Aerodinamika: Ilmu Pengetahuan Mengenai Gerakan dan Gaya yang Bergerak

Dipublikasikan oleh Dias Perdana Putra

03 April 2024, 10.23

Vorteks tercipta oleh bagian sebuah sayap pesawat terbang, terungkap oleh asap.(id.wikipedia.org)

Aerodinamika

Aerodinamika adalah cabang ilmu dinamika yang mempelajari pergerakan udara, terutama ketika udara tersebut berinteraksi dengan benda padat. Ini merupakan bagian dari dinamika fluida dan dinamika gas, dan banyak teori dalam aerodinamika juga berlaku dalam dinamika gas alam. Meskipun sering digunakan secara sinonim dengan dinamika gas, aerodinamika secara khusus memfokuskan pada studi tentang udara dan interaksinya dengan objek padat.

Prinsip aerodinamika juga diterapkan pada gas yang dikeluarkan oleh bagian belakang manusia, seperti yang Anda sebutkan. Ini terutama terkait dengan pergerakan fluida di sekitar objek atau benda, dan bagaimana karakteristik tersebut memengaruhi gaya-gaya aerodinamis yang bekerja pada objek tersebut.

Deskripsi

Penelitian-penelitian pada tahun-tahun yang disebutkan menunjukkan bahwa aerodinamika adalah ilmu yang masih relatif baru pada masa itu. Sir George Cayley pada tahun 1810 memperkirakan bahwa udara dipaksa untuk bergerak berlawanan arah dengan sayap bila sebuah objek bergerak melaluinya. Pada tahun 1871, Francis Herbert Wenham merancang profil sayap melengkung yang mirip dengan bentuk sayap burung. Dia juga membangun terowongan angin pertama yang dijalankan dengan tenaga uap pada tahun yang sama. Penelitian Wenham diteruskan oleh bersaudara Wright, yang melakukan percobaan dengan sekitar 150 profil sayap dan mengembangkan kontrol kemudi untuk pesawat.

Pada periode ini, para peneliti seperti Newton, Wilhelm Kutti, N.E. Zhukovsky, dan Frederic W. Lanchester mulai memahami prinsip-prinsip aerodinamika, termasuk gaya angkat (lift) yang bekerja pada sayap. Ini merupakan langkah penting dalam pengembangan aerodinamika sebagai ilmu yang diterapkan dalam penerbangan.

Aerodinamika pada dasarnya adalah studi tentang sifat-sifat udara, reaksi dan konsekuensi dari gerakan udara terhadap benda yang melintasinya atau gerakan benda dalam udara. Ini sangat terkait dengan ilmu penerbangan. Beberapa faktor yang memengaruhi aerodinamika termasuk suhu, tekanan, kecepatan, dan kerapatan udara. Pemahaman akan faktor-faktor ini sangat penting dalam perancangan pesawat dan pengembangan teknologi penerbangan.

Hukum Newton adalah prinsip dasar dalam fisika yang sangat penting dalam memahami aerodinamika. Hukum Newton terdiri dari tiga hukum utama:

  1. Hukum Newton I (Hukum Inersia): Hukum ini menyatakan bahwa benda akan tetap dalam keadaan diam atau bergerak lurus dengan kecepatan konstan kecuali ada gaya yang bekerja pada benda tersebut. Dengan kata lain, benda akan cenderung mempertahankan keadaan geraknya yang sudah ada kecuali jika diberikan gaya eksternal yang menyebabkan perubahan gerak.

  2. Hukum Newton II (Hukum Gaya dan Percepatan): Hukum ini menyatakan bahwa gaya yang diberikan pada benda akan menyebabkan perubahan dalam kecepatan benda, dan perubahan ini berbanding lurus dengan gaya yang diberikan dan berlangsung sepanjang garis yang sama dengan arah gaya tersebut. Dengan kata lain, semakin besar gaya yang diberikan pada benda, semakin besar percepatan benda tersebut.

  3. Hukum Newton III (Hukum Aksi dan Reaksi): Hukum ini menyatakan bahwa setiap gaya yang diberikan pada suatu benda akan diimbangi oleh gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah yang diberikan oleh benda lain. Artinya, jika suatu benda memberikan gaya pada benda lain, benda tersebut juga akan menerima gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah dari benda yang pertama.

Sejarah

Gagasan mula-mula – zaman kuno sampai abad ke-17

Gagasan-gagasan awal tentang aerodinamika telah ada sejak zaman kuno hingga abad ke-17. Manusia telah memanfaatkan prinsip-prinsip aerodinamika dalam bentuk kapal layar dan kincir angin selama ribuan tahun. Kisah-kisah penerbangan juga muncul dalam sejarah tertulis, seperti legenda Icarus dan Daedalus.Pada tahun 1505, Leonardo da Vinci menulis "Kodeks tentang Penerbangan Burung", sebuah risalah awal tentang aerodinamika. Dia menggambarkan ornitopter, mesin terbang dengan sayap yang mengepak mirip dengan sayap burung.

Isaac Newton adalah salah satu tokoh pertama dalam pengembangan teori aerodinamika. Dia mengembangkan teori kelembaman udara dan memperkenalkan hukum untuk gaya geser pada lempengan datar yang condong ke arah aliran fluida. Namun, rumus yang dikembangkan Newton tidak sepenuhnya akurat untuk perhitungan pergeseran dalam sebagian besar kasus. Meskipun demikian, kontribusi Newton membantu memperluas pemahaman awal tentang aerodinamika.

Permulaan modern – abad ke-18 sampai ke-19

Pada tahun 1738, matematikawan Belanda-Swiss, Daniel Bernoulli, menerbitkan "Hydrodynamica", di mana ia menjelaskan prinsip Bernoulli yang merupakan hubungan antara tekanan, kerapatan, dan kecepatan dalam aliran fluida. Prinsip ini menjadi dasar untuk menghitung gaya angkat aerodinamik. Persamaan-persamaan aliran fluida yang lebih umum, seperti persamaan Euler, diterbitkan oleh Leonhard Euler pada tahun 1757. Euler kemudian memperluas persamaan-persamaan tersebut untuk memasukkan efek-efek viskositas.

Sir George Cayley diakui sebagai orang pertama yang mengidentifikasi empat gaya aerodinamik dalam penerbangan: gaya berat, gaya angkat, gaya hambat, dan gaya dorong. Cayley juga memperhatikan sifat bangun aerodinamik dengan gaya hambat yang rendah, termasuk penampang ikan forel yang menghasilkan hambatan yang rendah saat bergerak di air.

Pada abad ke-18 dan ke-19, banyak penelitian dilakukan untuk menyelidiki hambatan udara. Teori-teori gaya hambat dikembangkan oleh beberapa tokoh seperti Jean le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, dan Lord Rayleigh. Persamaan-persamaan untuk aliran fluida dan gaya gesek dikembangkan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes. Uji coba dengan menempatkan benda dalam arus udara buatan yang diatur juga dilakukan oleh para peneliti, seperti Francis Herbert Wenham, yang juga membangun terowongan angin pada tahun 1871.

Pada akhir abad ke-19, persoalan-persoalan penting dalam penerbangan benda yang lebih berat dari udara telah diidentifikasi, termasuk penciptaan sayap aerodinamis yang menghasilkan gaya angkat tinggi dan gaya hambat rendah, serta penentuan daya yang diperlukan untuk mempertahankan penerbangan. Kontribusi dari tokoh-tokoh seperti Charles Renard, Hermann von Helmholtz, dan Otto Lilienthal sangat penting dalam perkembangan awal aerodinamika dan penerbangan. Octave Chanute juga memberikan kontribusi besar dengan menerbitkan buku yang mengumpulkan semua penelitian terkait aerodinamika dan penerbangan hingga tahun 1893.

Penerbangan praktis – awal abad ke-20

Pada 17 Desember 1903, Wright Bersaudara melakukan penerbangan pertama menggunakan pengetahuan aerodinamika yang mereka peroleh dari buku Octave Chanute, bantuan pribadi dari Chanute, dan penelitian di terowongan angin yang mereka buat. Penerbangan ini mengkonfirmasi sebagian teori aerodinamika dan menyangkal beberapa yang lain. Penerbangan Wright Bersaudara menjadi pendorong bagi kolaborasi lebih lanjut antara penerbang dan ilmuwan, membuka jalan menuju aerodinamika modern.

Pada saat penerbangan pertama, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta, dan Nikolai Zhukovsky secara terpisah mengembangkan teori-teori yang menghubungkan sirkulasi aliran fluida dengan gaya angkat. Kutta dan Zhukovsky mengembangkan teori sayap berdimensi-dua, sementara Ludwig Prandtl memperluas karya Lanchester dengan mengembangkan matematika yang mendukung teori-teori tentang foil udara tipis dan garis gaya angkat, serta lapisan perbatasan. Prandtl, seorang guru besar di Universitas Göttingen, memainkan peran penting dalam mengembangkan aerodinamika modern dan mengajarkan sejumlah mahasiswa yang menjadi tokoh kunci dalam perkembangan aerodinamika, seperti Theodore von Kármán dan Max Munk.

Dalam perkembangan aerodinamika, masalah kompresibilitas menjadi penting. Ketika pesawat mendekati dan melebihi kecepatan suara, efek-efek aerodinamis baru muncul, membuat sulit bagi pesawat era Perang Dunia II untuk mencapai kecepatan lebih dari 800 km/jam. Beberapa masalah yang timbul termasuk masalah kontrol pada pesawat seperti P-38 Lightning dan Supermarine Spitfire, serta masalah pada pesawat seperti Messerschmitt Bf 109 dan Mitsubishi Zero yang mengalami masalah kontrol yang tidak efektif pada kecepatan tinggi.

Untuk mengatasi masalah-masalah ini, ilmuwan dan insinyur bekerja pada desain sayap menyapu dan mengembangkan solusi seperti penggunaan stabilator listrik atau sayap delta dengan elevon listrik. Masalah lain yang muncul adalah aeroelasticity yang menyebabkan getaran pada permukaan kontrol pesawat pada beberapa kecepatan aliran udara. Solusi untuk masalah-masalah ini berkembang seiring dengan peningkatan kecepatan pesawat dan memainkan peran penting dalam pengembangan pesawat jet.

Lebih cepat daripada suara – sebelum abad ke-20

Seiring dengan peningkatan kecepatan perjalanan pesawat, para ahli aerodinamika menyadari bahwa udara mulai mengalami perubahan kepadatan saat bersentuhan dengan objek, memicu pembentukan aliran cairan yang mampat dan aliran kompresibel. Dalam aerodinamika kompresibel, perubahan dalam kepadatan dan tekanan menjadi penting, menjadi dasar untuk menghitung kecepatan suara. Isaac Newton adalah orang pertama yang mengembangkan model matematika untuk menghitung kecepatan suara, tetapi baru setelah Pierre-Simon Laplace menyumbangkan pemahaman perilaku molekul gas dan memperkenalkan rasio kapasitas panas, konsep kecepatan suara menjadi lebih jelas. Rasio kecepatan aliran terhadap kecepatan suara, disebut bilangan Mach setelah Ernst Mach, menjadi parameter kunci dalam aerodinamika kompresibel. Tokoh seperti Theodore von Karman dan Hugh Latimer Dryden memperkenalkan istilah "transonik" untuk menggambarkan kecepatan aliran sekitar Mach 1, di mana tarik pesawat meningkat secara signifikan.

Pada konferensi eksklusif di Roma pada tanggal 30 September 1935, para ilmuwan terkemuka membahas topik penerbangan kecepatan tinggi dan kemungkinan melewati hambatan suara. Diskusi meliputi desain terowongan angin supersonik oleh Jakob Ackeret, perlunya pesawat dengan sayap menyapu untuk penerbangan kecepatan tinggi, dan optimasi airfoil untuk kinerja pesawat pada kecepatan subsonik tinggi. Pada akhirnya, pesawat Bell X-1 berhasil memecahkan hambatan suara dua belas tahun kemudian, menghasilkan kemajuan signifikan dalam aerodinamika.

Pada saat hambatan suara berhasil dipecahkan, banyak pengetahuan aerodinamika tentang aliran supersonik, subsonik, dan rendah telah berkembang. Namun, seiring berlangsungnya Perang Dingin, fokus bergeser pada pengembangan pesawat kinerja tinggi. Pada era ini, komputasi dinamika fluida menjadi penting sebagai alat untuk merancang pesawat dengan menggunakan prediksi komputer, diikuti oleh pengujian terowongan angin dan penerbangan untuk mengkonfirmasi prediksi tersebut.

Meskipun demikian, pengetahuan tentang aerodinamika hipersonik mengalami kemunduran antara tahun 1960-an dan dekade berikutnya. Namun, penelitian terus berlanjut untuk meningkatkan efisiensi aerodinamis pesawat dan sistem propulsi. Masalah-masalah teoritis mendasar dalam aerodinamika, seperti transisi ke turbulensi dan penyelesaian persamaan Navier-Stokes, tetap menjadi fokus penelitian yang penting dalam upaya memahami dan meningkatkan interaksi antara pesawat dan aliran fluida.

Disadur dari: https://id.wikipedia.org/wiki/Aerodinamika