LAPORAN PROJECT FISIKA TEKNIK

TEMA : PESAWAT

Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Teknik

Yang di bina oleh Bapak Sujito, S.T., M.T.

Oleh:

1. Ahmad Khakim (110533406962)

2. Qoimatul Adilah (110533406982)

3. Aulia Rahmah (110533406967)

“The Learning University”

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK INFORMATIKA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

2011

A. Pengertian Pesawat

Pesawat atau Pesawat Udara adalah setiap alat yang dapat terbang

diatmosfer karena daya angkat reaksi udara. Sedangkan Pesawat terbang

adalah pesawat udara yang lebih berat dari udara bersayap tetap dan dapat

terbang dengan tenaganya sendiri.

Menurut definisi FAA (Badan Penerbangan Amerika Serikat) di FAR

(Federal Aviation Regulation) saat ini yang juga diadopsi oleh Indonesian

CASR (Civil Aviation Safety Regulation), Definisi aircraft adalah sebuah

perangkat yang digunakan atau dimaksudkan untuk digunakan dalam

penerbangan.  Kategori aircraft untuk sertifikasi penerbangnya dalam hal ini

adalah airplane, rotorcraft, lighter-than-air, powered lift, dan glider. Part 1

tersebut juga mendefinisikan airplane/ pesawat terbang sebagai: digerakkan

mesin, sayap tetap yang lebih berat dari udara, dalam penerbangannya ditahan

oleh reaksi dinamis dari udara yang berlawanan arah dengan sayapnya.

B. Prinsip Kerja Pesawat

Prinsip dasar dari cara pesawat terbang untuk mengudara sama untuk

semua pesawat, baik pesawat capung maupun pesawat super jumbo seperti

Airbus A380, yang mempengaruhi pesawat untuk terbang adalah gaya - gaya

aerodinamis yang mengenainya yaitu, gaya angkat (lift), gaya hambat (drag),

gaya berat (grafitasi), dan gaya dorong (trust).

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.

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.

Gaya dorong pesawat kedepan didapat dari baling-baling yang berputar

pada ujung pesawat (lihat gambar). Sedangkan gaya hambat merupakan

pergesekan pesawat udara dengan angin. Karena pesawat udara mempunyai

massa, maka gaya grafitasi akan membawa pesawat kebawah, untuk itulah

gaya angkat diperlukan. Gaya angkat dihasilkan dari sayap pesawat udara.

Sayap pesawat udara ini yang memegang peranan kunci untuk mengkat

badan pesawat. Penampang sayap ini biasanya disebut "aerofoil" Selama

penerbangan udara mengalir ke atas dan bawah sayap. Udara yang megalir

diatas sayap lebih cepat dari udara yang mengalir dibawah sayap, sehingga

tekanan udara diatas pesawat lebih rendah.

Disaat yang bersamaan udara dibawah sayap dibelokan kebawah, sehingga

terjadi gaya angkat (udara yang terdorong kebawah akan mendorong sayap

keatas- gaya aksi reaksi).

Gaya dorong terhadap sayap dan tekanan udara yang rendah diatas sayap

inilah yang di butuhkan untuk pesawat terbang di udara. Terdapat beberapa faktor

yang menyebabkan pesawat dapat terbang, diantaranya :

1. Sayap

Sebuah pesawat memerlukan gaya angkat atau lift yang di

butuhkan untuk terbang. Lift dihasilkan oleh permukaan suatu sayap

(wing) yang berbentuk airfoil.

Bentuk penampang airfoil pada suatu sayap pesawat terbang:

Gaya angkat terjadi karena adanya aliran udara yang melewati

bagian atas dan bagian bawah di sekitar airfoil. Pada saat terbang, aliran

udara yang melewati bagian atas airfoil akan memiliki kecepatan yang

lebih besar daripada kecepatan aliran udara yang melewati bagian bawah

dari airfoil. Maka, pada permukaan bawah airfoil akan memiliki tekanan

yang lebih besar daripada permukaan di atas. Perbedaan tekanan pada

bagian atas dan bawah inilah yang menyebabkan terjadinya gaya angkat

atau lift pada sayap pesawat. Oleh karena tekanan berpindah dari daerah

yang bertekanan besar menuju ke daerah yang bertekanan kecil, maka

tekanan pada bagian bawah airfoil akan bergerak menuju bagian atas

airfoil sehingga tercipta gaya angkat pada sayap pesawat. Gaya angkat

inilah yang membuat pesawat dapat terbang dan melayang bebas di udara.

2. Powerplant (Tenaga Penggerak)

Untuk bergerak ke depan (baik di darat maupun di udara), pesawat

memerlukan daya dorong yang di hasilkan oleh tenaga penggerak atau

yang biasa di sebut dengan mesin (engine). Daya dorong yang nantinya di

hasilkan oleh engine ini biasa di sebut dengan thrust.

Terdapat beberapa jenis engine dari pesawat, diantaranya :

a. Piston Engine

b. Turbojet Engine

c. Turboporop Engine

d. Turbofan Engine

e. Turboshaft Engine

C. Jenis-jenis

Ada beberapa jenis pesawat, diantaranya:

Jenis Pesawat Berdasarkan Desain

1. Balon udara:

2. Kapal udara:

3. Pesawat Bersayap Tetap

a. Pesawat bersayap satu/tunggal:

c. Pesawat bersayap delta:

d. Pesawat bersayap lipat:

e. Pesawat bersayap terbang/flying wing:

f. Pesawat bersayap dua:

g. Pesawat bersayap tiga:

4. Pesawat sayap berputar

a. Helikopter:

b. Autogiro:

Berdasarkan propulsi

1. Pesawat terbang layang (Glider):

2. Pesawat bermesin piston:

3. Pesawat bermesin turbo propeler:

4. Pesawat bermesin turbojet:

5. Pesawat bermesin turbofan:

6. Pesawat bermesin ramjet:

Berdasarkan penggunaan

1. Pesawat eksperimental:

2. Pesawat penumpang sipil:

3. Pesawat angkut:

4. Pesawat militer:

Jenis-jenis mesin pesawat terbang

Pesawat bisa terbang karena ada gaya dorong dari mesin penggerak (Engine)

yang menyebabkan pesawat memiliki kecepatan, dan kecepatan inilah yang di

terima sayap pesawat berbentuk aerofoil sehingga pesawat dapat terangkat /

terbang. Pemilihan engine didasarkan pada besar kecilnya ukuran pesawat

terbang. Berikut jenis-jenis mesin penggerak pesawat terbang:

1. Turboprop Engine

Pada awal perkembangan engine, umumnya pesawat komersial

menggunakan sistem penggerak turbo propeller atau yang biasa disebut

dengan turboprop. Jenis turbo prop memiliki system tidak jauh berbeda

dengan turbo jet, akan tetapi energy ( thrust ) dihasilkan oleh putaran

propeller sebesar 85 %, dimana putaran propeller ini digerakkan oleh

turbin yang menerima expansi energy dari hasil pembakaran, sisanya 15 %

menjadi exhaust jet thrust (hot gas)

Turboprop engine lebih efisien dari pada turbojet, dirancang untuk terbang

dengan kecepatan di bawah sekitar 800 km / h (500 mph). Contoh mesin

turboprop yang populer antara lain mesin Roll-Royce Dart yang dipakai

pada pesawat British Aerospace , Fokker 27 dll.

2. Turbojet Engine

Pengembangan mesin penggerak pesawat (Engine) mengalami kemajuan

sangat pesat dengan dikembangkannya mesin jenis turbojet, di mana

propeller yang berfungsi untuk menghisap udara dan menghasilkan gaya

dorong digantikan dengan kompresor bertekanan tinggi yang tertutup

casing, mesin menyatu dengan ruang bakar dan turbin engine. Dari gambar

di bawah terlihat bagian-bagian dari mesin turbo jet, yang terdiri dari air

inlet (saluran udara), sirip compressor rotor dan stator, saluran bahan bakar

(Fuel inlet), ruang pembakaran (combuster chamber), turbin dan saluran

gas buang (exhaust). Tenaga gaya dorong ( Thrust ) 100 % di hasilkan

oleh exhaust jet thrust.

Mesin turbojet adalah mesin jet yang paling sederhana, biasanya dipakai

untuk pesawat-pesawat berkecepatan tinggi. Contoh dari mesin ini adalah

mesin Roll-Royce Olypus 593 yang digunakan untuk pesawat Concorde.

Jenis lain adalah mesin Marine Olympus yang memiliki kekuatan 28.000

hp (daya kuda atau setara dengan 21 MW) yang digunakan untuk

menggerakkan kapal perang modern dengan bobot mati 20.000 ton dengan

operasi berkecepatan tinggi.

3. Turbofan Engine

Turbo Fan adalah jenis engine yang termodern sa’at ini yang

menggabungkan tekhnologi Turbo Prop dan Turbo Jet. Mesin ini

sebenarnya adalah sebuah mesin by-pass dimana sebagian dari udara

dipadatkan dan disalurkan ke ruang pembakaran, sementara sisanya

dengan kepadatan rendah disalurkan sekeliling bagian luar ruang

pembakaran (by-pass). Sekaligus udara tersebut berfungsi untuk

mendinginkan engine. Tenaga gaya dorong (Thrust) terbesar dihasilkan

oleh FAN (baling-baling/blade paling depan yang berukuran panjang),

menghasilkan thrust sebesar 80 % (secondary airflow), dan sisanya 20 %

menjadi exhaust jet thrust (hot gas). Sepintas mesin turbo fan ini mirip

turbo prop, namun baling-baling depan dari turbo fan memiliki ruang

penutup (Casing/Fan case).

Mesin / engine yang menggunakan type ini contohnya adalah mesin

RB211 yang digunakan pada pesawat Boeing B 747 dan GE CF6-80C2

yang digunakan pada pesawat DC 10 serta P&W JT 9D SERIES . Mesin

lain yang menggunakan jenis mesin turbofan adalah Roll-Royce Tay pada

pesawat Fokker F-100 (yang dijuluki mesin fanjet), mesin Adour Mk871

yang digunakan pada pesawat tempur type Hawk Mk 100/200 pesawat

tempur Jaguar dan Mitshubishi F-1 yang digunakan AU Jepang.

Kemudian mesin high by-pass turbofan ini diterapkan juga pada mesin

CFM56-5C2 yang dipakai oleh pesawat AIRBUS A340 dan mesin

CFM56-3 yang dipakai pada Boeing B-737 serie 300, 400 dan 500 yang

merupakan produk bersama antara GE dengan SNECMA dari Perancis.

Pada pesawat militer, mesin turbofan yang diterapkan antara lain pada

mesin TF39-1C yang dipakai pada pesawat angkut raksasa C-5GALAXI,

kemudian GE F110 yang dipakai pada F-16.

4. Ramjet Engine

Ramjet merupakan suatu jenis mesin (engine) dimana apabila campuran

bahan bakar dan udara yang dipercikkan api akan terjadi suatu ledakan,

dan apabila ledakan tersebut terjadi secara kontinyu maka akan

menghasilkan suatu dorongan (Thrust). Mesin Ramjet terbagi atas empat

bagian, yaitu: saluran masuk (nosel divergen) bagian untuk aliran udara

masuk, ruang campuran merupakan ruang campuran antara udara dan

bahan bakar supaya bercampur secara sempurna, combustor merupakan

ruang pembakaran yang dilengkapi dengan membran,yang mana berfungsi

untuk mencegah tekanan balik, saluran keluar (nosel konvergen) yang

berfungsi untuk memfokuskan aliran thrust, menahan panas dan

meningkatkan suhu pada combustor.

Technology ram jet ini umumnya dikembangkan pada roket/pesawat ulang

alik. Pesawat tanpa awak X-43A ini memanfaatkan mesin scramjet yang di

masa mendatang akan dipakai juga pada pesawat ulang alik. Adapun

keistimewaan dari x-434 ini adalah digunakannya mesin scramjet

(supersonic combustible ramjet). Scramjet menggunakan teknologi baru

yang membakar hidrogen bersama dengan oksigen yang diambil dari

udara. Oksigen tersebut dihisap dan dipancarkan lagi dengan kecepatan

sangat tinggi.

5. Turboshaft Engine

Mesin Turboshaft sebenarnya adalah mesin turboprop tanpa baling-baling.

Power turbin-nya dihubungkan langsung dengan REDUCTION

GEARBOX atau ke sebuah shaft (sumbu) sehingga tenaganya diukur

dalam shaft horsepower (shp) atau kilowatt (kW).

Jenis mesin ini umumnya digunakan untuk menggerakkan helikopter ,

yakni menggerakan rotor utama maupun rotor ekor (tail rotor) selain itu

juga digunakan dalam sektor industri dan maritim termasuk untuk

pembangkit listrik, stasiun pompa gas dan minyak, hovercraft , dan kapal.

Contoh mesin ini adalah GEM/RR 1004 bertenaga 900 shp yang

diterapkan pada helikopter type Lynx dan mesin Gnome 1.660 shp (1.238

kW) pada helicopter Sea King. Sedangkan versi Industri lain adalah mesin

pembangkit listrik 25-30 MW Roll-Royce RB 211 dengan 35.000-40.000

shp.

D. Komponen pesawat

Meskipun pesawat terbang dirancang untuk berbagai keperluan,

kebanyakan mempunyai komponen utama yang sama satu dengan lainnya.

Karakter utama dari sebuah pesawat terbang ditentukan oleh tujuan awal

rancangannya. Kebanyakan struktur pesawat terdiri dari fuselage (badan

pesawat), sayap, empennage (bagian belakang), roda pendaratan, dan mesin.

1. Fuselage

Yang dimaksud dengan Fuselage adalah kabin dan atau kokpit,

yang berisi kursi untuk penumpangnya dan pengendali pesawat. Sebagai

tambahan, fuselage juga bisa terdiri dari ruang kargo dan titik-titik

penghubung bagi komponen utama pesawat yang lainnya.Beberapa

pesawat menggunakan struktur open truss. Fuselage dengan tipe open

truss terbentuk dari tabung baja atau aluminium. Kekuatan dan kepadatan

didapat dari pengelasan tabung-tabung secara bersama yang membentuk

bangun segitiga yang disebut trusses.

2. Warren Truss

Konstruksi dari Warren truss membuat bentuk sarang dengan

batang-batang longerons, juga batang diagonal dan vertikal. Untuk

mengurangi berat maka pesawat kecil menggunakan tabung aluminium

alloy yang di rivet atau di sekrup menjadi satu bagian dengan bagian yang

berhadapan membentuk kerangka.

Setelah teknologi berkembang, perancang pesawat mulai melapisi

batang-batang truss untuk membuat pesawat lebih streamline, dan

meningkatkan kinerja. Awalnya dengan menggunakan kain fabric, yang

dapat membengkokkan logam yang ringan seperti aluminium. Dalam

beberapa keadaan, kulit luar dapat mendukung semua atau sebagian dari

beban yang ditanggung oleh pesawat. Sebagian besar pesawat modern

menggunakan struktur kulit yang diketatkan (stressed) yang dikenal

dengan nama konstruksi monocoque atau semi-monocoque.

Rancangan monocoque menggunakan kulit (logam) yang

diketatkan untuk menanggung semua beban (load).Ini adalah struktur yang

sangat kuat tapi tidak bisa mentoleransi kerusakan berupa goresan atau

penyok (berubah/deformasi).Karakteristik ini dapat dijelaskan dengan

menggunakan kaleng aluminium tipis minuman ringan.Kita dapat

menekan kaleng tersebut dengan kuat tanpa merusak kaleng. Tapi kalau

kaleng tersebut sudah penyok sedikit saja, maka akan lebih mudah untuk

membengkokkannya.

a. Konstruksi Monocoque

Konstruksi monocoque yang sebenarnya terdiri dari kulit, former

(pembentuk) dan bulkhead (penahan).Former dan bulkhead memberi

bentuk pada fuselage.Karena tidak ada kerangka maka kulit haruslah

cukup kuat untuk menjaga kepadatan/kekuatan fuselage.Jadi, masalah

yang cukup penting dalam konstruksi monocoque adalah menjaga

konstruksi agar cukup kuat sementara berat juga harus diperhatikan

agar tidak melebihi batasan.Karena batasan inilah maka struktur semi-

monocoque digunakan di banyak pesawat masa kini.

Sistem semi-monocoque menggunakan sub-struktur dimana kulit

pesawat ditempelkan. Sub-struktur ini, yang terdiri dari bulkhead

dan/atau former terbuat dari berbagai ukuran dan kerangka,

memperkuat kulit pesawat dengan menyerap sebagian dari gaya beban

dari fuselage. Bagian utama dari fuselage juga termasuk titik

sambungan sayap dan sebuah firewall.

b. Konstruksi Semi-monocoque

Pada pesawat bermesin tunggal, mesinnya biasanya disambungkan

di depan fuselage. Ada pembatas tahan-api di antara bagian belakang

mesin dengan kokpit atau kabin untuk melindungi penerbang dan

penumpangnya dari api akibat kecelakaan. Pembatas inilah yang

disebut dengan firewall dan biasanya dibuat dari material tahan panas

seperti baja.

3. Sayap

Sayap adalah airfoil yang disambungkan di masing-masing sisi

fuselage dan merupakan permukaan yang mengangkat pesawat di udara.

Terdapat berbagai macam rancangan sayap, ukuran dan bentuk yang

digunakan oleh pabrik pesawat. Setiap rancangan sayap memenuhi

kebutuhan dari kinerja yang diharapkan untuk rancangan pesawat tertentu.

Bagaimana sayap dapat membuat gaya angkat (lift) akan diterangkan di

bab terkait.

Sayap dapat dipasang di posisi atas, tengah atau bawah dari

fuselage. Rancangan ini disebut high-, mid- dan low-wing. Jumlah sayap

juga berbeda-beda. Pesawat terbang dengan satu set sayap disebut

monoplane, sedangkan pesawat terbang dengan dua set sayap disebut

biplane.

Monoplane dan biplane

Banyak pesawat dengan sayap di atas (high-wing) mempunyai tiang

penahan di luar atau disebut dengan wing-strut yang menyerap beban

penerbangan dan pendaratan dari strut ke struktur fuselage. Karena

biasanya wing-strut ini tersambung di tengah sayap, tipe struktur sayap ini

disebut semi-cantilever. Beberapa high-wing dan sebagian besar low-

wing mempunyai rancangan full-cantilever yang dirancang untuk

menahan beban tanpa tambahan strut di luarnya.

Struktur utama dari bagian sayap adalah spar, rib dan stringer. Semua itu

kemudian diperkuat oleh truss, I-beam, tabung atau perangkat lain

termasuk kulit pesawat. Rib menentukan bentuk dan ketebalan dari sayap

(airfoil).Pada sebagian besar pesawat modern, tanki bahan bakar biasanya

adalah bagian dari struktur sayap atau tangki yang fleksibel yang dipasang

di dalam sayap.

Di sisi belakang atau trailing edge dari sayap, ada 2 tipe permukaan

pengendali (control surface) yang disebut aileron dan flap. Aileron

(kemudi guling) biasanya dimulai dari tengah-tengah sayap ke ujung luar

sayap (wingtip) dan bekerja dengan gerakan yang berlawanan untuk

membuat gaya aerodinamis yang membuat pesawat untuk berguling ke kiri

atau ke kanan. Sedangkan flap biasanya dari dekat fuselage ke arah luar

sampai tengah-tengah sayap. Flap biasanya sama rata dengan permukaan

sayap pada waktu pesawat sedang menjelajah. Pada waktu diturunkan, flap

bergerak dengan arah yang sama ke bawah untuk menambah gaya angkat

sayap pada waktu lepas landas dan mendarat.

4. Empennage

Nama yang benar untuk bagian ekor dari pesawat adalah

empennage. Empennage terdiri dari seluruh ekor pesawat, termasuk

permukaan yang tetap/diam seperti vertical stabilizer dan horizontal

stabilizer. Sedangkan permukaan yang bergerak termasuk rudder,

elevator, dan satu atau lebih trim tab.

Komponen Empennage

Tipe kedua dari rancangan empennage tidak membutuhkan elevator. Tapi

merupakan satu kesatuan dari horizontal stabilizer yang dapat berputar di

pusat engselnya.

Tipe ini disebut stabilator dan digerakkan dengan menggunakan batang

kemudi, seperti halnya jika kita menggerakkan elevator. Sebagai contoh,

jika kita menarik batang kemudi, maka stabilator akan berputar sehingga

bagian belakang (trailing edge) akan terangkat. Hal ini menyebabkan

beban aerodinamis di ekor dan menyebabkan hidung pesawat bergerak

naik. Stabilator mempunyai anti-servo tab yang terpasang di trailing edge.

Anti-servo tab bergerak dengan gerakan yang sama dengan trailing edge

dari stabilator. Anti-servo tab juga berfngsi sebagai trim tab untuk

mengurangi beban tekanan pada kemudi dan membantu stabilator untuk

tetap pada posisi yang diinginkan.

Komponen Stabilator

a. RUDDER

Rudder tersambung di bagian belakang dari vertical stabilizer. Selama

penerbangan, rudder digunakan untuk menggerakkan hidung pesawat

ke kanan dan ke kiri.Rudder digunakan bersama dengan aileron untuk

belok selama penerbangan. Sedangkan elevator yang terpasang di

bagian belakang horizontal stabilizer digunakan untuk menggerakkan

hidung pesawat naik dan turun selama penerbangan.

b. Trim Tabs

Trim tab berukuran kecil dan bagian yang dapat digerakkan dari

trailing edge-nya kemudi. Trim tab yang dapat digerakkan dari kokpit

mengurangi tekanan pada kemudi. Trim tab dapat terpasang pada

aileron, rudder dan/atau elevator.

5. Landing Gear

Landing gear/ roda pesawat adalah penopang utama pesawat pada

waktu parkir, taxi (bergerak di darat), lepas landas atau pada waktu

mendarat. Tipe paling umum dari landing gear terdiri dari roda, tapi

pesawat terbang juga dapat dipasangi float (pelampung) untuk beroperasi

di atas air atau ski, untuk mendarat di salju. Landing gear terdiri dari 3

roda, dua roda utama dan roda ketiga yang bisa berada di depan atau di

belakang pesawat. Landing gear yang memakai roda dibelakang disebut

conventional wheel. Pesawat terbang dengan conventional wheel juga

kadang-kadang disebut dengan pesawat tailwheel. Jika roda ketiga

bertempat di hidung pesawat, ini disebut nosewheel, dan rancangannya

disebut tricycle gear. Nosewheel atau tailwheel yang dapat dikemudikan

membuat pesawat dapat dikendalikan pada waktu beroperasi di darat.

Landing Gear

6. Power Plant

Power plant biasanya termasuk mesin dan baling-baling.Fungsi

utama dari mesin adalah menyediakan tenaga untuk memutar baling-

baling.Mesin juga menghasilkan tenaga listrik, sumber vakum untuk

beberapa instrumen pesawat, dan di sebagian besar pesawat bermesin

tunggal, menyediakan pemanas untuk penerbang dan penumpangnya.

Mesin ditutup oleh cowling atau di beberapa pesawat dikelilingi oleh

nacelle. Maksud dari cowling atau nacelle adalah untuk membuat

streamline aliran udara yang mengalir di sekitar mesin dan membantu

mendinginkan mesin dengan mengalirkan udara di sekitar silinder. Baling-

baling, yang terpasang di depan mesin, mengubah putaran mesin menjadi

gaya yang bergerak ke depan yang disebut thrust yang membantu

menggerakkan pesawat melewati udara.

Power Plant

E. Teori Fisika yang Berlaku

1. Azas Bernoulli

Azas Bernoulli membicarakan pengaruh kecepatan fluida di dalam

fluida tersebut. Bahwa di dalam fluida yang mengalir dengan kecepatan

lebih tinggi akan diperoleh tekanan yang lebih kecil.

Bagian atas sayap melengkung, sehingga kecepatan udara di atas

sayap (v1) lebih besar daripada kecepatan udara di bawah sayap (v2) hal ini

menyebabkan tekanan udara dari atas sayap (P1) lebih kecil daripada

tekanan udara dari bawah sayap (P2), sehingga gaya dari bawah (F2) lebih

besar daripada gaya dari atas (F1) maka timbullah gaya angkat pesawat.

v1>v2berarti P1<P2

Karena tekanan diatas lebih kecil daripada tekanan dibawah sayap

maka akan timbul gaya dorong yang lebih besar dibawah sayap. Gaya

angkat memenuhi:

F = P.A

F = (P2−P1)A maka akan diperoleh:

F=12

ρ (v21−v2

2 ) A

P1+12

ρ . v12+ ρgh1=P2+

12

ρ. v22+ρg h2

Sayap pesawat tipis, maka h1 = h2 sehingga tekanan pada pesawat:

P1+12

ρ . v12 = P2+

12

ρ . v22 = konstan

P1−P2 = 12

ρ (v22−v1

2 )

Dengan:

F : gaya angkat pesawat, satuannya N

P1 : tekanan dari bawah pesawat, satuannya Pa

P2 : tekanan dari atas pesawat, satuannya Pa

v1 : kecepatan udara di bawah pesawat, satuannya m/s

v2 : kecepatan udara di atas pesawat, satuannya m/s

ρ : massa jenis udara, satuannya Kg/m3

A : luas penampang, satuannya m2

Contoh :

1. Pada pesawat dengan luas sayap 18 m2 kecepatan udara di bagian atas 50

m/s dan kecepatan di bagian bawah 40 m/s, jika massa jenis udara 1,3

kg/m3. Berapakah gaya angkat pesawatnya?

Diketahui :

A = 18 m2

v2 = 50 m/s           

v1 = 40 m/s          

ρ = 1,3 Kg/m3

Ditanyakan :

F = …. ?

Penyelesaian:

F = P.A

P1+12

ρ . v12 = P2+

12

ρ . v22

P1−P2 = 12

ρ (v22−v1

2 )

= 12

(1,3 ) (502−402 )

= (585 ) . A

= (585) (18)

F = 10.530 N

Jadi, gaya angkat pesawat adalah 10.530 N

2. Gaya Hambat

Sebuah benda yang bergerak melalui gas atau cairan mengalami

sebuah gaya yang arahnya berlawanan dengan gerakan benda tersebut.

Kecepatan terminal dicapai saat gaya hambat sebanding dengan magnitud

(magnitudo) tapi arahnya berlawanan dengan gaya yang mendorong

benda. Di gambar ini tampak sebuah bola dalam aliran Stokes, pada

bilangan Reynolds yang sangat rendah.

Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut

hambatan fluida atau seretan) adalah gaya yang menghambat pergerakan

sebuah benda padat melalui sebuah fluida ( cairan atau gas). Bentuk gaya

hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang

bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang

bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. Bagi sebuah

benda padat yang bergerak melalui sebuah fluida, gaya hambat merupakan

komponen dari aerodinamika gaya resultan atau gaya dinamika fluida yang

bekerja dalam arahnya pergerakan. Komponen tegak lurus terhadap arah

pergerakan ini dianggap sebagai gaya angkat. Dengan begitu gaya hambat

berlawanan dengan arah pergerakan benda, dan dalam sebuah kendaraan

yang digerakkan mesin diatasi dengan gaya dorong.

Dalam mekanika orbit, tergantung pada situasi, hambatan atmosfer

bisa dianggap sebagai ketidak efesiensian yang membutuhkan pengeluaran

energi tambahan dalam peluncuran objek angkasa luar.

Tipe-tipe gaya hambat pada umumnya terbagi menjadi kategori

berikut ini:

Gaya hambat parasit, terdiri dari

seretan bentuk,

gesekan permukaan,

seretan interferensi,

gaya hambat imbas, dan

gaya hambat gelombang (aerodinamika) atau hambatan gelombang

(hidrodinamika kapal).

Frase gaya hambat parasit sering digunakan dalam aerodinmika,

gaya hambat sayap angkat pada umumnya lebih kecil dari gaya angkat.

Aliran fluida di sekeliling bagian benda yang curam pada umumnya

mendominasi, dan lalu menciptakan gaya hambat. Lebih jauh lagi, gaya

hambat imbas baru relevan ketika ada sayap atau badan angkat, dan

dengan begitu biasanya didiskusikan baik dalam perspektif aviasinya gaya

hambat, atau dalam desainnya semi-planing atau badan kapal. Gaya

hambat gelombang berlangsung saat sebuah benda padat bergerak melalui

sebuah fluida atau mendekati kecepatan suara dalam fluida itu — atau

dalam kasus dimana sebuah permukaan fluida yang bergerak bebas

bergelombang permukaan menyebar dari objek, misalnya saja dari sebuah

kapal.

Untuk kecepatan yang tinggi — atau lebih tepatnya, pada bilangan

Reynolds yang tinggi — gaya hambat keseluruhannya sebuah benda

dikarakterisasikan oleh sebuah bilangan tak berdimensi yang disebut

koefisien hambatan. Mengumpamakan sebuah koefisien hambatan yang

lebih-atau-kurang konstan, seretan akan bervariasi sebagai kuadratnya

kecepatan. Dengan begitu, tenaga resultan yang dibutuhkan untuk

mengatasi gaya hambat ini akan bervariasi sebagai pangkat tiganya

kecepatan. Persamaan standar untuk gaya hambat adalah satu setengah

koefisiennya seretan dikali dengan massa jenis fluida, luas dari item

tertentu, dan kuadratnya kecepatan.

Hambatan angin merupakan istilah orang awam yang digunakan

untuk mendeskripsikan gaya hambat. Penggunaannya seringkali tak jelas,

dan biasanya digunakan dalam sebuah makna perbandingan (sebagai

misal, kok bulu tangkis memiliki hambatan angin yang lebih tinggi dari

bola squash).

Gaya Hambat Pada Kecepatan Tinggi

Persamaan gaya hambat menghitung gaya yang dialami sebuah

objek yang bergerak melalui sebuah fluida pada kecepatan yang relatif

besar (misalnya bilangan Reynold yang tinggi, Re > ~1000), yang juga

dijuluki seretan kuadrat. Persamaan tersebut merupakan penghormatan

kepada John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, yang awalnya

menggunakan L2 dalam tempatnya A (L adalah panjang). Gaya sebuah

objek yang bergerak melalui sebuah fluida adalah:

Fd=12

. ρ . v2 .Cd . A

dimana

Fd = adalah gaya dari seretan,

ρ = adalah massa jenisnya fluida (Catatan untuk atmosfer Bumi, massa

jenis bisa diketahui dengan menggunakan rumus barometer. Massa

jenisnya sebesar 1.293 kg/m3 pada 0 °C dan 1 atmosfer.),

v = adalah laju objek dibandingkan dengan fluida,

A = adalah luas rujukan,

Cd = adalah koefisien hambatan (parameter tak berdimensi, misalnya 0,25

sampai 0,45 untuk sebuah mobil),

Luas rujukan A sering didefinisikan sebagai luas proyeksi ortografi

(proyeksi siku-siku) dari objek - pada sebuah bidang yang tegak lurus

terhadap arah gerakan - misalnya untuk objek-objek berbentuk sederhana

seperti lingkaran, ini merupakan luas penampang lintang. Terkadang

sebuah objek memiliki beberapa luas rujukan dimana sebuah koefisien

hambatan yang sesuai dengan masing-masing luas rujukan harus

ditentukan.

Dalam kasus sebuah sayap, perbandingan gaya hambat terhadap

gaya angkat sangat mudah saat luas rujukannya sama, sebab nisbah gaya

hambat terhadap gaya angkat hanyalah nisbah gaya hambat terhadap

koefisien gaya angkat. Dengan begitu, rujukan untuk sayap seringkali

adalah luas planform, bukannya luas penampang depan.

Untuk objek yang bepermukaan halus, dan titik pisah yang tidak

tetap - seperti sebuah lingkaran atau silinder bundar - koefisien hambatan

akan bervariasi dengan bilangan Reynolds Re, bahkan sampai pada nilai

yang sangat tinggi Re dari tingkat besaran 107). Bagi sebuah objek bertitik

pisah yang tetap dan terdefinisi dengan baik, seperti sebuah cakram lingkar

berbidang normal terhadap arah aliran, koefisien hambatan adalah konstan

untuk Re > 3,500. Pada umumnya, koefisien hambatan Cd merupakan

sebuah fungsi orientasinya aliran berkenaan dengan objek (terlepas dari

objek yang simetris seperti sebuah bola).

3. Hukum II Newton

Hukum II Newton membicarakan hubungan antara gaya yang

bekrja pada sebuah benda dengan percepatan yang ditimbulkan oleh gaya

tersebut. Di bawah ini ditunjukkan beberapa percobaan untuk mengamati

hubungan antara massa benda m, gaya F yang bekerja pada benda itu,

serta percepatan yang dapat ditimbulkan.

a. Pengaruh gaya pada percepatan untuk massa konstan:

Dari gambar di atas di dapat besar gaya sebanding dengan percepatan :

F ~ a

b. Pengaruh massa pada percepatan untuk gaya konstan:

Dari gambar di atas di dapat besat gaya sebanding dengan massa : a ~

1/m.

Berdasarkan keadaan tersebut, Newton dapat mengemukakan

hukum II tentang gerak sebagai berikut:

“Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada

sebuah benda berbanding lurus dengan besar gaya itu, dan

berbanding terbalik dengan massa benda. Arah percepatan sama

dengan gaya itu.”

Pernyataan di atas dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan :

a = k Fm

k di atas merupakan ketetapan perbandingan yang dalam satuan SI

harganya = 1. Dengan demikian persamaan di atas dalam SI menjadi:

a = Fm

atau F = m a

secara umum dapat ditulis dalam bentuk :

2a

mF

a

m2F

3a

m3F

½ a

mF

a

2mF

1/3a

3mF

∑ F=ma

Dengan :

m = massa benda (kg)

a = percepatan benda (m/s2)

F = komponen gaya yang sejajar dengan bidang gerak benda

∑ F = jumlah gaya yg bekerja pada benda (kg m/s2 atau

(Newton))

4. GLBB

GLBB adalah gerak dengan lintasan yang berupa garis lurus dan

kecepatannya setiap saat selalu berubah secara beraturan. Jadi, dalam

GLBB ini benda mengalami percepatan tetap. Persamaan GLBB sebagai

berikut:

a=v t−v0

t a . t = vt – v0

atau

vt = v0 + a t

dengan:

v0 = kecepatan awal (m/s)

vt = kecepatn akhir (m/s)

a = percepatan (m/s2)

t = waktu yg diperlukan (sekon)

Untuk menentukan jarak tempuh benda juga dapat menggunkan

persamaan berikut :

S = v0 t + ½ a.t2

Sedangkan bentuk lain dari persamaan awal adalah sebagai berikut:

vt2 = v0

2 + 2.a.s

s atau persamaan jarak tersebut merupakan fungsi kuadrat dalam

waktu jika dalam GLBB.

Dalam GLBB ini juga terdapat perlambatan. Dalam perlambatan,

kecepatan akan semakin berkurang sampai suatu saat benda akan berhenti.

Perlambatan di sini dimaksudkan sebagai percepatan yang bernilai negatif.

Dengan demikian, persamaan-persamaan GLBB berlaku sekaligus untuk

gerak benda yang diperlambat beraturan, dengan catatan nilai

perlamabatan a negatif.

Studi Kasus

Misalkan :

Sebuah pesawat dengan massa 34.000 kg akan melakukan take off di landasan

dengan kecepatan 10 m/s. Jika mesin pesawat melakukan gaya dorong sebesar

680.000 N dan luas kedua sayap pesawat adalah 21 m2, berapakah gaya angkat

yang diperlukan untuk bisa membuat pesawat terangkat dan pada detik ke berapa

pesawat mulai terangkat? (ρ = 1,3 kg/m3)

Jawab:

Diketahui

A = 21 m2 mpesawat = 37.000 kg

ρ = 1,3 kg/m3 v = 10 m/s

Fdorong = 740.000 N

Ditanya:

Gaya angkat dan waktu yang diperlukan?

Jawab:

F = m a

740.000 = 37.000 x a

a = F/m

a = 740.00037.000

a = 20 m/s2

dengan massa sebesar 37.000 kg dan gaya dorong sebesar itu didapatkan

percepatan sebesar 20 m/s2

pada saat t = 1 sekon, dapat dicari :

v t=v0+12

a t

v t=10+ 12

. 20 .1

v t=10+10

v t=20 m / s

Dapat diasumsikan v t=vudara pada bagian atas dan bawah pesawat dengan

perbandingan atas dan bawah, v1: v2=3: 2. Maka diperoleh:

v1=2 x 20=60 m / s v2=3 x 20=40 m /s

v1=60 m /s

v2=40 m /s

F=12

ρ (v12−v2

2 ) . A

F=12

(1,3 ) (602 – 402 ) (21 )

F=(0,65 ) (3600−1600 ) (21 )

F=27.300 N

Gaya angkat yang diperoleh sebesar 27.300 N dengan luas penampang

sayap seluas 21 m2.

Setelah itu kita bisa mencari jarak yang ditempuh oleh pesawat untuk lepas

landas:

Kita menghitung jarak dari detik pertama (t = 1 s)

s=v0 .t + 12

a . t2

t=1

s=10. 1+ 12

. 20 .12

s=20 m

Table studi kasus:

t v0 a ½ a.t ½ a.t2 v0 .t vt

1 s 10 m/s 20 m/s2 10 10 10 20 m/s

2 s 10 m/s 20 m/s2 20 40 20 30 m/s

3 s 10 m/s 20 m/s2 30 90 30 40 m/s

4 s 10 m/s 20 m/s2 40 160 40 50 m/s

5 s 10 m/s 20 m/s2 50 250 50 60 m/s

6 s 10 m/s 20 m/s2 60 360 60 70 m/s

7 s 10 m/s 20 m/s2 70 490 70 80 m/s

8 s 10 m/s 20 m/s2 80 640 80 90 m/s

9 s 10 m/s 20 m/s2 90 810 90 100 m/s

Setelah kita mengetahui vt , dapat kita asumsikan vt sebagai vudara bagian

atas maupun bawah sayap dengan perbandingan vatas : vbawah = 3 : 2, dengan

demikian dapat kita cari gaya angkatnya sebagai berikut tabelnya:

t vatas (3 x vt) vbawah (2 x vt) (vatas2 – vbawah

2) ½ ρ.A Fangkat s (m)

1 s 60 m/s 40 m/s 2000 m/s 13,65 27300 N 202 s 90 m/s 60 m/s 4500 m/s 13,65 61425 N 603 s 120 m/s 80 m/s 8000 m/s 13,65 109200 N 120 4 s 150 m/s 100 m/s 12500 m/s 13,65 170625 N 2005 s 180 m/s 120 m/s 18000 m/s 13,65 245700 N 3006 s 210 m/s 140 m/s 24500 m/s 13,65 334425 N 4207 s 240 m/s 160 m/s 32000 m/s 13,65 436800 N 5608 s 270 m/s 180 m/s 40500 m/s 13,65 552825 N 7209 s 300 m/s 200 m/s 50000 m/s 13,65 682500 N 900

Pada saat t = 7 dan seterusnya dapat disimpulkan bahwa F > W yang mana

W merupakan gaya berat,

W = m .g

nilai W sendiri sama dengan 370000 joule, hasil dari perkalian massa pesawat

(37000 kg) dengan percepatan gravitasi (10 m/s2), ketika F > W maka pesawat

akan dapat terangkat. Dan juga dapat diketahui jarak lintasan yang ditempuh

pesawat sampai lepas landas.

Daftar Pustaka

http://baiuanggara.wordpress.com/2008/12/29/prinsip-hukum-

bernoulli/

Fatah, Zainal dkk. 2008. Fisika untuk SMA/MA 2B. Sagufindo

Kinarya: Jakarta.

Setyanto dkk. 2009. Fisika untuk SMA/MA 2A. Sagufindo Kinarya:

Jakarta.