Fisika

1. Fisika
(Gaya Angkat pada Pesawat terbang)
Nabila Arifannisa
XII IPA 4

2. Asal Mula Pesawat Terbang
Pesawat terbang yang lebih berat dari udara diterbangkan pertama kali oleh Wright
Bersaudara (Orville Wright dan Wilbur Wright) dengan menggunakan pesawat rancangan sendiri
yang dinamakan Flyer yang diluncurkan pada tahun 1903 di Amerika Serikat. Selain Wright
bersaudara, tercatat beberapa penemu pesawat lain yang menemukan pesawat terbang antara
lain Samuel F Cody yang melakukan aksinya di lapangan Fanborough, Inggris tahun 1910.
Sedangkan untuk pesawat yang lebih ringan dari udara sudah terbang jauh sebelumnya.
Penerbangan pertama kalinya dengan menggunakan balon udara panas yang ditemukan seorang
berkebangsaaan Perancis bernama Joseph Montgolfier dan Etiene Montgolfier terjadi pada
tahun 1782, kemudian disempurnakan seorang Jerman yang bernama Ferdinand von
Zeppelindengan memodifikasi balon berbentuk cerutu yang digunakan untuk membawa
penumpang dan barang pada tahun 1900. Pada tahun tahun berikutnya balon Zeppelin mengusai
pengangkutan udara sampai musibah kapal Zeppelin pada perjalanan trans-Atlantik di New
Jersey 1936yang menandai berakhirnya era Zeppelin meskipun masih dipakai menjelang Perang
Dunia II.
Setelah zaman Wright, pesawat terbang banyak mengalami modifikasi baik dari rancang bangun,
bentuk dan mesin pesawat untuk memenuhi kebutuhan transportasi udara.Pesawat komersial yang
lebih besar dibuat pada tahun 1949 bernama Bristol Brabazon.Sampai sekarang pesawat
penumpang terbesar di dunia di buat oleh airbus industrie dari eropa dengan pesawat A380.

3. Jenis-jenis Mesin Pesawat

4. 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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Pesawat Terbang
Kenapa Pesawat bisa terbang ?
Mungkin Anda pernah berfikir dan bertanya pada
diri Anda maupun bertanya pada orang lain
“Mengapa pesawat bisa terbang?”
Logikanya, pesawat terbang mempunyai massa yang
sangat berat, tapi kenapa pesawat bisa terbaring
tinggi melayang di udara?
Apakah karena sesuai namanya, makanya bisa
terbang?
Untuk menjawab pertanyaan tersebut, silakan Anda
simak beberapa alasan, dasar-dasar serta teori
mengapa pesawat bisa terbang.

10. 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 .

11. Sistem Kemudi Pesawat
Sistem kemudi pesawat terbang dipergunakan untuk melakukan manuver. Pada saat
pesawat akan berbelok ke arah kanan maka daun kemudi digerakkan ke arah
kiri, begitu juga saat pesawat akan bermanuver ke kiri, maka daun kemudi digerakkan
ke arah kiri. Bagian belakang pesawat terdapat kemudi yang dirancang secara
horizontal dan vertical.
Ekor Pesawat terbang untuk Manuver
Pesawat bisa terbang ke segala arah, menanti gerak kemudi pilot. Kalau kemudi
diputar ke kiri, pesawat akan bankingke kiri. Demikian pula sebaliknya. Gerakan ini
ditentukan bilah aileron di kedua ujung sayap utama. Lalu, jika pedal kiri atau kanan
diinjak, pesawat akan bergerak maju ke kiri atau ke kanan. Dalam hal ini yang
bergerak adalah bilahrudder.Posisinya di belakang sayap tegak (di ekor).
Berbeda jika gagang kemudi di tarik atau didorong. Pesawat akan menanjak atau
menukik. Penentu gerakan ini adalah bilah kemudi elevator yang terletak di kedua
bilah sayap ekor horizontal.
Fungsi foil adalah untuk mempermudah pesawat saat melakukan maneuver.

12. Ada beberapa bagian utama pesawat yang membuat pesawat itu bisa
terbang dengan sempurna, diantaranya sebagai berikut :
1. Badan pesawat ( Fuselage ) terdapat didalamnya ; ruang kemudi
(Cockpit) dan ruang penumpang (Passenger).
2. Sayap (Wing), terdapat Aileron berfungsi untuk “Rolling” pesawat miring
kiri – kanan dan Flap untuk menambah luas area sayap ( Coefficient Lift )
yang berguna untuk menambah gaya angkat pesawat.
3. Ekor sayap (Horizontal Stabilazer), terdapat Elevator berfungsi untuk
“Pitching” nose UP – DOWN.
4. Sirip tegak (Vertical Stabilizer), terdapat Rudder berfungsi untuk
“Yawing” belok kiri – kanan.
5. Mesin (Engine), berpungsi sebagai Thrust atau gaya dorong yang
menghasilkan kecepatan pesawat.
6. Roda Pesawat ( Landing Gear ),berfungsi untuk mendarat/ landing atau
tinggal landas / Take-off.

13. Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat
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.

14. Menurut
Bernoulli...
suatu fluida yang bergerak lebih cepat memiliki
tekanan yang lebih rendah dibandingkan
dengan fluida yang bergerak lebih lambat.

15. 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.

16. Penerapan Hukum Bernoulli untuk mendesain
pesawat terbang
Pesawat terbang dirancang sedemikian rupa sehingga hambatan udaranya sekecil
mungkin. Pesawat pada saat terbang akan menghadapi beberapa hambatan, diantaranya
hambatan udara, hambatan karena massa badan pesawat itu sendiri, dan hambatan pada
saat menabrak awan. Setelah dilakukan perhitungan dan rancangan yang akurat dan
teliti, langkah selanjutnya adalah pemilihan mesin penggerak pesawat yang mampu
mengangkat dan mendorong badan pesawat.
Pada dasarnya, ada empat buah gaya yang bekerja pada sebuah pesawat terbang
yang sedang mengangkasa, yaitu :
1. Berat pesawat yang disebabkan oleh gaya gravitasi bumi.
2. Gaya angkat yang disebabkan oleh bentuk pesawat.
3. Gaya ke depan yang disebabkan oleh dorongan mesin / engine.
4. Gaya hambatan yang disebabkan oleh gesekan udara.
Jika pesawat hendak bergerak mendatar dengan suatu percepatan, maka gaya ke depan
harus lebih besar daripada gaya hambatan dan gaya angkat harus sama dengan berat
pesawat. Jika pesawat hendak menambah ketinggian yang tetap, maka resultan gaya
mendatar dan gaya vertical harus sama dengan nol. Ini berarti bahwa gaya ke depan sama
dengan gaya hambatan dan gaya angkat sama dengan berat pesawat.

18. Pada sayap pesawat berlaku persamaan Bernoulli sebagai berikut :
Karena sayap pesawat tipis dianggap tinggi sayap h1=h2 , sehingga persamaan diatas
menjadi :
P1 + ½ρv1² = P2 + ½ρv2²
P1 - P2 = ½ρ(v2²- v1²)
Jika luas efektif sayap pesawat adalah A, maka gaya ke atas oleh udara pada sisi
sayap bawah adalah :
F1 = P1 . A

19. Dan gaya ke bawah oleh udara pada sisi sayap atas adalah :
F2 = P2 . A
Gaya netto ke atas yang dilakukan udara pada sayap pesawat adalah :
ΔF= F2 – F1
ΔF = (P1 – P2). A
Sehingga :
ΔF = ½ρ((v2²- v1²). A