https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Airplane_vortex_edit.jpg |
Aerodinamika adalah ilmu yang
mempelajari tentang udara yang mengalir, yang biasanya dikaitkan dengan udara
di atmosfer. Dari kata dasarnya yaitu aero = udara serta dynamic = gaya gerak. Aerodinamika
adalah cabang dari ilmu dinamika fluida dan dinamika gas yang mana adalah
cabang dari mekanika fluida. Pada taraf tertentu, secara umum, ilmu ini akan dikaitkan
dengan ilmu tentang pesawat terbang tentang desain dan operasinya.
Ilmu ini sangat penting dalam
mendesain pesawat terbang, baik untuk perhitungan performa, manuver maupun
aspek-aspek detail lainya. Sebagai contoh, pesawat DC-3, salah satu pesawat paling
terkenal sepanjang masa dari tahun 1930, tanpa pengetahuan tentang aerodinamika
kecepatan rendah, pesawat ini tidak akan pernah ada. Kemudian, pesawat Boeing
707 pada tahun 1950, tidak mungkin dapat di desain tanpa pengetahuan tentang
aerodinamika pada kecepatan subsonic.
Selanjutnya, Bell X-1 adalah pesawat yang pertama kali mencetak sejarah
memecahkan rekor penerbangan melebihi kecepatan suara yang dipiloti oleh
captain chuk yeager pada tahun 1947, desain pesawat ini syarat dengan pengetahuan
aerodinamika transonic. Pada masa
saat ini, desain pesawat yang hemat bahan bakar, tidak berisik, serta ramah
lingkungan juga membutuhkan disiplin aerodinamika yang intensif, dan masih
banyak lagi contoh-contoh yang menunjukkan pentingnya ilmu aerodinamika
terhadap perkembangan ilmu penerbangan.
Adapun tujuan praktis utama dari
ilmu aerodinamika antara lain :
1.
Prediksi gaya dan moment, serta perpindahan
kalor pada benda yang bergerak melalui suatu fluida (biasanya udara). Misalkan perhitungan
Lift, drag serta thrust pada
pesawat terbang, perhitungan gaya yang diderita oleh gedung-gedung yang terkena
angin kencang, turbin angin dan masih banyak lagi. Hal tersebut disebut external aerodynamics.
2.
Penentuan aliran melalui saluran tertutup. Seperti
misalnya kecepatan, tekanan ataupun suhu aliran pada exhaust mesin jet, roket ataupun aliran di dalam wind tunnel. Hal tersebut disebut internal aerodynamics.
Dapat dikatakan bahwa
aerodinamika adalah ilmu yang relatif kompleks, sehingga dalam artikel ini
hanya akan disebutkan hal-hal yang mendasari aerodinamika secara umum, kemudian
persamaan yang digunakan adalah integral, diferensial dan vektor maka
disarankan untuk menguasai kalkulus dan matematika teknik terlebih dahulu
sebelum mendalami cabang ilmu ini, namun tentu saja yang paling penting untuk
memahami aerodinamika adalah konsep dan arti fisis dari persamaan itu sendiri. Adapun
pada akhirnya, persamaan-persamaan yang kompleks tersebut akan diselesaikan
dengan menggunakan komputer seperti computational
fluid dynamics (CFD) dengan mudah, sehingga tidak perlu berkecil hati saat
menemui kesulitan dalam mempelajari ilmu dasar aerodinamika.
Karena ilmu aerodinamika menggunakan
alat berupa matematika untuk menjelaskan fenomena-fenomena yang terjadi, maka
terdapat tiga hukum fisika utama yang berlaku pada ilmu aerodinamika, yaitu :
1.
Hukum kekekalan massa
Karena bahasan aerodinamika adalah terkait dengan
aliran fluida, maka hukum kekekalan massa disini berarti total massa yang masuk
melalui suatu volume (misalkan pipa atau wadah) akan sama dengan total massa yang
keluar melalui volume tersebut pada waktu yang sama. Adapun persamaan yang
menunjukkan fenomena tersebut di sebut persamaan kontinuitas. Berikut adalah
persamaan kontinuitas yang paling umum (ideal) :
-
Bentuk integral
-
Bentuk diferensial
Dengan t = waktu, ρ =
massa jenis, V= volume, S = luas serta v= vektor kecepatan.
Karena pada kasus-kasus
aerodinamika yang sering terjadi dilapangan adalah aliran tunak (steady), serta
terjadi pada luas permukaan input dan output tertentu (misalkan pipa, atau wind tunnel), maka persamaan diatas dapat
disederhanakan menjadi :
Dengan v = kecepatan, dan A = luas
penampang lintang. Yang mana kedua sisi tersebut disebut mass flow rate, atau dengan kata lain mass flow rate udara masuk
(1) akan sama dengan mass flow rate
udara keluar (2).
2.
Hukum kekekalan momentum
Hukum kekekalan momentum yang
paling umum digunakan untuk kasus aliran fluida adalah hukum kedua newton,
yaitu gaya adalah laju perubahan momentum, yaitu :
Dengan F= vektor gaya, m = massa, dan V = vektor kecepatan. Yangmana perkalian
antara m.V adalah momentum. Kemudian hubungan diatas
diturunkan kedalam bentuk dengan variabel-variabel aerodinamika yakni tekanan,
massa jenis sebagai berikut :
-
Bentuk integral
-
Bentuk diferensial
Dengan t, ρ, V, p dan S memiliki definisi yang sama dengan
sebelumnya. Bentuk diferensial dari persamaan momentum diatas juga dikenal
sebagai persamaan Navier-stokes dalam ilmu mekanika fluida secara umum.
3.
Hukum kekekalan energi
“Energi tidak dapat diciptakan
maupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat berubah ke bentuk lain” adalah bunyi
hukum kekekalan energi secara umum. Adapun dalam aerodinamika, bentuk persamaan
energi haruslah dalam bentuk variabel tekanan, kecepatan dan massa jenis
sebagai berikut :
Dengan t, ρ, P, dan V memiliki definisi
seperti sebelumnya, sedangkan e = energi dalam persatuan massa, q = kalor
persatuan massa, Q = kalor yang diakibatkan karena efek viskositas, serta W =
kerja yang dilakukan karena efek viskositas.
Kemudian terdapat teori-teori
pendukung seperti vorticity dan circulation yang tidak dapat dibahas secara mendetail dalam artikel ini sebagai
penyusun dasar teori aerodinamika (Sebagai gambaran, buku fundamentals of aerodynamics karangan John D. Anderson. Jr terdiri
dari 1100 halaman untuk menjelaskan fenomena aerodinamika secara mendasar).
Teori-teori diatas digunakan sebagai alat untuk menganalisa karakteristik
airfoil, bentuk sayap hingga pesawat terbang secara utuh sehingga sangat
penting untuk dipelajari sebelum mempelajari desain pesawat terbang secara
umum. Berikut ini adalah rangkuman dari beberapa teori pendukung datas :
1. Vorticity
Pada dasarnya, vorticity adalah adalah tingkat gerakan rotasi pada aliran fluida. semakin besar vorticity semakin besar pula rotasi yang terjadi pada elemen fluida (bedakan dengan gerakan berputar secara kolektif). aliran dengan vorticity tidak sama dengan nol, disebut dengan rotational flow, sedangkan jika nilai vorticity adalah nol, maka disebut aliran irrotational. konsep rotational dan irrotational flow pada aliran sangat penting dalam teori aerodinamika. Secara matematis, vorticity adalah curl dari distribusi vektor kecepatan :
2. Circulation
Circulation secara bahasa adalah gerakan memutari suatu lintasan tertutup. secara matematis berarti integral "sirkulasi" dari vektor kecepatan melalui lintasan tertutup C, secara matematis :
1. Vorticity
Pada dasarnya, vorticity adalah adalah tingkat gerakan rotasi pada aliran fluida. semakin besar vorticity semakin besar pula rotasi yang terjadi pada elemen fluida (bedakan dengan gerakan berputar secara kolektif). aliran dengan vorticity tidak sama dengan nol, disebut dengan rotational flow, sedangkan jika nilai vorticity adalah nol, maka disebut aliran irrotational. konsep rotational dan irrotational flow pada aliran sangat penting dalam teori aerodinamika. Secara matematis, vorticity adalah curl dari distribusi vektor kecepatan :
Circulation secara bahasa adalah gerakan memutari suatu lintasan tertutup. secara matematis berarti integral "sirkulasi" dari vektor kecepatan melalui lintasan tertutup C, secara matematis :
Meskipun secara definisi terlihat sangat abstrak, namun teori ini sangat berguna dalam pengembangan teori sayap, terutama tentang lift.
No comments:
Post a Comment