BAGAIMANA WING MENGHASILKAN LIFT

 Kajian singkat Prinsip Bernoulli, Coanda Effect dan Hukum Ketiga Newton

Bagaimana wing menghasilkan lift?

Teknologi airfoil membantu manusia terbang. Turbin angin, turbin gas dan mesin hidraulik semuanya bekerja berdasarkan prinsip airfoil. Kajian singkat ini akan menjelaskan fenomena alam di balik bentuk sederhana yang sudah dikemabngkan di dunia teknik.

Apakah lift force?

Sebuah airfoil menghasilkan lift ketika fluida mengalir melewatinya, tapi apakah sumber lift tersebut? Apakah prinsip Bernoulli atau hukum ketiga Newton atau keduanya yang dapat menjelaskan terbentuknya lift? Banyak buku referensi yang mengacu pada teori prinsip Bernoulli, tapi banyak orang yang menolak teori tersebut. Orang yang menolak teori tersebut termasuk ilmuwan NASA dan Prof. Holger Babinsky dari Universitas Cambridge. Prof Babinsky membuktikan secara terori dan secara eksperimen lewat video youtubenya bahwa equal time argument (prinsip Bernoulli) adalah tidak benar. Pada kajian ini akan dilakukan pendekatan secara rasional dan mengunakan CFD serta menggunakan eksperimen sederhana. 

PRINSIP BERNOULLI

Pertama, kita pahami dulu argument yang menggunakan prinsip Bernoulli. Dari bentuk airfoil sudah jelas bahwa permukaan bagian atas (upper suerface) lebih melengkung daripada permukaan bagian bawah (lower surface). Hal ini berarti partikel yang berada di atas upper surface harus menempuh jarak yang lebih jauh daripada pertikel yang berada di bawah lower surface. Karena kedua partikel tersebut harus mencapai trailing edge bersamaan, maka partikel yang berada di atas upper surface harus memiliki kecepatan yang lebih tinggi daripada partikel yang berada di bawah lower surface. Hal ini berarti berdasarkan prinsip Bernoulli, terdapat tekanan yang lebih tinggi di lower surface dan tekanan yang lebih rendah di upper surface. Perbedaan tekanan ini menghasilkan lift. Argumen ini lebih dikenal dengan sebutan equal time argument.

Equal time argument menjadi cara yang bagus untu menjelaskan lift, tapi argumen ini salah kaprah. Kesalahan pertama terletak pada bagaimana 2 partikel yang berasal dari 1 lokasi yang sama dapat mencapai trailing edge bersamaan. Ini adalah pernyataan absurd. Tidak ada hukum alam yang mendukung pernyataan ini. Dua buah partikel dapat meninggalkan 1 tempat yang sama untuk bergerak ke arah yang berbeda, tapi tidak setelah itu tidak akan pernah bertemu. Kesalahan kedua adalah kita tidak dapat menggunakan persamaan Bernoulli untuk 2 streamline. Persamaan Bernoulli harus digunakan untuk aliran pada 1 streamline yang sama.

Apabila fakta ini masih meragukan untuk membantah equal time argument, maka dapat diperhatikan aliran fluida pada beberapa bentuk kurvatur permukaan. Berdasarkan equal time argument, kedua permukaan tersebut seharusnya menghasilkan lift force bahkan menghasilkan nilai lift yang jauh lebih besar daripada airfoil.

Persamaan Bernoulli itu sudah benar dan merupakan Hukum Kedua Newton tentang gerak yang diterapkan di sepanjang sebuah streamline aliran. Beberapa orang menerapkannya dengan cara yang salah dan membingungkan.

COANDA EFFECT

Kita akan mengkaji ilmu pengetahuan di balik terbentuknya lift dengan menerapkan hukum alam yang benar. Sebuah partikel mendekati airfoil dan mengaliri kurvatur melengkung. Setelah melewati kurvatur mengapa partikel tidak bergerak lurus, tapi justru berbelok dan mengikuti bentuk kurvatur permukaan.

Kita tinjau gerakan pada permukaan lengkung (kurvatur) lebih dekat. Agar dapat mengikuti bentuk kurva pada permukaan, harus ada tekanan yang lebih tinggi pada bagian atas partikel daripada bagian bawahnya. Kondisi ini menghasilkan centrifugal force. Tekanan yang lebih tinggi menekan partikel ke arah bawah, itulah sebabnya aliran akan selalu menempel pada airfoil. Pengaruh ini dikenal dengan Coanda Effect.

Alian fluida dibuat melengkung pada bagian bawah airfoil. Permukaan bagian bawah yang melengkung akan membuat aliran fluida pada bagian bawah itu semakin melengkung. Dengan kata lain, permukaan airfoil membuat aliran melengkung dan berubah arah. Aliran fluida yang melengkung inilah yang menimbulkan lift.

Penjelasan yang lebih mendalam sebagai berikut :daerah pada jarak yang cukup jauh dari airfoil dipengaruhi tekanan atmosfer. Kita ketahui bahwa pada aliran yang melengkung, tekanan dari bagian luarnya harus lebih besar. Jadi pada daerah di bagian atas airfoil, tekanan akan berkurang ketika semakin dekat dengan airfoil. Fenomena sebaliknya terjadi pada bagian bawah airfoil. Pada daerah ini tekanan harus semakin meningkat ketika semakin dekat dengan airfoil. Perbedaan tekanan inilah yang menyebabkan lift. Pada dasarnya, kurvatur permukaan airfoil membuat aliran menjadi melengkung. Aliran fluida yang melengkung ini menghasilkan perbedaan tekanan dan lift. Dapat disimpulkan bahwa semakin melengkun maka akan lift yang dihasilkan akan semakin besar. Namun, mengapa tidak dibuat airfoil yang tipis dan melengkung? Alasannya adalah untuk memperkuat struktur sayap dan menyediakan ruangan untuk tanki bahan bakar meskipun dihasilkan lift yang lebih kecil.

HUKUM KETIGA NEWTON TENTANG GERAK

Apakah ada hukum alam yang fundamental yang dapat menjelaskan lift selain penjelasan berdasarkan mekanika fluida? Ya- yaitu hukum ketiga Newton. Kita telah mengetahui bahwa airfoil membelokkan aliran fluida atau mendorong aliran ke arah bawah. Jadi berdasarkan hukum ketiga Newton, udara juga mendorong airfoil ke arah yang berlawanan dengan kekuatan sama besar. Fenomena ini menghasilkan lift. Dapat disimpulkan bahwa pembelokan atau melengkungnya aliran fluida yang disebabkan oleh Coanda effect menghasilkan lift.

Jika masih ada yang mendukung equal time argument, mintalah mereka untuk membuktikan bagaimana lift terbentuk dari permukaan yang menyerupai 2 bukit atau jarak tempuh pada permukaan bagian atas yang lebih panjang. Jika mereka tidak mau, berikut ini ditunjukkan hasil eksperimen untuk benda tersebut. Hasil eksperimen menunjukkan benda dengan permukaan 2 bukit tidak bergerak dan tidak terbentuk lift. Namun, pada benda yang memiliki jarak tempuh lebih panjang pada permukaan atas justru bergerak ke arah bawah dan tidak bergerak ke arah atas. Berarti tidak sesuai dengan equal time argument tetapi sesuai dengan hukum ketiga Newton reaksi berupa pergerakan benda ke arah permukaan yang datar karena adanya aksi berupa udara yang dibelokkan pada permukaan lengkung. Mengacu penjelasan di atas maka akan muncul pertanyaan, bahwa pada eksperimen sebenarnya, kita bisa melihat udara di bagian atas airfoil bergerak lebih cepat daripada udara di bagian bawah airfoil dan mereka tidak pernah bertemu. Mengapa fenomena seperti ini bisa terjadi? Petunjuknya ada pada pressure gradient.