Gaya Angkat Pesawat

Pesawat terbang modern sudah menggunakan mesin jet, namun prinsip terbangnya masih menggunakan ilmu gaya udara seperti oleh Orville Wright dan Wilbur Wright. Kakak beradik tersebut berhasil melakukan penerbangan pertama  menggunakan pesawat rancangan sendiri yang diberi nama flyer, pada 1903 di Amerika Serikat. Selain Wright bersaudara, Samuel F Cody juga berhasil melakukan penerbangan di lapangan udara Fanborough, Inggris pada 1910.

Setelah pesawat Flyer penemuan Wright bersaudara, pesawat terbang banyak mengalami modifikasi baik dari rancang bangun, bentuk, dan mesin untuk memenuhi kebutuhan transportasi udara. Perkembangan teknologi pesawat terbang mencapai beberapa kemajuan selama kurang dari satu abad, terlebih lagi setelah ditemukannya teknologi tak terdeteksi radar, yaitu stealth.
Pada umumnya, pesawat terdiri atas badan pesawat, kabin, sayap, ekor, sirip, dan roda.
Ketika pesawat terbang di angkasa, pada dasarnya memerlukan dua hal, yaitu mendorong dan mengangkat. Mendorong adalah mendesak pesawat maju ke depan menggunakan mesin atau baling-baling. Baling-baling pendorong pada prinsipnya sama dengan baling-baling pengangkat. Dua kekuatan tersebut bekerja berlawanan dengan gaya tarik dan gravitasi (gaya berat). Secara
umum, prinsip terbang pesawat menggunakan hukum fisika, yakni memanfaatkan hukum Bernoulli di udara dengan memanfaatkan arus laminair sayap yang dihasilkan akibat daya dorong mesin pesawat.

Pada awalnya, navigasi pesawat menggunakan tanda-tanda yang mudah dikenal di darat, baik tanda-tanda alam maupun tanda-tanda buatan manusia seperti gunung, sungai, atau rel kereta api. Dalam perkembangannya, navigasi pesawat menjadi berbagai jenis, yaitu navigasi radio, radar, inersial dan satelit. Pada praktiknya pesawat terbang menggunakan beberapa teknologi navigasi sekaligus. Pesawat komersial atau pesawat penumpang biasanya lebih sering menggunakan navigasi radio. Navigasi radar dan inersial lebih sering digunakan oleh pesawat militer mata-mata karena sifatnya yang self contain(tidak bergantung pada stasiun di luar). Sedangan  navigasi satelit digunakan oleh semua jenis pesawat. Selain itu, pesawat-pesawat modern biasanya telah menggunakan suatu alat yang di sebut TICAS. Alat ini untuk memantau lalu lintas udara, yaitu memperingatkan jarak antara pesawat di udara.



Mengapa pesawat bisa terbang?
Pesawat terbang dapat terangkat ke atas, karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat bagian sisi atas lebih besar daripada bagian sisi bawah. Karena pada penampang sayap pesawat terbang, bagian belakang lebih datar dan sisi bagian atas lebih melengkung daripada  bagian bawahnya, maka aliran udara bagian atas akan lebih rapat jika dibanding bagian bawahnya. Artinya, kecepatan aliran udara pada bagian sisi atas lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap. sehingga tekanan bagian atas lebih kecil daripada tekanan bagian bawah. Perbedaan tekanan inilah yang yang menentukan gaya angkat pesawat
.

Pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat lebih besar daripada berat pesawat. Jadi, suatu pesawat dapat terbang atau tidak tergantung dari berat pesawat, kelajuan pesawat, dan ukuran sayapnya. Makin besar kecepatan pesawat, makin besar kecepatan udara, sehingga gaya angkat sayap pesawat makin besar. Supaya pesawat dapat terangkat, gaya angkat harus lebih besar daripada berat pesawat:

 (F₁–F₂) > m g

Jika pesawat telah berada pada ketinggian tertentu dan pilot ingin mempertahankan ketinggiannya (melayang di udara), maka kelajuan pesawat harus diatur sedemikian rupa
sehingga gaya angkat sama dengan berat pesawat:

(F₁–F₂) = m g

———————

Sumber:
Nainggolan, Sahat. 2008. Latihan soal-soal Fisika SMA. Jakarta: Kawan Pustaka
Kanginan, Marthen. 2006. Fisika SMA Untuk SMA/MA Kelas X, XI, dan XII. Jakarta : Erlangga

Marteen Kanginan. 2010. Fisika SMA kelas X. Jakarta: Erlangga

Hukum Bernoulie

Ketika kita mencoba menutup lubang selang pipa air yang sedang mengalir dengan deras apa yang terjadi? Tentu akan terasa pada tangan kita gaya dorong atau tekanan karna air tersebut. Besarnya tekanan akibat gerakan fluida dapat dihitung dengan menggunakan konsep kekekalan energi atau prinsip usaha-energi.

Suatu fluida dialirkan ke dalam pipa dengan penampang yang berbeda. Tekanan p₁ pada penampang A₁ disebabkan oleh gaya F₁ dan tekanan p₂ disebabkan oleh gaya F₂.
Perbedaan tekanan antar kedua ujung pipa tersebut adalah:


Penerapan hukum Bernoulli, antara lain:

Asas Torricelli

Kebocoran pipa dengan tinggi dari bawah h1 dan tinggi dari permukaan air h2, air akan keluar dengan kecepatan v dan jatuh pada jarak x dari pipa.

Besar kecepatan keluarnya air dari lubang tersebut adalah:

Waktu yang diperlukan air untuk mencapai tanah adalah:

jarak jatuhnya air dari tangki adalah:

Gaya angkat pesawat

Jika kecepatan aliran udara di atas sayap pesawat v₁ dan tekanan p₁, sedang pada bagian bawah pesawat kecepatan alirannya v2 dan tekanan p2, maka beda tekanan pesawat adalah:

Pipa Venturi

Tabung venturi adalah venturimeter, yaitu alat yang dipasang pada suatu pipa aliran untuk mengukur kelajuan zat cair.

tekanan pada kedua ujung pipa adalah:

beda ketinggian fluida adalah:

———————————————–
Sumber:
Nainggolan, Sahat. 2008. Latihan soal-soal Fisika SMA. Jakarta: Kawan Pustaka
Kanginan, Marthen. 2006. Fisika SMA Untuk SMA/MA Kelas X, XI, dan XII. Jakarta : Erlangga
RinawanAbadi, dkk. 2009. Buku Panduan Pendidik Fisika untuk SMA/MA untuk kelas XI. Klaten: Intan Pariwara.

HUKUM BERNOULLI

Hukum ini diterapkan pada zat cair yang mengalir dengan kecepatan berbeda dalam suatu pipa.

Prinsip Bernoulli
Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Prinsip ini diambil dari nama ilmuwan Belanda/Swiss yang bernama Daniel Bernoulli.
Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli; yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible flow), dan yang lain adalah untuk fluida termampatkan (compressible flow).
Aliran Tak-termampatkan
Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:

di mana:
v = kecepatan fluida
g = percepatan gravitasi bumi
h = ketinggian relatif terhadapa suatu referensi
p = tekanan fluida
ρ = densitas fluida
Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut:
• Aliran bersifat tunak (steady state)
• Tidak terdapat gesekan
Aliran Termampatkan
Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida termampatkan adalah: udara, gas alam, dll. Persamaan Bernoulli untuk aliran termampatkan adalah sebagai berikut:

Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah dari tekanan ( p ), energi kinetik per satuan volum (1/2 PV^{^}2 ), dan energi potensial per satuan volume (ρgh) memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus.
Dalam bagian ini kita hanya akan mendiskusikan bagaimana cara berfikir Bernoulli sampai menemukan persamaannya, kemudian menuliskan persamaan ini. Akan tetapi kita tidak akan menurunkan persamaan Bernoulli secara matematis.
Kita disini dapat melihat sebuah pipa yang pada kedua ujungnya berbeda dimanaujung pipa 1 lebih besar dari pada ujung pipa 2.
Penerapan Hukum Bernoulli dapat kita lihat pada:
a. Teorema Torriceli
Salah satu penggunaan persamaan Bernoulli adalah menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah (lihat gambar di bawah)
Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter kran/lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang/kran terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah :
Jika kita ingin menghitung kecepatan aliran zat cair pada lubang di dasar wadah, maka persamaan ini kita oprek lagi menjadi :
Berdasarkan persamaan ini, tampak bahwa laju aliran air pada lubang yang berjarak h dari permukaan wadah sama dengan laju aliran air yang jatuh bebas sejauh h (bandingkan Gerak jatuh Bebas)
Ini dikenal dengan Teorema Torricceli. Teorema ini ditemukan oleh Eyang Torricelli, murid eyang butut Gallileo, satu abad sebelum om Bernoulli menemukan persamaannya.
b. Efek Venturi
Selain teorema Torricelli, persamaan Bernoulli juga bisa diterapkan pada kasus khusus lain yakni ketika fluida mengalir dalam bagian pipa yang ketinggiannya hampir sama (perbedaan ketinggian kecil). Untuk memahami penjelasan ini, amati gambar di bawah.
Pada gambar di atas tampak bahwa ketinggian pipa, baik bagian pipa yang penampangnya besar maupun bagian pipa yang penampangnya kecil, hampir sama sehingga diangap ketinggian alias h sama. Jika diterapkan pada kasus ini, maka persamaan Bernoulli berubah menjadi :
Ketika fluida melewati bagian pipa yang penampangnya kecil (A2), maka laju fluida bertambah (ingat persamaan kontinuitas). Menurut prinsip Bernoulli, jika kelajuan fluida bertambah, maka tekanan fluida tersebut menjadi kecil. Jadi tekanan fluida di bagian pipa yang sempit lebih kecil tetapi laju aliran fluida lebih besar.
Ini dikenal dengan julukan efek Venturi dan menujukkan secara kuantitatif bahwa jika laju aliran fluida tinggi, maka tekanan fluida menjadi kecil. Demikian pula sebaliknya, jika laju aliran fluida rendah maka tekanan fluida menjadi besar.
c. Karburator
Karburator berfungsi untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, kemudian campuran ini dimasukkan ke dalam silinder-silinder mesin untuk tujuan pembakaran.
d. Venturimeter
Penerapan menarik dari efek venturi adalah Venturi Meter. Alat ini dipakai untuk mengukur laju aliran fluida, misalnya menghitung laju aliran air atau minyak yang mengalir melalui pipa. Terdapat 2 jenis venturi meter, yakni venturi meter tanpa manometer dan venturi meter yang menggunakan manometer yang berisi cairan lain, seperti air raksa. Prinsip kerjanya sama saja….
e. Venturi meter tanpa manometer
Gambar di bawah menunjukkan sebuah venturi meter yang digunakan untuk mengukur laju aliran zat cair dalam pipa.
Amati gambar di atas. Ketika zat cair melewati bagian pipa yang penampangnya kecil (A2), laju cairan meningkat. Menurut prinsipnya om Bernoulli, jika laju cairan meningkat, maka tekanan cairan menjadi kecil. Jadi tekanan zat cair pada penampang besar lebih besar dari tekanan zat cair pada penampang kecil (P1 > P2). Sebaliknya v2 > v1
Sekarang kita oprek persamaan yang digunakan untuk menentukan laju aliran zat cair pada pipa di atas. Kita gunakan persamaan efek venturi yang telah diturunkan sebelumnya.

Dalam pokok bahasan Tekanan Pada Fluida, gurumuda sudah menjelaskan bahwa untuk menghitung tekanan fluida pada suatu kedalaman tertentu, kita bisa menggunakan persamaan :

Jika perbedaan massa jenis fluida sangat kecil, maka kita bisa menggunakan persamaan ini untuk menentukan perbedaan tekanan pada ketinggian yang berbeda (kalau bingung, baca kembali
pembahasan mengenai Tekanan Dalam Fluida — Fluida Statis). Dengan demikian, persamaan a bisa kita oprek menjadi :
Persamaan ini kita gunakan untuk menentukan laju zat cair yang mengalir dalam pipa.
Dalam bidang kedokteran, telah dirancang juga venturi meter yang digunakan untuk mengukur laju aliran darah dalam arteri.
f. Tabung Pitot
Tabung Pitot adalah alat ukur yang kita gunakan untuk mengukur kelajuan gas / udara. Perhatikan gambar di bawah…
Lubang pada titik 1 sejajar dengan aliran udara. Posisi kedua lubang ini dibuat cukup jauh dari ujung tabung pitot, sehingga laju dan tekanan udara di luar lubang sama seperti laju dan tekanan udara yang mengalir bebas. Dalam hal ini, v1 = laju aliran udara yang mengalir bebas (ini yang akan kita ukur), dan tekanan pada kaki kiri manometer (pipa bagian kiri) = tekanan udara yang mengalir bebas (P1).

Lubang yang menuju ke kaki kanan manometer, tegak lurus dengan aliran udara. Karenanya, laju aliran udara yang lewat di lubang ini (bagian tengah) berkurang dan udara berhenti ketika tiba di titik 2. Dalam hal ini, v2 = 0. Tekanan pada kaki kanan manometer sama dengan tekanan udara di titik 2 (P2).
Ketinggian titik 1 dan titik 2 hampir sama (perbedaannya tidak terlalu besar) sehingga bisa diabaikan. Ingat ya, tabung pitot juga dirancang menggunakan prinsip efek venturi. Mirip seperti si venturi meter, bedanya si tabung petot ini dipakai untuk mengukur laju gas alias udara. Karenanya, kita tetap menggunakan persamaan efek venturi. Sekarang kita oprek persamaannya :

Ini persamaan yang kita cari. Persamaan ini digunakan untuk menghitung laju aliran gas alias udara menggunakan si tabung pitot.
g. Penyemprot Parfum
Penyemprot Parfum adalah salah satu contoh Hukum Bernoulli. Ketika Anda menekan tombol ke bawah, udara dipaksa keluar dari bola karet termampatkan melalui lubang sempit diatas tabung silinder yang memanjang ke bawah sehingga memasuki cairan parfum.Semburan udara yang bergerak cepat menurunkan tekanan udara pada bagian atas tabung, dan menyebabkan tekanan atmosfer pada permukaan cairan memaksa cairan naik ke atas tabung. Semprotan udara berkelajuan tinggi meniup cairan parfum sehingga cairan parfum dikeluarkan sebagai semburan kabut halus.
h. Penyemprot Racun Serangga
Penyemprot Racun Serangga hampir sama prinsip kerjanya dengan penyemprot parfum. Jika pada penyemprot parfum Anda menekan tombol, maka pada penyemprot racun serangga Anda menekan masuk batang penghisap.

Ketika bola karet diremas, udara yang ada di dalam bola karet meluncur keluar melalui pipa 1. Karenanya, udara dalam pipa 1 mempunyai laju yang lebih tinggi. Karena laju udara tinggi, maka tekanan udara pada pipa 1 menjadi rendah. Sebaliknya, udara dalam pipa 2 mempunyai laju yang lebih rendah. Tekanan udara dalam pipa 2 lebih tinggi. Akibatnya, cairan parfum didorong ke atas. Ketika si cairan parfum tiba di pipa 1, udara yang meluncur dari dalam bola karet mendorongnya keluar…
Biasanya lubang berukuran kecil, sehingga parfum meluncur dengan cepat… ingat persamaan kontinuitas, kalau luas penampang kecil, maka fluida bergerak lebih cepat. Sebaliknya, kalau luas penampang pipa besar, maka fluida bergerak pelan.
i. Minum dengan pipet alias penyedot
Dirimu pernah minum es teh atau sirup menggunakan pipet alias penyedot-kah ? cairan apapun yang kita minum bisa masuk ke dalam mulut bukan karena kita nyedot. Prinsip om bernoulli berlaku juga untuk kasus ini… ketika kita mengisap alias menyedot air menggunakan pipet, sebenarnya kita membuat udara dalam pipet bergerak lebih cepat. Dalam hal ini, udara dalam pipet yang nempel ke mulut kita mempunyai laju lebih tinggi. Akibatnya, tekanan udara dalam bagian pipet itu menjadi lebih kecil. Nah, udara dalam bagian pipet yang dekat dengan minuman mempunyai laju yang lebih kecil. Karena lajunya kecil, maka tekanannya lebih besar. Perbedaan tekanan udara ini yang membuat air atau minuman yang kita minum mengalir masuk ke dalam mulut kita. Dalam hal ini, cairan itu bergerak dari bagian pipet yang tekanan udara-nya tinggi menuju bagian pipet yang tekanan udara-nya rendah.
j. Cerbong asap
Pertama, asap hasil pembakaran memiliki suhu tinggi alias panas. Karena suhu tinggi, maka massa jenis udara tersebut kecil. Udara yang massa jenisnya kecil mudah terapung alias bergerak ke atas. Alasannya bukan cuma ini… Prinsip bernoulli juga terlibat dalam persoalan ini.
Kedua, prinsip bernoulli mengatakan bahwa jika laju aliran udara tinggi maka tekanannya menjadi kecil, sebaliknya jika laju aliran udara rendah, maka tekanannya besar. Ingat bahwa bagian atas cerobong berada di luar ruangan. Ada angin yang niup di bagian atas cerobong, sehingga tekanan udara di sekitarnya lebih kecil. Di dalam ruangan tertutup tidak ada angin yang niup, sehingga tekanan udara lebih besar. Karenanya asap digiring ke luar lewat cerobong… (udara bergerak dari tempat yang tekanan udaranya tinggi ke tempat yang tekanan udaranya rendah).
k. Tikus juga tahu prinsip Bernoulli
Perhatikan gambar di bawah…. ini gambar lubang tikus dalam tanah. Tikus juga tahu prinsip om bernoulli. Si tikus tidak mau mati karena sesak napas, karenanya tikus membuat 2 lubang pada ketinggian yang berbeda. Akibat perbedaan ketinggian permukaan tanah, maka udara berdesak2an dengan temannya (bagian kanan). Mirip seperti air yang mengalir dari pipa yang penampangnya besar menuju pipa yang penampangnya kecil. Karena berdesak2an maka laju udara meningkat (Tekanan udara menurun).

Karena ada perbedaan tekanan udara, maka udara dipaksa mengalir masuk melalui lubang tikus. Udara mengalir dari tempat yang tekanan udara-nya tinggi ke tempat yang tekanan udaranya rendah.
l. Gaya Angkat Sayap Pesawat Terbang
Gaya Angkat Sayap Pesawat Terbang juga merupakan salah satu contoh Hukum Bernoulli.
Pada dasarnya, ada empat buah gaya yang bekerja pada sebuah pesawat terbang yang sedang mengangkasa .
1. Berat Pesawat yang disebabkan oleh gaya gravitasi Bumi
2. Gaya angkat yang dihasilkan oleh kedua sayap pesawat
3. Gaya ke depan yang disebabkan oleh mesin pesawat
4. Gaya hambatan yang disebabkan oleh gerakan udara.

Bagian depan sayap dirancang melengkung ke atas. Udara yang ngalir dari bawah berdesak2an dengan temannya yang ada di sebelah atas. Mirip seperti air yang ngalir dari pipa yang penampangnya besar ke pipa yang penampangnya sempit. Akibatnya, laju udara di sebelah atas sayap meningkat. Karena laju udara meningkat, maka tekanan udara menjadi kecil. Sebaliknya, laju aliran udara di sebelah bawah sayap lebih rendah, karena udara tidak berdesak2an (tekanan udaranya lebih besar). Adanya perbedaan tekanan ini, membuat sayap pesawat didorong ke atas. Karena sayapnya nempel dengan badan si pesawat, maka si pesawat ikut2an terangkat.
m. Nelayan juga tahu prinsip Bernoulli
perahu layar biasanya berlayar melawan angin. Kok bisa lawan angin ya ? seharusnya khan angin niup si perahu dan om sopirnya ke belakang… bisa. Nelayan juga tahu prinsip bernoulli. Cuma si nelayan tidak tahu, kalau cara menggerakan perahu dengan memanfaatkan si angin itu namanya prinsip bernoulli.

Hukum Bernoulli dan Penerapannya

Daniel Bernoulli (1700 – 1782) membuktikan bahwa semakin besar kecepatan fliuda, semakin kecil tekanannya dan begitu juga sebaliknya, semakin kecil kecepatan fluida,semakin besar tekanannya. Kemudian pernyataa ini dikenal sebagai ASAS BERNOULLI.
Perhatikan gambar dibawah ini.

Keterangan :
P₁ : Tekanan pada permukaan 1                                                (N/m²)
P₂ : Tekanan pada permukaan 2                                                (N/m²)
V₁ :  Kecepatan aliran pada permukaan 1                                (m/s)
V₂ : Kecepatan aliran pada permukaan 2                                (m/s)
h₁ : Ketinggian permukaan 1                                       (m)
h₂ : Ketinggian permukaan 2                                       (m)
ρ : Massa jenis fluida                                                      (kg/m³)
g : Kecepatan gravitasi                                                   (m/s²)
Dengan menerapkan Persaama Bernoulli, untuk fluida yang mengalir melalui sebuah lubang pada tangki seperti gambar berikut :

Maka kecepatan semburan air pada lubang dirumuskan :

V = √ 2 g h

Jarak horizontal yang dicapai semburan air, dirumuskan :

X = 2 √ h. h₂

PENERAPAN HUKUM BERNOULLI

Ø  Venturimeter
Venturi meter adalah alat yang dipasang di dalam suatu pipa aliran untuk mengukur laju aliran suatu zat cair.
Untuk venturi tanpa manometer, kelajuan alirab pada masing – masing titik adalah seperti gambar berikut :

Dan dirumuskan :

Untuk venturi meter yang dipasangi manometer, dimana terdapat fluidalain di dalam manometer tersebut, kelajuan aliran pada masing – masing titik adalah seperti gambar berikut :

Dirumuskan :

Dengan keterangan :
V₁ : Kecepatan aliran pada permukaan 1     (m/s)
V₂ : Kecepatan aliran pada permukaan 2     (m/s)
A₁ : Luas penampang 1     (m²)
A₂ : Luas penampang 2     (m²)
h : Beda ketinggian permukaan  fluida pd manometer     (m)
ρ : Massa jenis fluida pada venturimeter     (kg/m³)
ρ’ : Massa jenis fluida pada manometer        (kg/m³)
g : Kecepatan gravitasi  (m/s²)
Tabung Pitot

Tabung pipot adalah alat yang digunakan untuk mengukur  kelajuan aliran suatu gas. (Perhatikan gambar berikut)

Karena titik b kecepatan alirannya menjadi nol, maka dengan turunan dari persamaan Bernouli.kecepatan aliran udara di titik a (V_a) dirumuskan :

Keterangan :
V₁ : Kecepatan aliran pada permukaan 1    (m/s)
h : Beda ketinggian permukaan  fluida pd manometer     (m)
ρ : Massa jenis fluida pada venturimeter     (kg/m³)
ρ’ : Massa jenis fluida pada manometer         (kg/m³)
g : Kecepatan gravitasi   (m/s²)
Gaya Angkat Sayap Pesawat Terbang

Pesawat terbang dapat terangkat karena kelajuan udara yang melalui sayap pewasat mengakibatkan perbedaab tekanan udara dibagian bawah dan atas sayap pesawat, sehingga menyebabkan gaya angkat sebesar (F₁ – F₂) pada pesawat, seperti ditunjukan pada gambar berikut.

Besar gaya (F₁ – F₂) berdasarkan turunan dari persamaan Bernoulli adalah :

Keterangan :
(F₁ – F₂) : Gaya angkat  (N)
P₁ : Tekanan pada permukaan 1     (N/m²)
P₂ : Tekanan pada permukaan 2     (N/m²)
V₁ :  Kecepatan aliran pada permukaan 1    (m/s)
V₂ : Kecepatan aliran pada permukaan 2     (m/s)
A : Luas penampang sayap     (m²)
ρ : Massa jenis fluida udara     (kg/m³)
Pesawat tebang terangkat keatas jika : F₁ – F₂ > W_pesawat


Untuk pesawat dengan ketinggian tetap :  F₁ – F₂ = W_pesawat

Asas Bernouli – Pengertian dan Rumus

Asas Bernouli – Pengertian dan Rumus

Asas Bernoulli merupakaan asas dalam pembahasan fluida bergerak. Asas Bernoulli melukiskan hubungan antara tekanan, kecepatan dan tinggi dalam suatu garis lurus.

Gambar 7.16 di atas menggambarkan suatu arus stasioner yang mengalir dari tempat I ke tempat II. Kita tinjau dua sampel fluida dari fluida yang mengalir pada tempat I ke tempat II yang volumnya sama dan bergerak dalam selang waktu yang sama. Volum masing-masing sampel adalah V dengan selang waktu t.

Persamaan tersebut di atas disebut persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli dapat juga dinyatakan dengan:


P = tekanan (N/m^2)
ρ = massa jenis fluida (kg/m^3)
v = kecepatan aliran (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s^2)
h = ketinggian pipa diukur dari bidang acuan (m)

Pada persamaan Bernoulli terdapat beberapa hal yang istimewa antara lain sebagai berikut.

1. Pada fluida tak bergerak
Dalam hal ini v1 = v2 = 0 sehingga diperoleh persamaan:
P1 – P2 = ρ . g (h2 – h1)
Persamaan ini adalah bentuk lain dari persamaan yang menyatakan tekanan hidrostatis dalam zat cair.

2. Untuk fluida yang bergerak dengan ketinggian yang sama, dalam hal ini h2 = h1, diperoleh persamaan:

Hal ini berarti bahwa di tempat yang lajunya besar tekanannya kecil dan sebaliknya.

Read more: http://cpengertian.blogspot.com/2013/01/asas-bernouli-pengertian-dan-rumus.html#ixzz3uTJX8FM5

Asas Bernoulli

Hukum Bernoulli

Bagaimanakah definisi hukum Bernoulli ?
Fluida mengalir pada pipa dari ujung 1 ke ujung 2
Kecepatan pada ujung 1 = v₁ , ujung 2 = v₂
Ujung 1 berada pada ketinggian h₁ , ujung 2 = h₂
Tekanan pada ujung 1 = P₁ , ujung 2 = P₂.



Hukum Bernoulli untuk fluida yang mengalir pada suatu tempat maka jumlah usaha, energi kinetik, energi potensial fluida persatuan volume fluida tersebut mempunyai nilai yang tetap pada setiap titik. Jadi jumlah dari tekanan, energi kinetik persatuan volume, dan energi potensial persatuan volume mempunyai nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus.
Bagaimanakah persamaan dari hukum Bernoulli ?

Persamaan Bernoulli  adalah  maka

persamaan Bernoulli :

P₁ : tekanan pada ujung 1, satuannya Pa
P₂ : tekanan pada ujung 2, satuannya Pa
v₁ : kecepatan fluida pada ujung 1, satuannya m/s
v₂ : kecepatan fluida pada ujung 2, satuannya m/s
h₁ : tinggi ujung 1, satuannya m
h₂ : tinggi ujung 2, satuannya m

Penerapan asas Bernoulli dapat kita jumpai pada peristiwa atau alat antara lain tangki berlubang (penampungan air), alat penyemprot (obat nyamuk dan parfum), karburator, venturimeter, tabung pitot, dan gaya angkat pesawat terbang.

Penerapan Asas Bernoulli

1. Penerapan Asas Bernoulli Pada Tangki Berlubang

Skema persamaan Bernoulli untuk fluida dalam tangki dan terdapat kebocoran dalam ketinggian tertentu.

Perhatikan gambar diatas, pada titik A, kecepatan fluida turun relatif kecil sehingga dianggap nol (v₁ = 0). Oleh karena itu persamaan Bernoulli menjadi sebagai berikut.

p₁ + ρgh₁ + 0 = p₂ +ρgh₂ + ρv₂²

g(h₁ – h₂) = v₂

v =

Jika h₁–h₂ = h, maka:

v =

Lintasan air (fluida) pada tangki berlubang

Perhatikan gambar diatas. Jika air keluar dari lubang B dengan kelajuan v yang jatuh di titik D, maka terlihat lintasan air dari titik B ke titik D berbentuk parabola. Berdasarkan analisis gerak parabola, kecepatan awal fluida pada arah mendatar sebesar v_BX = v =  . Sedangkan kecepatan awal pada saat jatuh (sumbu Y) merupakan gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dengan percepatan a_y = g. Berdasarkan persamaan jarak Y = v_0yt +  a_y t² dengan Y = H –h, v_0y = 0, dan a_y = g, maka kita peroleh persamaan untuk menghitung waktu yang diperlukan air dari titik B ke titik D sebagai berikut

Gerak air (fluida) pada sumbu X merupakan gerak lurus beraturan (GLB) sehingga berlaku persamaan:

X = v_0X t

Karena v_0X = v_BX = v =  , maka:

R = X =

R = X =

R = X =

2. Penerapan Asas Bernoulli Pada Alat Penyemprot

Alat penyemprot yang menggunakan prinsip Bernoulli yang sering kita gunakan adalah alat penyemprot racun serangga. Perhatikan gambar berikut.

Penyemprot racun serangga

Ketika kita menekan batang pengisap, udara dipaksa keluar dari tabung pompa melalui tabung sempit pada ujungnya. Semburan udara yang bergerak dengan cepat mampu menurunkan tekanan pada bagian atas tabung tandon yang berisi cairan racun. Hal ini menyebabkan tekanan atmosfer pada permukaan cairan turun dan memaksa cairan naik ke atas tabung. Semburan udara berkelajuan tinggi meniup cairan, sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburan kabut halus.

3. Penerapan Asas Bernoulli Pada Karburator

Karburator adalah alat yang berfungsi untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, campuran ini memasuki silinder mesin untuk tujuan pembakaran. untuk memahami cara kerja karburator pada kendaran bermotor, perhatikan gambar berikut.

Diagram sebuah karburator

Penampang pada bagian atas jet menyempit, sehingga udara yang mengalir pada bagian ini bergerak dengan kelajuan yang tinggi. Sesuai asas Bernoulli, tekanan pada bagian ini rendah. Tekanan di dalam tangki bensin sama dengan tekanan atmosfer. Tekanan atmosfer memaksa bahan bakar (bensin atau solar) tersembur keluar melalui jet sehingga bahan bakar bercampur dengan udara sebelum memasuki silinder mesin.

4. Penerapan Asas Bernoulli Pada Venturimeter

Tabung venturi adalah venturimeter, yaitu alat yang dipasang pada suatu pipa aliran untuk mengukur kelajuan zat cair. Ada dua venturimeter yang akan kita pelajari, yaitu venturimeter tanpa manometer dan venturimeter menggunakan manometer yang berisi zat cair lain.

Venturimeter Tanpa Manometer

Gambar diatas menunjukkan sebuah venturimeter yang digunakan untuk mengukur kelajuan aliran dalam sebuah pipa. Untuk menentukan kelakuan aliran v₁ dinyatakan dalam besaran-besaran luas penampang A₁ dan A₂ serta perbedaan ketinggian zat cair dalam kedua tabung vertikal h. Zat cair yang akan diukur kelajuannya mengalir pada titik-titik yang tidak memiliki perbedaan ketinggian (h₁ = h₂) sehingga berlaku persamaan berikut.

p₁ – p₂ = ρ(v₂² – v₁²)

Berdasarkan persamaan kontinuitas diperoleh persamaan sebagai berikut.

A₁V₁ = A₂v₂ ⇒ v₁ =     atau    v₂ =

Jika persamaan ini kita masukan ke persamaaan p₁ – p₂ = ρ(v₂² – v₁²) maka diperoleh persamaan seperti berikut.

Pada gambar diatas terlihat perbedaan ketinggian vertikal cairan tabung pertama dan kedua adalah h. Oleh karena itu selisih tekanan sama dengan tekanan hidrostatis cairan setinggi h.

p₁ – p₂ = ρgh

Dengan menggabungkan kedua persamaan yang melibatkan perbedaan tekanan tersebut diperoleh kelajuan aliran fluida v₁.

Venturimeter Dengan Manometer

Pada prinsipnya venturimeter dengan manometer hampir sama dengan venturimeter tanpa manometer. Hanya saja dalam venturimeter ini ada tabung U yang berisi raksa. Perhatikan gambar berikut.

Venturimeter dengan sistem manometer

Berdasarkan penurunan rumus yang sama pada venturimeter tanpa manometer, diperoleh kelajuan aliran fluida v₁ adalah sebagai berikut.

Keterangan:

ρ_r : massa jenis raksa
ρ_u : massa jenis udara

5. Penerapan Asas Bernoulli Pada Tabung Pitot

Alat ukur yang dapat kita gunakan untuk mengukur kelajuan gas adalah tabung pitot. Perhatikan gambar berikut.

Diagram penampang sebuah pitot

Gas (misalnya udara) mengalir melalui lubanglubang di titik a. Lubang-lubang ini sejajar dengan arah aliran dan dibuat cukup jauh di belakang sehingga kelajuan dan tekanan gas di luar lubang-lubang tersebut mempunyai nilai seperti halnya dengan aliran bebas. Jadi, v_a = v (kelajuan gas) dan tekanan pada kaki kiri manometer tabung pilot sama dengan tekanan aliran gas (Pa).

Lubang dari kaki kanan manometer tegak lurus terhadap aliran sehingga kelajuan gas berkurang sampai ke nol di titik b (v_b = 0). Pada titik ini gas berada dalam keadaan diam. Tekanan pada kaki kanan manometer sama dengan tekanan di titik b (p_b). Beda ketinggian titik a dan b dapat diabaikan (h_a = h_b), sehingga perbedaan tekanan yang terjadi menurut persamaan Bernoulli adalah sebagai berikut.

Perbedaan tekanan ini sama dengan tekanan hidrostatika fluida (raksa) pada manometer.

p_b – p_a = ρ_rgh

Oleh karena itu, kecepatan aliran gas v_A = v dapat dirumuskan sebagai berikut.

6. Penerapan Asas Bernoulli Pada Gaya Angkat Sayap pada Pesawat Terbang

Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat. Pesawat terbang tidak seperti roket yang terangkat ke atas karena aksi-reaksi antara gas yang disemburkan roket itu sendiri. Roket menyemburkan gas ke belakang, dan sebagai reaksinya gas mendorong roket maju. Jadi, roket dapat terangkat ke atas walaupun tidak ada udara, tetapi pesawat terbang tidak dapat terangkat jika tidak ada udara.

Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Perhatikan gambar dibawah. Garis arus pada sisi bagian atas lebih rapat daripada sisi bagian bawahnya. Artinya, kelajuan aliran udara pada sisi bagian atas pesawat v₂ lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap v₁. Sesuai dengan asas Bornoulli, tekanan pada sisi bagian atas p₂ lebih kecil daripada sisi bagian bawah p₁ karena kelajuan udaranya lebih besar. Dengan A sebagai luas penampang pesawat, maka besarnya gaya angkat dapat kita ketahui melalui persamaan berikut.

Pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat lebih besar daripada berat pesawat. Jadi, suatu pesawat dapat terbang atau tidak tergantung dari berat pesawat, kelajuan pesawat, dan ukuran sayapnya. Makin besar kecepatan pesawat, makin besar kecepatan udara. Hal ini berarti gaya angkat sayap pesawat makin besar. Demikian pula, makin besar ukuran sayap makin besar pula gaya angkatnya.

Supaya pesawat dapat terangkat, gaya angkat harus lebih besar daripada berat pesawat (F₁ – F₂) > m g. Jika pesawat telah berada pada ketinggian tertentu dan pilot ingin mempertahankan ketinggiannya (melayang di udara), maka kelajuan pesawat harus diatur sedemikian rupa sehingga gaya angkat sama dengan berat pesawat (F₁ – F₂) = m g.

Garis-garis arus di sekitar saya pesawat terbang

Dari gambar garis arus udara disekitar sayap peasawat terbang terlihat jelas penerapan asas bernoulli pada desain sayap pesawat.