dimasukkan dalam basic potential flow, padahal pusat point vortex itu sendiri rotational (which i think should make it non-potential).

Penjelasan kedua sedikit lebih rumit. Saat airfoil baru mulai bergerak (misalnya dari kanan ke kiri), fenomena berikut teramati. Aliran udara di permukaan bawah bakal bergerak ke arah trailing edge, mencoba mengitarinya dan bergerak ke arah permukaan atas. Gerakan ini bakal menyebabkan terjadinya vortex di trailing edge, dengan arah ccw. Setelah airfoil bergerak menjauh vortex ini bakal tertinggal di tempatnya, dan disebut sebagai vortex mula (starting vortex). Nah, menurut teorema Kelvin-Helmholtz, vortex mula ini bakal menginduksi sirkulasi pada airfoil secara terus menerus, dengan arah yang berlawanan (cw) namun dengan nilai sirkulasi yang sama.

Seperti yang kita bisa liat, dibandingkan dengan teori "partikel pecah", penjelasan dg memakai sirkulasi membutuhkan 7 kali lebih banyak energi dan jauh lebih rumit, tapi penjelasan dg memakai downwash doesn't sound "as smart" :-). Mungkin ini sebabnya penjelasan partikel pecah lebih banyak dipakai, walaupun salah.

Hope that helps.

Regards,
Sentot

--------------------------
From: Djoko Sarjadi


Halo semuanya,

Saya dapat menikmati diskusi kalian tentang lift.
Saya kira semua teori yg dikemukakan di sini dapat
dipakai / diverifikasi kecuali teori split partikel.
Untuk aerofoil dg positive camber, waktu yg diperlukan
oleh elemen fluida menelusuri permukaan atas TIDAK lebih
kecil daripada yg melewati permukaan bawah. Anda melihat
starting vortex kan ? Itu buktinya bahwa elemen yg melewati
permuakaan bawah sampai di Trailing Edge lebih cepat.
Anda juga dapat memferifikasi secara analitis memgunakan
linkaran dg sirkulasi di dalam aliran seragam. Temukan waktu
yg diperlukan untuk menelusuri permukaan linkaran dari titik
stagnasi depan ke yg di belakang dari Ta=int.(R/U)dteta.

Yg lebih menarik, saya fikir, adalah bgmana menerangkan
terjadinya lift ini secara kwalitatif tanpa memgunakan
matematik sama sekali. Setelah mekanisme fisik ini jelas
secara awam, baru digunakan matematik untuk penjelasan
kwantitatifnya.
Saya usul demikian,
perhatikan bahwa tekanan itu paling kecil adalah nol (vakum).
Tekanan negatif itu sebenarnya kan hanya relatifnya saja
terhadap rujukan. Elemen fluida yg melaju pada permukaan
lengkung positif (misal permk atas aerofoil) gaya inersialnya
cenderung menjauhi permukaan, ini kita kenal dg gaya
sentrifugal. Kecenderungan menjauhi permukaan ini menimbulkan
"kevakuman" (tekanan rendah) pada permukaan. Gaya karena
kevakuman ini dirasakan oleh permukaan, sedangkan gaya
sentrifugalnya dirasakan oleh elemen fluida.

Masih ada yg lebih menarik lagi di sekitar masalah ini,
tapi lain kali saja saya sampaikan.

Salam,
ds
--------------------------

5 komentar:

pyuriko mengatakan...

Ramai jg diskusinya... :D

dimasu mengatakan...

halo... gw masih ga mudeng nih. bukan masalah pesawat terbangnya sih, tapi masalah hukum bernouli.. *orang awam*
hukum bernouli itu kan p=ro.g.h (ga ada lambang "ro" jadi di tulis "ro"). betul kan? sedangkan untuk kasus udara bergerak, p=1/2. ro. v(kuadrat), di mana v=kecepatan. berarti p berbanding lurus dengan v(kuadrat) .. tapi katanya kalo kecepatan (v) naik, tekanan (p) turun. ga nyambung dengan hukum bernoli dong.. huhu.. mohon penjelasannya dung.. jawab di blog gw ya kalo sempet dimasu.wordpress.com ..
terima kasih

ech mengatakan...

#Dimasu
Bernoulli yang kamu pahami tidak terlalu tepat. Prinsip bernoulli adalah
P+ro.g.h+q= Konstant (C). dimana q=1/2.ro.v^2

Jika harga ro.g.h diasumsikan tidak berubah, hubungan P dengan q adalah:
P+q= Constant. Dengan demikian jika P naik maka q harus turun (demikian sebaliknya). oleh karena itu benar statement bahwa jika v meningkat (q naik) maka tekanan (P) akan turun.

please note, Persamaan bernoulli diatas hanya akurat untuk aliran fluida non-compressible. keterangan lebih lanjut, silahkan buka wikipedia:

http://id.wikipedia.org/wiki/Prinsip_Bernoulli

dimasu mengatakan...

oiya. saya juga baru inget kemarin ... hukum bernoulli itu p + 1/2.ro.v kuadrat + ro.g.h = constant , ya...aihs,sudah lama tak menyentuh beginian...

Jadi, teori mana yang betul tentang gaya lift-nya? partikel pecah memang meragukan, walau ada teori debit aliran constant Q mask = Q keluar .. btw, mungkin batasan fluida compressible dan non compressible ada kaitannya dengan masalah ini .. mohon ditampilkan lagi dong lanjutan diskusinya ^^

Anonim mengatakan...

gyegwgeggewdvsvavxvha hgkywdvshg uqwgwyefgqgfhwv jfwhjev c,jhfDV,WFDWEFV XFWDHVKqwfd,hjwfg,jwheg,ehf wehgd,wjgef,kjgfkwlfihe;ofre;igorepfreihfprevhpebfweufcbwf