Gaya hambat Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Gaya hambat
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Sebuah benda yang bergerak melalui gas atau cairan mengalami sebuah gaya yang arahnya
berlawanan dengan gerakan benda tersebut. Kecepatan terminal dicapai saat gaya hambat
sebanding dengan magnitud (magnitudo) tapi arahnya berlawanan dengan gaya yang
mendorong benda. Di gambar ini tampak sebuah bola dalam aliran Stokes, pada bilangan
Reynolds yang sangat rendah.
Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut hambatan fluida atau
seretan) adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida
( cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek,
yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam
arah tegak lurus dengan permukaan benda. Bagi sebuah benda padat yang bergerak melalui
sebuah fluida, gaya hambat merupakan komponen dari aerodinamika gaya resultan atau gaya
dinamika fluida yang bekerja dalam arahnya pergerakan. Komponen tegak lurus terhadap
arah pergerakan ini dianggap sebagai gaya angkat. Dengan begitu gaya hambat berlawanan
dengan arah pergerakan benda, dan dalam sebuah kendaraan yang digerakkan mesin diatasi
dengan gaya dorong.
Dalam mekanika orbit, tergantung pada situasi, hambatan atmosfer bisa dianggap sebagai
ketidak efesiensian yang membutuhkan pengeluaran energi tambahan dalam peluncuran
objek angkasa luar.
Tipe-tipe gaya hambat pada umumnya terbagi menjadi kategori berikut ini:


gaya hambat parasit, terdiri dari
o seretan bentuk,
o gesekan permukaan,
o seretan interferensi,
gaya hambat imbas, dan

gaya hambat gelombang (aerodinamika) atau hambatan gelombang (hidrodinamika
kapal).
Frase gaya hambat parasit sering digunakan dalam aerodinmika, gaya hambat sayap angkat
pada umumnya lebih kecil dari gaya angkat. Aliran fluida di sekeliling bagian benda yang
curam pada umumnya mendominasi, dan lalu menciptakan gaya hambat. Lebih jauh lagi,
gaya hambat imbas baru relevan ketika ada sayap atau badan angkat, dan dengan begitu
biasanya didiskusikan baik dalam perspektif aviasinya gaya hambat, atau dalam desainnya
semi-planing atau badan kapal. Gaya hambat gelombang berlangsung saat sebuah benda
padat bergerak melalui sebuah fluida atau mendekati kecepatan suara dalam fluida itu — atau
dalam kasus dimana sebuah permukaan fluida yang bergerak bebas bergelombang permukaan
menyebar dari objek, misalnya saja dari sebuah kapal.
Untuk kecepatan yang tinggi — atau lebih tepatnya, pada bilangan Reynolds yang tinggi —
gaya hambat keseluruhannya sebuah benda dikarakterisasikan oleh sebuah bilangan tak
berdimensi yang disebut koefisien hambatan. Mengumpamakan sebuah koefisien hambatan
yang lebih-atau-kurang konstan, seretan akan bervariasi sebagai kuadratnya kecepatan.
Dengan begitu, tenaga resultan yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat ini akan
bervariasi sebagai pangkat tiganya kecepatan. Persamaan standar untuk gaya hambat adalah
satu setengah koefisiennya seretan dikali dengan massa jenis fluida, luas dari item tertentu,
dan kuadratnya kecepatan.
Hambatan angin merupakan istilah orang awam yang digunakan untuk mendeskripsikan gaya
hambat. Penggunaannya seringkali tak jelas, dan biasanya digunakan dalam sebuah makna
perbandingan (sebagai misal, kok bulu tangkis memiliki hambatan angin yang lebih tinggi
dari bola squash).
Daftar isi
[sembunyikan]






1 Gaya hambat pada kecepatan tinggi
o 1.1 Daya
o 1.2 Kecepatan objek yang sedang jatuh
2 Bilangan Reynolds yang sangat rendah — gaya hambat Stokes
3 Gaya hambat dalam aerodinamika
o 3.1 Gaya hambat parasit
o 3.2 Gaya hambat imbas
o 3.3 Gaya hambat gelombang dalam transonik dan aliran supersonik
4 Lihat pula
5 Rujukan
o 5.1 Inline
o 5.2 Umum
6 Pranala luar
[sunting] Gaya hambat pada kecepatan tinggi
Persamaan gaya hambat menghitung gaya yang dialami sebuah objek yang bergerak melalui
sebuah fluida pada kecepatan yang relatif besar (misalnya bilangan Reynold yang tinggi,
Re > ~1000), yang juga dijuluki seretan kuadrat. Persamaan tersebut merupakan
penghormatan kepada John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, yang awalnya menggunakan
L2 dalam tempatnya A (L adalah panjang). Gaya sebuah objek yang bergerak melalui sebuah
fluida adalah:
dimana
adalah gaya dari seretan,
adalah massa jenisnya fluida (Catatan untuk atmosfer Bumi, massa jenis bisa diketahui dengan menggunakan rumus
barometer. Massa jenisnya sebesar 1.293 kg/m3 pada 0 °C dan 1 atmosfer.),
adalah laju objek dibandingkan dengan fluida,
adalah luas rujukan,
adalah koefisien hambatan (parameter tak berdimensi, misalnya 0,25 sampai 0,45
untuk sebuah mobil), dan
adalah vektor satuan yang menunjukkan arah kecepatan (tanda negatif
menunjukkan arah gaya hambat berlawanan arah kecepatan).
Luas rujukan A sering didefinisikan sebagai luas proyeksi ortografi (proyeksi siku-siku) dari
objek — pada sebuah bidang yang tegak lurus terhadap arah gerakan — misalnya untuk
objek-objek berbentuk sederhana seperti lingkaran, ini merupakan luas penampang lintang.
Terkadang sebuah objek memiliki beberapa luas rujukan dimana sebuah koefisien hambatan
yang sesuai dengan masing-masing luas rujukan harus ditentukan.
Dalam kasus sebuah sayap, perbandingan gaya hambat terhadap gaya angkat sangat mudah
saat luas rujukannya sama, sebab nisbah gaya hambat terhadap gaya angkat hanyalah nisbah
gaya hambat terhadap koefisien gaya angkat.[1] Dengan begitu, rujukan untuk sayap
seringkali adalah luas planform, bukannya luas penampang depan.[2]
Untuk objek yang bepermukaan halus, dan titik pisah yang tidak tetap — seperti sebuah
lingkaran atau silinder bundar — koefisien hambatan akan bervariasi dengan bilangan
Reynolds Re, bahkan sampai pada nilai yang sangat tinggi Re dari tingkat besaran 107). [3] [4]
Bagi sebuah objek bertitik pisah yang tetap dan terdefinisi dengan baik, seperti sebuah
cakram lingkar berbidang normal terhadap arah aliran, koefisien hambatan adalah konstan
untuk Re > 3,500.[4] Pada umumnya, koefisien hambatan Cd merupakan sebuah fungsi
orientasinya aliran berkenaan dengan objek (terlepas dari objek yang simetris seperti sebuah
bola).
[sunting] Daya
Rumus daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat aerodinamis adalah:
Perlu diketahui bahwa daya yang dibutuhkan untuk mendorong sebuah objek melalui sebuah
fluida meningkat sebagai pangkat tiganya kecepatan. Sebuah modil yang sedang melaju di
jalan raya dengan kecepatan 80km/jam (50 mph) hanya membutuhkan 10 tenaga kuda (7,5
kW) untuk mengatasi gaya hambat udara, tapi bila mobil itu melaju secepat 160 km/jam (100
mph) dibutuhkan 80 tenaga kuda (60 kW). to overcome air drag, but that same car at 100
mph (160 km/h) requires 80 hp (60 kW). Dengan penggandaan kecepatan gaya hambat
membesar empat kali lipat per rumus. Pengerahan daya empat kali pada sebuah jarak yang
tetap menghasilkan usaha empat kali lipat. Karena daya adalah tingkat usaha yang sedang
dilakukan, maka empat kali usaha yang dilakukan dalam setengah waktu membutuhkan
delapan kali daya.
Perlu ditekankan disini bahwa persamaan gaya hambat merupakan sebuah perkiraan, dan
belum tentu memberikan perkiraan yang tepat dalam setiap kasus. Jadi berhati-hatilah saat
sedang membuat asumsi dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas.
[sunting] Kecepatan objek yang sedang jatuh
Kecepatan sebagai sebuah fungsi waktu untuk sebuah objek yang sedang jatuh melalui
sebuah perantara yang tidak bermassa jenis kasarannya merupakan fungsi yang melibatkan
fungsi hiperbolik:
Dengan kata lain, kecepatan secara asimtotik yang mencapai sebuah nilai maksimal disebut
kecepatan terminal:
Bagi sebuah objek berbentuk kentang dengan diameter rata-rata d dan massa jenis ρobj, maka
kecepatan terminalnya adalah
Untuk berbagai objek yang massa jenisnya mirip air (tetesan air hujan, hujan es, objek yang
hidup — hewan, burung, serangga, dll.) yang sedang jatuh di udara dekat permukaan Bumi
pada permukaan laut, maka kira-kira kecepatan terminalnya sama dengan
Sebagai contoh, untuk tubuh manusia (
seperti kucing (
~ 0.2 m)
20 m/detik, untuk serangga (
~ 0.6 m)
~ 70 m/detik, untuk hewan kecil
~ 40 m/detik, untuk burung kecil (
~ 0.01 m)
~ 0.05 m)
~ 9 m/detik, untuk setetes kabut (
~
~
0.0001 m)
~ 0.9 m/detik, untuk serbuk sari atau bakteri (
~ 0.00001 m)
~ 0.3
m/detik dan seterusnya. Kecepatan terminal (kecepatan akhir) yang sesungguhnya dari objek
yang sangat kecil (serbuk sari, dll.) bahkan lebih kecil dikarenakan viskositasnya udara.
Kecepatan terminal lebih tinggi untuk berbagai makhluk yang berukuran lebih besar, dan
dengan begitu lebih mematikan. Seekor tikus yang jatuh dengan kecepatan terminalnya punya
kemungkinan lebih besar tetap hidup saat jatuh ke tanah daripada seorang manusia yang jatuh
pada kecepatan terminalnya. Hewan kecil seperti jangkrik yang bertubrukan pada kecepatan
terminalnya kemungkinan takkan menderita luka. Hal ini menjelaskan penyebab tetap
hidupnya binatang-binatang yang kecil yang jatuh dari tempat yang sangat tinggi.
[sunting] Bilangan Reynolds yang sangat rendah — gaya
hambat Stokes
Persamaan untuk tahanan kekentalan atau gaya hambat linear cocok untuk partikel atau
objek berukuran kecil yang sedang bergerak melalui sebuah fluida pada kecepatan yang
relatif pelan dimana tidak terdapat turbulen (contohnya bilangan Reynolds yang rendah, Re <
1).[5] Dalam kasus ini, gaya hambat kira-kira sebanding dengan kecepatan, tapi arahnya
berlawanan. Persamaan untuk tahanan kekentalan adalah:[6]
dimana:
adalah sebuah konstanta yang tergantung pada sifat-sifat fluida serta dimensi
objek, dan
adalah kecepatan objek.
Saat sebuah objek jatuh dari tumpuan, kecepatannya akan menjadi
yang secara asimtotik mendekati kecepatan terminal
yang lebih berat jatuh lebih cepat.
. Untuk sebuah
tertentu, objek
Untuk kasus spesial dimana objek berbentuk bola yang kecil bergerak perlahan-lahan melalui
sebuah zalir (fluida) kental (dan dengan begitu pada bilangan Reynolds yang kecil), George
Gabriel Stokes membuat sebuah rumus untuk tetapan gaya hambat,
dimana:
adalah radius Stokesnya partikel, dan
adalah viskositas fluida.
Sebagai contoh, bayangkan sebuah bola kecil berjari-jari
= 0,5 mikrometer (diameter =
1.0 µm) yang sedang bergerak melalui air pada kecepatan
10 µm/s. Menggunakan 10−3
Pa·s sebagai viskositas air dalam satuan SI, ditemukan bahwa gaya hambatnya 0,09 pN. Ini
mengenai gaya hambat yang dialami bakteri yang berenang di air.
[sunting] Gaya hambat dalam aerodinamika
[sunting] Gaya hambat parasit
Gaya hambat parasit (yang juga disebut gaya seret parasit atau seretan parasit) merupakan
gaya hambat yang disebabkan oleh pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida.
Gaya hambat parasit tersusun dari begitu banyak komponen, yang terbesar adalah seretan
bentuk. Gesekan permukaan serta seretan interferensi juga merupakan komponen
utamanya gaya hambat parasit
Dalam ilmu penerbangan, gaya hambat imbas cenderung lebih besar pada kecepatan yang
lebih pelan karena dibutuhkan sudut serang yang tinggi untuk mempertahankan gaya angkat,
menciptakan lebih banyak lagi seretan. Namun, ketika kecepatan meningkat sehingga gaya
hambat imbas berkurang, gaya hambat parasit malah meningkat sebab fluida mengalir lebih
cepat di sekeliling objek yang menonjol sekaligus meningkatkan gaya hambat maupun gaya
gesek. Bahkan pada kecepatan yang lebih tinggi dalam transonik, gaya hambat gelombang
masuk dalam perhitungan. Setiap bentuk gaya hambat itu mengalami perubahan proporsi
terhadap satu sama lain berdasarkan pada kecepatan. Dengan begitu kurva gaya hambat total
gabungan memperlihatkan nilai yang minimal pada sejumlah kecepatan udara – pesawat yang
terbang pada kecepatan ini akan berada pada atau mendekati efisiensi tertingginya. Pilot akan
menggunakan kecepatan ini untuk memaksimalkan ketahanan (konsumsi fuel minimal), atau
memaksimalkan jarak luncur ketika terjadi kerusakan pada mesin.
[sunting] Gaya hambat imbas
Dalam aerodinamika, gaya hambat imbas atau gaya seret vortek merupakan sebuah gaya
hambat yang terjadi saat sebuah badan angkat atau sayap menghasilkan gaya angkat dalam
jangka waktu terbatas. Sedangkan parameter lainnya tetap sama, sudut serangan dan gaya
hambat imbas yang meningkat.
[sunting] Gaya hambat gelombang dalam transonik dan aliran supersonik
Bentuk umum dari persamaan kecepatan tinggi berlaku lumayan baik bahkan pada kecepatan
yang mendekati atau melebihi kecepatan suara, namun, faktor Cd berubah dengan kecepatan,
dalam sebuah cara yang tergantung pada sifat objek.
Pada umumnya, di atas Mach 0.85 koefisien hambatan meningkat sampai sebuah nilai
beberapa kali lipat lebih tinggi pada Mach 1.0, dan lalu menurun lagi pada kecepatan yang
lebih tinggi, cenderung pada sebuah nilai mungkin 30% lebih tinggi daripada kecepatan
subsonik. Hal ini disebabkan oleh terciptanya gelombang kejut yang menghasilkan gaya
hambat gelombang.