BAGAIMANA SAYAP BEKERJA?

 Oleh: Prof. Holger Babinsky-University of Cambridge

Aliran fluida di sepanjang streamline lurus (straight streamline).

Aliran Ditinjau sejumlah situasi aliran dan akan diamati apakah tekanan pada semua sisi partikel fluida adalah sama atau tidak? Bila semua tekanan sama maka tidak ada gaya dan hasilnya adalah kita tidak punya akselerasi/percepatan yang berarti bahwa partikel fluida bergerak pada garis lurus dengan kecepatan konstan. Namun, karena berbagai alasan akan terdapat gaya tekanan sebab adanya tekanan yang tidak sama pada semua sisi partikel. Berdasarkan hukum Newton, akan muncul akselerasi. Inilah rahasia dibalik dinamika fluida.

Prinsip Bernoulli tidak tepat digunakan untuk menjelaskan terbentuknya lift karena prinsip Bernoulli valid untuk aliran pada 1 streamline yang sama, sedangkan terbentuknya lift merupakan akibat dari aliran dengan streamline yang berbeda-beda di bagian atas dan bagian bawah airfoil.

 Aliran fluida di sepanjang streamline melengkung (curved streamline).

Pada aliran fluida di curved streamline harus ada sesuatu yang menjadi centripetal force agar lintasan aliran tetap melengkung atau berpusat pada 1 titik. Sesuatu itu adalah perbedaan tekanan di bagian luar dan bagian dalam lintasan. Tekanan di bagian luar lengkungan harus selalu lebih tinggi daripada tekanan di bagian dalam lengkungan. Maka akan terjadi perbedaan tekanan (pressure drop) dan kecenderungan menekan partikel (akselerasi) ke arah titik pusat. Apabila tidak ada gaya centripetal ini, maka partikel akan bergerak lurus. Menurut Babinsky, Apabila partikel bergerak sepanjang curved streamline maka tekanan di luar kurva streamline (P_outside) harus lebih besar daripada tekanan di dalam kurva streamline (P_inside).

Disimpulkan bahwa pada aliran streamline yang tidak lurus (curved streamline) kemudian terdapat pressure gradient pada kedua sisi kurvatur (outside dan inside kurvatur) atau terdapat pressure gradient yang menyeberangi (accross) arah streamline maka tekanan di luar kurvatur (P_outside) akan selalu lebih besar daripada (P_inside). Semakin banyak curved streamline yang terbentuk maka akan semakin rendah tekanan di titik pusat pusaran. Dapat diamati pada aliran vortex, tekanan di sisi luar lebih besar daripada tekanan bagian dalam sehingga semakin mendekati pusat vortex maka tekanan akan semakin turun dan tekanan di titik pusat bisa menjadi sangat rendah. Itulah sebabnya pusaran seperti tornado akan menghisap benda-benda menuju ke titik pusatnya.

Coanda Effect

Streamline akan menempel pada permukaan kurvatur benda dan mengaliri sepanjang kurvaturnya karena terjadi perbedaan tekanan accross streamline. Semakin ke dalam maka tekanan semakin turun.

Penjelasan Alternatif Untuk Lift

Pada bagian atas airfoil, tekanan akan menurun dari tekanan atmosfer menuju ke upper surface airfoil. Namun pada bagian bawah airfoil, tekanan akan meningkat dari tekanan atmosfer menuju lower surface airfoil. Maka tekanan pada lower surface airfoil akan lebih besar daripada tekanan pada upper surface airfoil dan terbentuklah pressure difference dan terjadi lift.

 Apa sebenarnya yang menyebabkan timbulnya lift?

Fakta bahwa kita telah menempatkan suatu bentuk ke dalam aliran fluida yang telah memperkenalkan kurvatur ke dalam streamline dan kurvatur ini hampir sama di kedua sisinya dan bahwa pengenalam kurvatur itulah yang menimbulkan lift.

Pada kajian numerik dua buah airfoil yang memiliki kurvatur bagian atas yang sama namun memiliki ketebalan yang berbeda (thick and thin airfoil). Pola aliran fluida pada bagian atas airfoil adalah identik karena kedua airfoil itu memiliki kurvatur permukaan bagian atas yang sama. Pada bagian atas airfoil juga terjadi menunjukkan penurunan tekanan ketika semakin mendekati permukaan airfoil. Namun, pola aliran fluida pada bagian bawah airfoil menunjukkan perbedaan antara kedua airfoil itu. Pada airfoil yang tipis menunjukkan kurvatur aliran yang menghasilkan tekanan semakin tinggi ketika semakin mendekati permukaan bagian bawah airfoil sehingga menghasilkan perbedaan tekanan yang tinggi antara bagian bawah dan bagian atas permukaan. Pada airfoil yang lebih tebal, terdapat kurvatur yang melengkung ke bawah sehingga menimbulkan tekanan yang menurun. Kurvatur ini menyebabkan tekanan di bagian bawah airfoil tebal menjadi lebih rendah daripada bagian bawah airfoil tipis. Oleh sebab itu, airfoil yang tipis dapat menghasilkan lift lebih besar daripada airfoil yang lebih tebal. Airfoil tebal dimaksudkan untuk mendukung kekuatan struktur sayap pada pesawat dan menjadi ruangan tanki fuel pesawat. Namun, apabila hanya mengutamakan efisiensi aerodinamika atau koefisien lift tentu airfoil tipis menjadi pilihan yang tepat.

Pada airfoil dengan angle of attack (AoA) yang lebih tinggi dapat meningkatkan lift. Pada kenaikan AoA yang kecil tidak terjadi perubahan signifikan pada kurvatur aliran di bagian atas dan bagian bawah airfoil dan tidak berpengaruh signifikan terhadap lift. Pada prinsipnya semakin tinggi AoA maka lift akan semakin tinggi juga. Semakin tinggi AoA akan mencapai nilai AoA tertinggi di mana aliran tiba-tiba tidak mengikuti kurvatur permukaan lagi dan terpisah dengan permukaan yang disebut separasi aliran. Separasi aliran menyebabkan kehilangan lift dan terjadi stall.

 

Spinning ball dapat dijelskan dengan Magnus effect.

 

RANGKUMAN

1.      Penjelasan tentang jarak adalah salah.

2.      Prinsip Bernoulli adalah hukum kedua Newton untuk aliran di sepanjang 1 buah streamline.

3.      Curved streamline (streamline yang melengkung) menyebabkan terjadinya variasi tekanan.

Lift disebabkan oleh kurvatur aliran.