Karakteristik Airfoil
Di terowongan angin atau pada sebuah
penerbangan, sebuah airfoil secara
sederhana adalah sebuah objek streamline
yang disisipkan pada aliran udara yang bergerak. Jika airfoilnya berbentuk tetesan air maka perubahan kecepatan dan
tekanan dari aliran udara yang melewati bagian atas dan bawah akan sama di
kedua sisi. Tapi kalau bentuk tetesan air itu dipotong di tengah dengan sama
rata, hasilnya adalah sebuah bentuk sederhana airfoil (sayap). Jika airfoil
itu dinaikkan (mendongak) maka aliran udara akan menabrak dengan sebuah sudut
tertentu (angle of attack), molekul udara yang bergerak melewati
permukaan atas akan dipaksa untuk bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi
dibandingkan dengan molekul udara yang bergerak di bawah airfoil, hal ini karena molekul di atas harus menjalani jarak yang
lebih jauh karena lengkungan dari permukaan yang di atas. Pertambahan kecepatan
ini mengurangi tekanan di atas airfoil
(Mulyadi, 2010).
Momentum adalah resistansi dari
sebuah benda yang bergerak ketika arah dan besar gerakannya diubah. Ketika
setiap benda dipaksa untuk bergerak dalam gerakan melingkar, benda tersebut
akan memberikan reaksi resistansi dengan arah keluar yang berlawanan dengan pusat
putaran. Ini disebut gaya sentrifugal. Seperti pada gambar 2
terlihat ketika partikel udara bergerak dengan arah melengkung AB, gaya
sentrifugal cenderung membuangnya ke arah panah antara A dan B, sehingga
menyebabkan udara untuk mendesak lebih dari tekanan normal di leading edge-nya airfoil. Tapi setelah partikel udara
melewati titik B (titik berbalik arah dari arah lengkungan/kurva) gaya
sentrifugal cenderung untuk membuang partikel pada arah panah antara B dan C
(menyebabkan berkurangnya tekanan pada airfoil).
Efek ini berlaku sampai partikel udara mencapai titik C, titik kedua berbalik
arah dari lengkungan aliran udara. Kembali lagi, gaya sentrifugal dibalikkan
dan partikel udara cenderung untuk memberi sedikit lebih tekanan dari normal
pada trailing edge dari airfoil
tersebut, sebagaimana digambarkan dengan panah pendek antara C dan D (Suseno,
2010).
Gambar 2 Momentum Mempengaruhi
Aliran Udara Pada Airfoil
Sumber: Suseno (2010)
Tekanan udara dari permukaan bagian
atas airfoil disebarkan sehingga
tekanan lebih besar di leading edge daripada tekanan atmosfir sekitarnya,
menyebabkan tahanan yang kuat pada gerakan ke depan, tapi tekanan udara lebih
sedikit daripada tekanan atmosfir sekitarnya di sebagian besar permukaan atas
(B ke C). Seperti terlihat pada penggunaan teori Bernoulli pada sebuah bejana
venturi, pertambahan kecepatan udara pada bagian atas dari airfoil menyebabkan turunnya tekanan. Tekanan yang turun ini adalah
salah satu komponen dari total daya angkat. Tapi adalah sebuah kesalahan untuk
berasumsi bahwa perbedaan tekanan antara permukaan bagian atas dan bagian bawah
tersebut adalah satu-satunya hasil total dari produksi daya angkat (Suseno,
2010).
Sebuah tekanan positif dihasilkan karena sifat udara yang mengalir di bawah
sayap, terutama pada angle of attack yang tinggi. Tapi ada aspek lain
dari aliran udara ini yang harus dipelajari. Pada sebuah titik di dekat leading edge, aliran udara pada
hakekatnya sebenarnya berhenti (stagnation point) dan dengan bertahap
kecepatannya akan bertambah. Di titik yang sama di trailing edge,
kembali lagi aliran udara itu mencapai kecepatan yang sama dengan kecepatan
aliran udara di permukaan atasnya. Sesuai dengan prinsip Bernoulli, ketika
aliran udara makin pelan di bawah sayap, sebuah tekanan positif ke atas terjadi
menekan sayap, jika kecepatan fluida berkurang, tekanan harus bertambah
(Suseno, 2010).
Pada dasarnya, hal ini hanyalah
“memperkuat tekanan positif” karena kejadian ini menambah perbedaan tekanan
antara permukaan atas dan bawah dari airfoil,
sehingga menambah total daya angkat dibandingkan jika tidak ada penambahan
tekanan di bagian bawah permukaan. Kedua prinsip Bernoulli dan hukum Newton
bekerja jika daya angkat diproduksi oleh sebuah airfoil. Dari percobaan yang dilakukan pada model di terowongan
angin sebenarnya, telah diketahui bahwa pada waktu udara mengalir sepanjang
permukaan dari sebuah sayap dengan angle of attack yang berbeda-beda,
maka ditemukan bagian-bagian sepanjang permukaan di mana tekanannya adalah
negatif atau kurang dari tekanan atmosfir dan juga bagian-bagian dengan tekanan
positif atau lebih besar dari tekanan atmosfir (Suseno, 2010).
Tekanan negatif pada permukaan atas
sayap membuat gaya yang lebih besar dari pada tekanan positif yang mengenai
permukaan bawah sayap. Gambar 3 menunjukkan penyebaran tekanan sepanjang airfoil pada 3 angle of attack yang
berbeda-beda. Pada umumnya, pada angle of attack yang besar, pusat
tekanan (Center of Pressure) pindah ke depan sedangkan pada angle
of attack yang kecil pusat tekanan berpindah ke bagian belakang. Dalam
rancangan struktur sayap, pergeseran pusat tekanan ini sangat penting, karena
mempengaruhi posisi beban udara yang ditanggung oleh sayap pada keadaan angle
of attack yang kecil dan angle of attack yang besar (Suseno,
2010).
Gambar 2.12 Distribusi Tekanan Pada Airfoil
Sumber: Suseno (2010)
Keseimbangan aerodinamis dan
kemampuan kendali diatur oleh perbedaan dari pusat tekanan. Pusat tekanan
ditentukn oleh perhitungan dan percobaan di terowongan angin dengan cara
memberikan angle of attack yang berbeda-beda pada airfoil di sepanjang jangkauan kerja normal. Pada waktu angle of attack diubah, karakteristik
penyebaran tekanan juga berubah (Suseno, 2010).
Gaya tekanan positif (+) dan negatif
(–) dijumlahkan pada setiap nilai angle of attack dan didapat resultan
hasilnya. Total resultan tekanan diperlihatkan oleh vektor resultan gaya pada
gambar 4 (Suseno, 2010).
Gambar 4 Gaya Pada Airfoil
Sumber: Suseno (2010)
