Download - Fisika Makalah
TUGAS FISIKA
GAYA ANGKAT PADA PESAWAT TERBANG
DISUSUN OLEH:
Abdul Aziz
Alvernia Euw
Dodik Febriantoro
Indah Ningsih Nur Rohimah
Rizka Octaviana
Suryanti
Yessy Iskandar
(X1.IPA.1)
SMA NEGERI 1 TANJUNGPINANG
TA.2010/2011
1
KATA PENGANTAR
Puji syukur ke hadirat Allah SWT karena berkat rahmat dan hidayah-Nya kami dapat
menyelesaikan makalah ini. Salawat beserta salam selalu tercurahkan kepada junjungan
besar Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, para sahabat dan kita sebagai umatnya.
Semoga kita semua tetap berada dalam lindungan Allah SWT.
Pada makalah ini penyusun menguraikan tentang gaya angkat pada pesawat
terbang. Bagaimana sejarah pembuatan pesawat terbang, bagaimana pesawat bisa
terbang, gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang, persamaan untuk menghitung
tekanan pada pesawat, persamaan untuk menghitung gaya angkat pada pesawat akan
dibahas pada makalah ini.
Kami menyadari bahwa pada penyusunan makalah ini tidaklah sempurna. Namun,
besar harapan kami agar makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua dalam menambah
ilmu pengetahuan tentang gaya angkat sayap pesawat terbang serta memahaminya.
Tanjungpinang, Mei 2011
Penyusun
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR………………………………………………………………….…..………….1
DAFTAR ISI………………………………………………………………………………...…………2
SEJARAH PEMBUATAN PESAWAT TERBANG………….………………………………....…..3
BAGAIMANA PESAWAT UDARA BISA TERBANG ……...……………………………….…….3
GAYA-GAYA YANG BEKERJA PADA SAYAP PESAWAT TERBANG……………..……….5
BAGAIMANA PERSAMAAN UNTUK MENGHITUNG TEKANAN PADA PESAWAT……….10
BAGAIMANA PERSAMAAN UNTUK MENGHITUNG GAYA ANGKAT PADA PESAWAT...12
KATA PENUTUP……………………………………………………………………………………13
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………………………….14
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
3
1. SEJARAH PEMBUATAN PESAWAT TERBANG
Burung besi bernama pesawat terbang
memang bukan barang aneh lagi di zaman modern
ini. Ternyata, perjalanan sejarah pesawat terbang dari
pertaman kali dibuat hingga tercipta pesawat terbang
masa kini dengan segala kecanggihannya telah cukup
panjnag yaitu 100 tahun. Sejarah itu dimulai ketika
seabad silam Orville Wright berhasil menerbangkan
sebuah pesawat kecil di North Carolina, Amerika Serikat. Namun, penerbangan itu Cuma
berlangsung selama 12 menit. Walau hanya sebentar ini merupakan penerbangan pertama
dengan pesawat terbang bermotor.
Pesawat dengan empat sayap ini juga merupakan buah dari kecintaan Orville dan
saudaranya Wilbur Wright pada segala hal yang terbang di udara. Salah satu benda
’terbang’ yang mereka sukai adalah layang-layang. Tak heran, saat masih anak-anak Wright
bersaudara banyak menghabiskan waktunya dengan bermain layang-layang. Ketika
beranjak remaja, mereka mulai gemar mengamati burung. Mereka melihat, burung menjaga
keseimbangan dengan cara memutar-mutarkan ujung sayapnya. Karena itu, Orville dan
Wilbur sengaja mendesain sayap pesawat mereka agak bengkok. Dengan cara ini, pesawat
mereka bisa belok. Pada tahun 1902, desain pesawat mereka makin sempurna. Percobaan
demi percobaan pun dilakukan. Akhirnya, pada pagi hari 17 Desember 1903, pesawat
mereka yang dilengkapi motor sederhana dapat mengudara. Sebelum Wright bersaudara,
sebenarnya ada beberapa orang yang telah berusaha menciptakan pesawat terbang. Tapi
hasil upaya mereka tidak secemerlang Wright bersaudara.
Sejak keberhasilan Wright bersaudara menerbangkan pesawat bermotornya , teknologi
penerbangan maju dengan cepat. Pada tahun 1947, terjadi kemajuan yang sangat berarti.
Pilot asal Amerika, Chuck Yeager berhasil menerbangakn pesawat melebihi kecepatan
suara. Padahal sebelumnya, orang sangat yakin bahwa pesawat tidak akan mungkin
terbang lebih cepat dari kecepatan suara.
2. BAGAIMANA PESAWAT UDARA BISA TERBANG
Secara kodrati manusia diciptakan untuk hidup di darat. Manusia tidak memiliki alat
gerak yang bisa digunakan untuk terbang. Namun, burung-burung yang dapat terbang
bebas di angkasa telah memberi inspirasi bagi manusia untuk menjelajah lebih jauh dari
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
4
habitatnya. Kemampuan untuk terbang bebas di angkasa menjadi suatu simbol kebebasan
dan lepas dari belenggu gravitasi.
Pada awalnya manusia menganggap bahwa untuk bisa terbang maka kita harus
melakukannya sebagaimana burung terbang. Dan satu-satunya cara adalah dengan
mengepakkan sayap seperti halnya burung. Atas dasar itu lah kemudian bermunculan para
peloncat-peloncat menara dengan desain sayap yang mereka ciptakan sendiri. Mereka tidak
hanya satu, tapi puluhan, dengan satu mimpi yang sama: terbang. Namun malang, tak ada
satupun yang berhasil. Bahkan lebih banyak yang justru menemui ajal.
Orang sekaliber Leonardo da Vinci pun ikut terbawa oleh euforia impian terbang. Da
Vinci pernah menciptakan suatu desain mesin terbang yang disebut ornitopter. Berbeda
dengan para peloncat menara, da Vinci tidak lah bodoh. Sebelum desainnya direalisasikan,
ia segera meyadari bahwa tidak mungkin manusia dengan tenaga yang dimilikinya bisa
melakukan pengendalian, mengepakkan sayap, dan navigasi dalam waktu bersamaan.
Banyak waktu yang ia curahkan untuk sekedar mempelajari bagaimana burung-burung
terbang.
Suatu pernyataan da Vinci yang begitu visioner adalah metode separasi. Sekitar 1500
tahun yang lalu da Vinci telah mengemukakan bahwa untuk bisa terbang cukuplah dilakukan
dengan sayap tetap dan memberinya gaya dorong. Hal ini didasari dari hasil
pengamatannya dari teknik burung untuk terbang. Menurutnya, sayap burung terdiri dari dua
bagian yang memiliki fungsi masing-masing. Bagian pangkal sayap burung yang relatif tetap
(fixed) berfungsi membangkitkan gaya angkat. Sedangkan bagian ujung sayap burung
berfungsi untuk mengepak dan membangkitkan gaya dorong. Separasi gaya menjadi gaya
angkat dan gaya dorong inilah yang sampai sekarang dipakai untuk menciptakan mesin
terbang.
Lalu bagaimana pesawat udara dapat terbang? Salah jika kita berfikir bahwa mesin
(engine) lah menyebabkan pesawat dapat terbang. Pada dasarnya, sayap lah yang memberi
gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang, sedangkan engine hanya memberi gaya
dorong (thrust) untuk bengerak maju. Jadi, kesimpulan mudahnya adalah bahwa pesawat
udara (bukan pesawat antarikasa) dapat terbang karena memiliki sayap.
Bagaimana gaya angkat (lift) dapat terbangkit di sayap? Secara mudah dapat
dijelaskan bahwa gaya angkat terbangkitkan karena ada perbedaan tekanan di permukaan
atas dan permukaan bawah sayap. Bentuk airfoil sayap diciptakan sedemikian rupa agar
tercipta karakteristik aliran yang sesuai dengan keinginan. Singkatnya, gaya angkat akan
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
5
ada jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan
sayap. Perbedaan tekanan ini dapat terjadi karena perbedaan kecepatan aliran udara diatas
dan dibawah permukaan sayap. Sesuai hukum Bernoulli semakin cepat kecepatan aliran
maka tekanannya makin rendah. Besarnya gaya angkat yang dibangkitkan berbanding lurus
dengan Luas permukaan sayap, kerapatan udara, kuadrat kecepatan, dan koefisien gaya
angkat.
Jadi, untuk pesawat udara, engine berfungsi memberikan gaya dorong agar pesawat
dapat bergerak maju. Akibat gerak maju pesawat maka terjadi gerakan relatif udara di
permukaan sayap. Dengan bentuk geometri airfoil tertentu dan sudut serang sayap (angel of
attack) tertentu maka akan menghasilkan suatu karakteristik aliran udara dipermukaan
sayap yang kemudian akan menciptakan beda tekanan dipermukaan atas dan permukaan
bawah sayap yang kemudian membangkitkan gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang.
3. GAYA-GAYA YANG BEKERJA PADA SAYAP PESAWAT TERBANG
Dari beberapa hal, bagusnya kinerja penerbang dalam sebuah penerbangan
bergantung pada kemampuan untuk merencanakan dan berkordinasi dengan penggunaan
tenaga (power) dan kendali pesawat untuk mengubah gaya dari gaya dorong (thrust), gaya
tahan (drag), gaya angkat (lift) dan berat pesawat (weight). Keseimbangan dari gaya-gaya
tersebutlah yang harus dikendalikan oleh penerbang. Makin baik pemahaman dari gaya-
gaya dan cara mengendalikannya, makin baik pula ketrampilan seorang penerbang.
Berikut ini hal-hal yang mendefinisikan gaya-gaya tersebut dalam sebuah penerbangan
yang lurus dan datar, tidak berakselerasi (stright and level, unaccelerated).
Thrust, adalah gaya dorong, yang dihasilkan oleh mesin (powerplant)/baling-baling. Gaya
ini kebalikan dari gaya tahan (drag). Sebagai aturan umum, thrust beraksi paralel dengan
sumbu longitudinal. Tapi sebenarnya hal ini tidak selalu terjadi, seperti yang akan dijelaskan
kemudian.
Drag, adalah gaya ke belakang, menarik mundur, dan disebabkan oleh gangguan aliran
udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag kebalikan dari thrust, dan beraksi
kebelakang paralel dengan arah angin relatif (relative wind).
Weight, gaya berat adalah kombinasi berat dari muatan pesawat itu sendiri, awak pesawat,
bahan bakar, dan kargo atau bagasi. Weight menarik pesawat ke bawah karena gaya
gravitasi. Weight melawan lift (gaya angkat) dan beraksi secara vertikal ke bawah melalui
center of gravity dari pesawat.
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
6
Lift, (gaya angkat) melawan gaya dari weight, dan dihasilkan oleh efek dinamis dari udara
yang beraksi di sayap, dan beraksi tegak lurus pada arah penerbangan melalui center of lift
dari sayap.
Pada penerbangan yang stabil, jumlah dari gaya yang saling berlawanan adalah
sama dengan nol. Tidak akan ada ketidakseimbangan dalam penerbangan yang stabil dan
lurus (Hukum ketiga Newton). Hal ini berlaku pada penerbangan yang mendatar atau
mendaki atau menurun.
Hal ini tidak sama dengan mengatakan seluruh keempat gaya adalah sama. Secara
sederhana semua gaya yang berlawanan adalah sama besar dan membatalkan efek dari
masing-masing gaya. Seringkali hubungan antara keempat gaya ini diterangkan dengan
salah atau digambarkan dengan sedemikian rupa sehingga menjadi kurang jelas.
Perhatikan gambar berikut sebagai
contoh. Pada ilustrasi di bagian atas, nilai
dari semua vektor gaya terlihat sama.
Keterangan biasa pada umumnya akan
mengatakan (tanpa menyatakan bahwa
thrust dan drag tidak sama nilainya dengan
weight dan lift) bahwa thrust sama dengan
drag dan lift sama dengan weight seperti
yang diperlihatkan di ilustrasi di bawah.
Pada dasarnya ini adalah pernyataan
yang benar yang harus benar-benar
dimengerti atau akan memberi pengertian
yang menyesatkan.
Harus dimengerti bahwa dalam
penerbangan yang lurus dan mendatar (straight and level),-tidak berakselerasi-, adalah
benar gaya lift/weight yang saling berlawanan adalah sama, tapi kedua gaya itu juga lebih
besar dari gaya berlawanan thrust/drag yang juga sama nilainya diantara keduanya, bukan
dibandingkan dengan lift/weight. Untuk kebenarannya, harus dikatakan bahwa dalam
keadaan stabil (steady):
1. Jumlah gaya ke atas (tidak hanya lift) sama dengan jumlah gaya ke bawah (tidak hanya
weight)
2. Jumlah gaya dorong (tidak hanya thrust) sama dengan jumlah gaya ke belakang (tidak
hanya drag)
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
7
Perbaikan dari rumus lama yang mengatakan “thrust sama dengan drag dan lift sama
dengan weight” ini juga mempertimbangkan fakta bahwa dalam climb/terbang mendaki,
sebagian gaya thrust juga diarahkan ke atas, beraksi seperti gaya lift, dan sebagian gaya
weight, karena arahnya yang ke belakang juga beraksi sebagai drag. Pada waktu melayang
turun (glide) sebagian vektor gaya weight diarahkan ke depan, beraksi seperti gaya thrust.
Dengan kata lain, jika kapan pun arah pesawat tidak horisontal maka lift, weight, thrust dan
drag akan terbagi menjadi dua komponen.
Diskusi dari konsep
sebelumnya sering diabaikan
dalam teks, buku-buku atau
manual aeronautika. Alasannya
bukan karena tidak ada
konsekwensinya, tapi karena
mengabaikan diskusi ini maka ide
utama dari hal gaya-gaya
aerodinamika yang bekerja pada
sebuah pesawat yang terbang
dapat disampaikan tanpa harus
mendalami teknisnya seorang ahli
aerodinamika. Dalam kenyataannya mempertimbangkan hanya terbang datar/level flight,
dan mendaki secara normal dan meluncur dengan mantap/steady, tetaplah benar bahwa
gaya angkat sayap adalah gaya ke atas yang penting, dan berat/weight adalah gaya ke
bawah yang sangat penting.
Seringnya, kesulitan yang dihadapi pada saat menerangkan gaya yang bekerja pada
pesawat udara adalah masalah bahasa dan artinya. Contohnya, penerbang telah lama
mempercayai bahwa pesawat mendaki karena kelebihan gaya angkat (excess lift). Hal ini
tidak benar jika seseorang hanya memikirkan hubungannya dengan sayap saja. Tapi
bagaimanapun hal ini benar, jika gaya angkat adalah penjumlahan total dari semua “gaya ke
atas”. Tetapi ketika merujuk ke “gaya angkat dari thrust” definisi yang sebelumnya telah
dibuat untuk gaya-gaya ini tidak berlaku lagi dan membuat lebih sulit. Hal yang tidak tepat
dalam bahasa ini telah menjadi alasan untuk menggunakannya sebagai argumen, terutama
dalam sektor akademik, bukannya untuk membuatnya lebih mudah sebagai penjelasan
pada prinsip-prinsip dasar penerbangan.
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
8
Meskipun gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang telah ditetapkan, masih
diperlukan sebuah diskusi yang lebih detil tentang bagaimana penerbang menggunakannya
untuk memproduksi penerbangan yang terkendali.
Gambar di atas adalah hukum yang berlaku pada sayap.
Partikel-partikel udara menabrak bagian bawah sayap pesawat. Partikel-partikel
yang menabrak lalu dipantulkan ke bawah (ke arah tanah). Udara yang menghujani tanah
merupakan gaya AKSI. (Isaac Newton)
Sewaktu udara akan mengalir di bagian atas sayap, tekanannya sebesar P1. Ketika udara
melewati bagian lengkung pesawat, tekanan udara di daerah itu turun menjadi P2. (Bernoulli
dan Coanda).
Di ujung bawah sayap partikel-partikel udara bergerombol dan bertambah terus
sampai akhirnya kelebihan berat dan berjatuhan (downwash). Siraman udara atau
downwash ini merupakan komponen gaya AKSI. Tanah yang menerima gaya aksi ini pasti
langsung memberikan gaya REAKSI yang besarnya sama dengan gaya aksi tetapi
berlawanan arah. Karena gaya aksinya menuju tanah (ke arah bawah), berarti gaya
reaksinya ke arah atas. Gaya reaksi ini memberikan gaya angkat (lift) yang bisa mengangkat
pesawat dan mengalahkan gaya berat akibat tarikan gravitasi bumi. Sumber gaya angkat
(lift) yang lain adalah perubahan tekanan udara di P2.
Jika ingin terbang pada kecepatan dan ketinggian konstan maka resultan gaya-gaya
tersebut harus nol. Ini berarti gaya dorong (Thrust) harus sama besar dengan gaya hambat
udara (Drag), dan gaya angkat ke atas (Lift) harus sama besar dengan gaya berat benda
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
9
(Weight). Jika ingin menambah kecepatan, kita harus menambah gaya dorong sehingga
gaya dorong (Thrust) > gaya hambat udara (Drag). Kalau hambatan dari udara lebih besar
dari gaya dorong yang dihasilkan mesin maka kecepatan akan berkurang. Jika ingin
menambah ketinggian, kita hanya perlu menambah gaya angkat supaya Gaya angkat >
Gaya berat, sebaliknya jika kita ingin mengurangi ketinggian, kita hanya perlu mengurangi
gaya angkat (Lift < weight).
Control pada pesawat
Macam kontrol pada pesawat
Selain memiliki kendali secara manual melalui joy stick yang dikendalikan oleh pilot,
pesawat juga memiliki sistem kendali Auto pilot.
Autopilot (AP) adalah sistem komputer pesawat yang dirancang menjaga kestabilan
penerbangan.Auto Pilot bekerja dengan cara merespon menggunakan aileron/ aliran udara
yang melewati sawap bagian belakang.
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
10
4. BAGAIMANA PERSAMAAN UNTUK MENGHITUNG TEKANAN PADA PESAWAT
Telah dibahas pesawat dapat terbang karena bagian atas sayap melengkung,
sehingga kecepatan udara di atas sayap (v2) lebih besar daripada kecepatan udara di
bawah sayap (v1) hal ini menyebabkan tekanan udara dari atas sayap (P2) lebih kecil
daripada tekanan udara dari bawah sayap (P1), sehingga gaya dari bawah (F1) lebih besar
daripada gaya dari atas (F2) maka timbullah gaya angkat pesawat.
Gbr. Sirip Pesawat
Persamaan Bernoulli adalah
Sayap pesawat tipis, maka h1 = h2 sehingga tekanan pada pesawat:
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
11
P2 : tekanan dari atas pesawat, satuannya Pa
P1 : tekanan dari bawah pesawat, satuannya Pa
v2 : kecepatan udara di atas pesawat, satuannya m/s
v1 : kecepatan udara di bawah pesawat, satuannya m/s
ρ : massa jenis udara, satuannya Kg/m3
Contoh :
Pada pesawat model kecepatan udara di bagian atas 50 m/s dan kecepatan di bagian
bawah 40 m/s, jika massa jenis udara 1,2 Kg/m3, tekanan udara bagian atas pesawat
103000 Pa. Berapakah tekanan udara dari bawah sayap ?
Diketahui :
v2 = 50 m/s
v1 = 40 m/s
ρ = 1,2 Kg/m3
P2 = 103000 Pa
Ditanyakan : P1 = .... ?
Penyelesaian:
P1 = 103540 Pa
Jadi tekanan dari bawah sayap pesawat adalah 103540 Pa.
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
12
5. BAGAIMANA PERSAMAAN UNTUK MENGHITUNG GAYA ANGKAT PADA
PESAWAT
Tekanan , maka F = P.A
Gaya angkat pada pesawat F1 - F2 = (P1 - P2).A atau
P2 : tekanan dari atas pesawat, satuannya Pa
P1 : tekanan dari bawah pesawat, satuannya Pa
F : gaya angkat pesawat, satuannya N
F1 : gaya dari bawah pesawat, satuannya N
F2 : gaya dari atas pesawat, satuannya N
A : luas penampang, satuannya m2
ρ : massa jenis udara, satuannya Kg/m3
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
13
KATA PENUTUP
Puji syukur penyusun panjatkan kepada Allah SWT atas segala bimbingan dan
rahmatnya selama menyusun makalah ini. Dengan tersusunnya makalah ini berarti telah
terpenuhi sebagai tugas yang diberikan oleh guru pembimbing. Kami menyadari bahwa
dalam penyusunan makalah ini masih belum sempurna dan masih banyak kekurangan-
kekurangan. Untuk itu pada kesempatan ini tak lupa kami memohon maaf yang sebesar-
besarnya bila dalam penyusunan makalah ini masih belum sempurna. Dan akhirnya kami
berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan SMAN 1 Tanjungpinang
khususnya.
Tanjungpinang, Mei 2011
Penyusun
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang
14
DAFTAR PUSTAKA
http://ardansirodjuddin.wordpress.com/2008/06/03/sejarah-pembuatan-pesawat-terbang/
http://aeroblog.wordpress.com/2006/12/06/bagaimana-pesawat-udara-bisa-terbang/
http://www.ilmuterbang.com/artikel-mainmenu-29/teori-penerbangan-mainmenu-68/26-private-
pilot/151-bab-3a-aerodinamika-penerbangan-?start=1
http://genius.smpn1-mgl.sch.id/file.php/1/ANIMASI/fisika/Asas%20Bernoulli/materi04.html
Fisika I Gaya angkat sayap pesawat terbang