Chapter II

BAB
B2
TIN
NJAUAN P
PUSTAKA
A
2.1. Komp
posit
Material T
Teknik sebaggai bahan strruktur dikennal dalam em
mpat klasifiikasi
Struktur bbahan
Logam
Polimer
Keramik
Kompossit
konvensioonal
Rekayaasa Teknoloogi
Gambar 2..1 Klasifikaasi Material Teknik
Komposit adalah mateerial multiphhase. Namuun kebanyakkan komposiit tersusun dari
d 2
phasa, dim
mana salah saatu phasa peenyusunya ddisebut denggan nama m
matrik yang ssecara
kontinu meengisolasi fa
fasa lainnya yang dikenaal dengan nnama penguaat.
2.1.1 Klasifikasi Kom
mposit
1. Kompossit serat (fibrricus compoosite) yaitu komposit yaang terdiri ddari serat daan
matriks (bahan dasaar) yang dipproduk secarra fabrikasi,, misalnya serat
s
+ resinn
sebagai bahan perekkat.sebagai contoh adallah FRP (fibber reinforcceplastik) plastik
diperkuat dengan seerat dan bannyak digunaakan. Yang ssering disebbut fiber glaass.
2. Kompossit Lapis (laaminated com
mposite) yaitu komposiit yang terdiiri dari lapissan dan
matriks,, yaitu lapisan yang dipperkuat olehh resin sebaggai contoh pplywood,
Universitas Sumatera Utara
laminated glass yang sering digunakan sebagai bahan bangunan dan
kelengkapannya.
3. Komposit partikel (particulate composite) yaitu komposit yang terdiri dari partikel
dan matriks yaitu butiran (batu, pasir) yang diperkuat dengan semen yang kita
jumpai sebagai beton.
2.1.2 Kelebihan Bahan Komposit
Sifat-sifat mekanikal dan fisikal:
1. Pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting
dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit.
2. Gabungan matriks dan serta dapat menghasilkan komposit yang mempunyai
kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan konvensional seperti keluli.
3. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan
bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks
penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik
yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit
yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam.
Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri pembuatan
seperti automobile dan angkasa lepas.Ini karena berhubungan dengan
penghematan bahan bakar.
4. Dalam industri angkasa lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikan
komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti
komposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik terutamanya komposit
yang menggunakan serat karbon.
5. Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah rintangan terhadap kakisan yang
lemah terutama produk yang kebutuhan sehari-hari. Kecendrungan komponen
logam untuk mengalami kakisan menyebabkan biaya pembuatan yang tinggi.
6. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya guna)
yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang dapat
dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan.
Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan matriks untuk
menghasilkan komposit hibrid.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sayap
Sayap (pesawat) adalah airfoil yang disambungkan di masing-masing sisi fuselage
dan merupakan permukaan yang mengangkat pesawat di udara.Terdapat berbagai
macam rancangan sayap, ukuran dan bentuk yang digunakan oleh pabrik
pesawat.Setiap rancangan sayap memenuhi kebutuhan dari kinerja yang diharapkan
untuk rancangan pesawat tertentu.Sayap dapat dipasang di posisi atas, tengah atau
bawah dari fuselage.Rancangan ini disebut high-, mid- dan low-wing.Jumlah sayap
juga berbeda-beda. Pesawat terbang dengan satu set sayap disebut monoplan
sedangkan pesawat terbang dengan dua set sayap disebut biplane.
Gambar 2.2 Sayap Pesawat
Banyak pesawat dengan sayap di atas (high-wing) mempunyai tiang penahan di luar
atau disebut dengan wing-strut yang menyerap beban penerbangan dan pendaratan
dari strut ke struktur fuselage. Karena biasanya wing-strut ini tersambung di tengah
sayap, tipe struktur sayap ini disebut semi-cantilever. Beberapa high-wing dan
sebagian besar low-wing mempunyai rancangan full-cantilever yang dirancang untuk
menahan beban tanpa tambahan strut di luarnya. Struktur utama dari bagian sayap
Universitas Sumatera Utara
adalah spar, rib dan stringer. Semua itu kemudian diperkuat oleh truss, I-beam,
tabung atau perangkat lain termasuk kulit pesawat. Rib menentukan bentuk dan
ketebalan dari sayap (airfoil).Pada sebagian besar pesawat modern, tanki bahan bakar
biasanya adalah bagian dari struktur sayap atau tangki yang fleksibel yang dipasang
di dalam sayap.Pada pesawat-pesawat kecil wing umumnya hanya dilengkapi dengan
aileron, spoiler dan flap. Hal itu dinilai cukup karena beban kerja pilot dan
mekanismenya pun tidak terlalu berat. Namun lain halnya dengan pesawat besar,
tanpa adanya bidang-bidang kendali tambahan akan menjadikan pesawat
uncontrollable atau sulit sekali bahkan mungkin mustahil untuk dikendalikan. Bagian
bagian yang terdapat pada sayap ada 10 bagian dengan fungsi seperti diprlihatkan
pada gambar 2.3 sebagai berikut:
1. Winglet, merupakan bidang tambahan pada pesawat-pesawat tertentu untuk
mengurangi terjadinya turbulensi pada wing tip.
2. Low-speed aileron, sebagai kemudi gerak bank dan roll dalam kondisi
gerakan pesawat yang lambat atau dalam kondisi terbang dimana hanya
dibutuhkan sedikit bank.
3. High-speed aileron, aileron ini digunakan dalam kondisi dimana
memerlukan respon gerak yang cepat dari aileron terhadap pergerakan
bank pesawat.
4. Flap track fairing, adalah batang/fairing yang dipasang untuk jalan atau
track dari flap agar ketika flap itu dikeluarkan maka akan mengikuti
tracknya.
5. Kruger flaps, yaitu flap yang tereletak pada leading edge, yang fungsinya
sebagai penambah luas sayap dan memperbesar lift namun juga sekaligus
memperbesar drag.
6. Slats, merupakan flap yang terletak di leading adge dengan fungsi yang
sama.
Universitas Sumatera Utara
7. Three
T
slotteed inner flapp, flap yang letaknya mendekati
m
wiing root.
8. Three
T
slotteed outer flapp, flap yang letaknya m
mendekati wiing tip.
9. Spoilers,
S
fuungsinya iaalah untuk merusak llift, dalam artian diggunakan
b
biasanya
paada saat seteelah landing untuk menggurangi lift..
10. Spoilers-air
S
r brakes, yaitu
y
spoileer yang beerfungsi meengurangi llift dan
m
memperbes
ar drag sehhingga pesaw
wat seperti di rem karena gerak pesawat
p
t
tertahan
oleeh drag yangg dihasilkann.
Gam
mbar 2.3 Baagian Bagiann Sayap dann Fungsinyaa
2.2.1 Jen
nis Sayap P
Pesawat Berrdasarkan P
Penempataan Fulselage
Karenaa letak sayapp yang berbeda-beda terhadap keduudukan badaan
pesawaat terbang (ffuselage) maaka pesawatt terbang daapat
dibedakkan menjaddi:
Universitas Sumatera Utara
1. Pesawat terbang parasol adalah pesawat terbang yang sayapnya di
atas
badan
pesawat
yang
ditunjang
dengan
penyangga
sayap (wing-strut).
Gambar 2.4 Jenis Pesawat Bersayap Parasol
1. Pesawat terbang bersayap tinggi (high wing) adalah sayap yang di
pasang langsung di bagian atas badan pesawat terbang.
Gambar 2.5 Jenis Pesawat Bersayap Tinggi (High Wing)
2. Pesawat terbang bersayap tengah (mid wing) adalah sayap yang
pemasangannya di tengah-tengah badan pesawat terbang.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Jenis Pesawat Bersayap Tengah (Mid Wing)
3. Pesawat terbang bersayap bawah (low wing) adalah sayap yang letak
pemasangannya di bagian bawah badan pesawat.
Gambar 2.7 Jenis Pesawat Bersayap Bawah (Low Wing)
2.2.2 Jenis Sayap Pesawat berdasarkan Jumlah Sayap
Jenis sayap pesawat terbang berdasarkan jumlah sayap dibedakan menjadi
:
1. Pesawat terbang bersayap tunggal (monoplane)
Gambar 2.8 Jenis Pesawat Bersayap Tunggal
Universitas Sumatera Utara
2. Pesawat terbang bersayap ganda (biplane)
Gambar 2.9 Jenis Pesawat Bersayap Dua
3. Pesawat terbang bersayap ganda tiga (triplane)
Gambar 2.10 Jenis Pesawat Bersayap tiga (Tripline)
2.2.3 Jenis sayap pesawat terbang berdasarkan bentuk sayap
Selain dari pada kedudukan sayap terhadap badan pesawat, maka
pesawat terbang dapat juga ditinjau dari bentuk sayap.Bentuk sayap sangat erat
hubungannya dengan sifat-sifat aerodinamis dari pesawat terbang yang
bersangkutan, termasuk kemampuan (performance) pesawat terbang tersebut.
Bentuk-bentuk sayap tersebut adalah sebagai berikut :
1. Sayap lurus (straight wing/rectangular wing)
2.
Sayap sapu ke belakang (swept back wing)
3.
Sayap segi tiga (delta wing)
4.
Sayap tirus (tapered wing)
Universitas Sumatera Utara
5.
Sayap bentuk variable geometric
6.
Sayap sapu ke depan (swept forward wing).
Gambar 2.11 Bentuk Bentuk sayap
2.2.4 Struktur Sayap
Struktur utama dari bagian sayap adalah spar, rib dan stringer. Semua itu
kemudian diperkuat oleh truss, I-beam, tabung atau perangkat lain termasuk kulit
pesawat. Rib menentukan bentuk dan ketebalan dari sayap.
Gambar 2.12 Struktur Sayap
Universitas Sumatera Utara
Pada sebagian besar pesawat modern, tanki bahan bakar biasanya adalah bagian
dari struktur sayap atau tangki yang fleksibel yang dipasang di dalam sayap.
Di sisi belakang atau trailing edge dari sayap, ada 2 tipe permukaan
pengendali (control surface) yang disebut aileron dan flap.Aileron (bidang
kemudi) biasanya dimulaidari tengah-tengah sayap ke ujung sayap (wingtip) dan
bekerja dengan gerakan yang berlawanan untuk menghasilkan pengaruh gaya
aerodinamika pada sayap. Sedangkan flap dipasang pada bagian trailing
edge dengan posisi yang simetris terhadap fuselage. Flap sama rata dengan
permukaan sayap pada waktu pesawat terbang menjelajah. Pada waktu diturunkan
flap bergerak dengan arah yang sama ke bawah untuk menambah gaya angkat
sayap di saat kinerja pesawat pada kecepatan rendah khususnya saat lepas landas
atau mendarat.
2.3 Metode Elemen Hingga
Metode elemen hingga merupakan prosedur numerik yang digunakan untuk
mencari solusi dalam berbagai permasalahan keteknikan.Dalam masalah ini, metode
elemen membagi permasalahan (suatu sistem yang kompleks) tersebut menjadi
bagian-bagian kecil yang disebut elemen.Permasalahan keteknikan yang dapat
disimulasi antara lain adalah permasalahan tegangan, ragangan, perpindahan panas,
elektromagnetik, dan aliran fluida.
Secara umum permasalahan keteknikan menyangkut permasalahan matematika
dan fisika. Permasalahan matematis itu sendiri menyangkut persamaan diferensial
(differential equation) yang berhubungan dengan inisiasi dan kondisi batas.
Persamaan diferensial diperoleh dengan cara mengaplikasikan implementasi hokumhukum dasar alamiah dari system.
Universitas Sumatera Utara
Sifat-sifat alamiah dapat berupa sifat-sifat mekanis dan fisika seperti modulus
elastisitas, konduktifitas panas, dan viskositas yang tergantung pada variasi dan
karakteristik alamiahnya.Namun begitu, tidak semua permasalahan keteknikan dapat
diselesaikan secara ilmiah dengan tepat yang mungkin disebabkan oleh persamaan
diferensial dari kondisi alamiah yang bagitu kompleks maupun kesulitan dalam
penentuan inisiasi dan kondisi batas yang harus dipenuhi.Metode elemen hingga
menggunakan formulasi integral untuk membuat suatu system aljabar.Sebuah
pendekan dilakukan dengan fungsi-fungsi berkesinambungan (continue) yang
diasumsikan untuk mempresentasikan solusi pada tiap elemen.Solusi yang lebih
lengkap dapat diperoleh dengan menggabungkan atau membangun solusi-solusi yang
sederhana.
2.4
Metode Hand Lay Up
Hand lay up atau contact molding adalah proses yang paling tua dan paling mudah
untuk membentuk plastik yang diperkuat serat. Serat dan resin ditempatkan pada
cetakan dan udara yang terperangkap dihilangkan dengan alat penyapu atau roller.
Lapisan-lapisan serat dan resin ditambahkan sebagai penambah untuk ketebalan. Jika
lapisan dengan kualitas tinggi yang diinginkan, gelcoat (resin dengan permukaan
yang diberi pewarna) ditambahkan pada cetakan sebelum lay-up.Lay-up biasanya
dilakukan pada temperature kamar, tetapi panas bisa digunakan untuk mempercepat
curing. Resin yang biasanya digunakan dalam handlay-up adalah polyesters dan
epoxies. Polyester disukai karena biaya yang rendah, luas penggunaannya, dan
Universitas Sumatera Utara
kemudahan dalam penanganannya. Sedangkan epoxies lebih mahal dan lebih sukar
dalam perumusannya. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.13 sebagai berikut:
Gambar 2.13. Metode Hand Lay Up
Kelebihan penggunaan metoda ini adalah sebagai berikut:
1. Mudah dilakukan
2. Cocok di gunakan untuk komponen yang besar
3. Volumenya rendah
Proses hand lay-up biasanya dilakukan dengan tahap-tahap sebagai berikut:
1. Persiapan cetakan
Bagian-bagian cetakan dibuat dari cairan pelepas (releasefilm) dipoles
dipermukaan cetakan.
2. Gel coating
Tahap ini meliputi pelapisan resin yang nantinya akan menjadi lapisan luar
laminate ketika telah terbentuk. Lapisan ini hanya dibutuhkan ketika
diinginkan hasil akhir permukaan yang baik.
Universitas Sumatera Utara
3. Hand lay-up
Serat dimasukkan. Resin dan hardener (sebagai pengeras) kemudian akan
bercampur dan untuk memastiakan bahwa udara telah dihilangkan, digunakan
roller untuk menekan material agar rata dengan cetakan.
4. Finishing
Pada tahap ini komposit dapat sepenuhnya dikeraskan dan dapat dilakukan
proses machining.
2.5
Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynold adalah bilangan yang tidak berdimensi yang merupakan hubungan
antara massa jenis ( ρ ), viskositas dinamik ( µ ) dan kecepatan rata-rata (v) dari suatu
fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam (di). dengan rumus sebagai berikut:
. .
Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan tipe aliran, apakah aliran tersebut
laminar atau turbulen, serta relatif diantaranya (transisi). Jika nilai dari bilangan
Reynold, dibawah 2300, maka aliran tersebut adalah laminar dan jika nilai dari
bilangan Reynold di atas 4000, maka aliran terResebut adalah turbulen. Sedangkan
nilai diantara 2300 – 4000 menunjukkan aliran transisi.
2.6
Gaya Angkat dan Gaya Hambat
Gaya angkat (lift) dihasilkan oleh permukaan sayap yang dirancang agar tekanan
udara di atas permukaan lebih kecil dari pada di bagian bawah.Suatu pernyataan
Vinci yang begitu visioner adalah metode separasi. Sekitar 1500 tahun yang lalu da
Vinci telah mengemukakan bahwa untuk bisa terbang cukuplah dilakukan dengan
Universitas Sumatera Utara
sayap tetap dan memberinya gaya dorong (drag). Hal ini didasari dari hasil
pengamatannya dari teknik burung untuk terbang.
Menurutnya, sayap burung terdiri dari dua bagian yang memiliki fungsi masingmasing. Bagian pangkal sayap burung yang relatif tetap (fixed) berfungsi
membangkitkan gaya angkat. Sedangkan bagian ujung sayap burung berfungsi untuk
mengepak dan membangkitkan gaya dorong. Separasi gaya menjadi gaya angkat dan
gaya dorong inilah yang sampai sekarang dipakai untuk menciptakan mesin terbang.
Seperti yang diperlihatkan gambar 2.13 yang menggambarkan 4 gaya yang bekerja
pada pesawat sebagai berikut:
Gambar 2.14. Gaya yang bekerja pada pesawat
Sumber : Federasi Aerosport Indonesia Aeromodelling
Rumus untuk menghitung lift dan drag sebagai berikut:
……………………………………………… (2.1)
Universitas Sumatera Utara
………………………………………………(2.2)
Dimana:
L
= Gaya Angkat (N/s)
D
= Gaya Hambat (N/s)
C
= Coefficient of lift
C
= Coefficient of drag
= Densitas udara (kg/m³)
V
= Kecepatan udara (m/s)
A
= Luas penampang sayap (m²)
2.7
Azas Bernauli
Kecepatan udara besar menimbulkan tekananudara yang kecil, sehingga tekanan
udara dibawah sayap (v2) menjadi lebih besar dari sayappesawat bagian atas (v1).
Sehingga akan timbul gaya angkat (lift) yang menjadikan pesawat itu bias terbang.
Hal ini menyebabkan tekanan udara dari atas sayap (P1) lebih kecil dari ada tekanan
di bawah sayap (P2) sehingga gaya dari bawah (F2) lebih besar dari pada gaya dari
atas (F1) maka timbullah gaya angkat pesawat.
Universitas Sumatera Utara
Penerapan Hukum Bernoulli untuk mendesain pesawat terbang.Pesawat terbang
dirancang sedemikian rupa sehingga hambatan udaranya sekecilmungkin. Pesawat
pada saat terbang akan menghadapi beberapa hambatan, diantaranyahambatan udara,
hambatan karena massa badan pesawat itu sendiri, dan hambatan padasaat menabrak
awan. Setelah dilakukan perhitungan dan rancangan yang akurat danteliti, langkah
selanjutnya adalah pemilihan mesin penggerak pesawat yang mampumengangkat dan
mendorong badan pesawat.
Karena tekanan diatas lebih kecil daripada tekanan dibawah sayap, maka akan
timbul gaya dorong yang lebih besar dibawah sayap. Gaya angkat memenuhi
persamaan sebagai berikut:
F
P. A
₂
₁ maka akan diperoleh: F
²₁
²₂
1
. ₁²
2
sehingga ₁
₂
₂
₂, maka tekanan pada pesawat menjadi:
1
.
2
₁
1
. ₂²
2
₂²
1
. ₂²
2
konstan
₁² ………………………………………(2.3)
Dimana:
F
= Gaya angkat pesawat (N)
Universitas Sumatera Utara
P₁
= Tekanan dari bawah pesawat (Pa)
P₂
= Tekanan dari atas Pesawat (Pa)
v₁
= Kecepatan udara di bawah pesawat (m/s)
v₂
= Kecepatan udara diatas pesawat (m/s)
= Massa jenis udara (kg/m³)
A
2.8
= Luas penampang (m²)
Tegangan
Apabila sebuah batang atau plat dibebani sebuah gaya maka akan terjadi gaya reaksi
yang sama dengan yang arah berlawanan. Gaya tersebut akan diterima sama rata oleh
setiap molekul pada bidang penampang batang tersebut. Jadi tegangan adalah suatu
ukuran intensitas pembebanan yang dinyatakan oleh gaya dan dibagi oleh luas di
tempat gaya tersebut bekerja. Tegangan ada bermacam-macam sesuai dengan
pembebanan yang diberikan.
Komponen tegangan pada sudut yang tegak lurus pada bidang ditempat bekerjanya
gaya disebut tegangan langsung. Pada pembebanan tarik akan terjadi tegangan tarik
maka pada beban tekan akan terjadi tegangan tekan. Biasanya dinyatakan dalam
bentuk persentasi atau tidak dengan persentasi.Besarnya tegangan menunjukkan
apakah bahan tersebut mampu menahan perubahan bentuk sebelum patah. Makin
besar tegangan suatu bahan maka bahan itu mudah dibentuk (Srinivasan,2006). Maka,
rumus tegangan adalah:
σ = ............................................................................(2.4)
dimana:
F = gaya (Newton)
A = luas penampang awal (mm2)
Universitas Sumatera Utara
22.9
Regaangan
Regangan adalah suatuu bentuk tannpa dimensii untuk mennyatakan perrubahan
bentuk.Biaasanya dinyaatakan dalam
m bentuk peersentasi ataau tidak denngan
persentasi.Besarnya reegangan meenunjukkan apakah bahaan tersebut mampu mennahan
perubahan bentuk sebelum patah.. Makin besar regangann suatu bahaan maka bahhan itu
mudah dibbentuk (Srinivasan,20066). Maka, ruumus reganggan adalah:
∈
.........................................................................................................(2.55)
dimana:
Lo = panjaang mula-muula (mm)
Δ L = perppanjangan (m
mm)
2.10
Hu
ukum Newton
2.10.1 Hukum
m Newton 1
Huukum ini menyatakan baahwa jika reesultan gayaa (jumlah veektor dari seemua
gayya yang bekkerja pada beenda) bernillai nol, makka kecepatann benda terseebut
konnstan. Dirum
muskan secaara matemattis menjadi:
1. Sebuahh benda yang sedang diam akan tettap diam keccuali ada ressultan
gaya yaang tidak nool bekerja paadanya.
2. Sebuahh benda yang sedang beergerak, tidaak akan beruubah kecepaatannya
kecualii ada resultaan gaya yangg tidak nol bekerja
b
padanya.
Universitas Sumatera Utara
Huukum pertam
ma newton aadalah penjeelasan kembbali dari hukkum inersia yyang
suddah pernah ddideskripsikkan oleh Gaalileo.Dalam
m bukunya Newton
N
memberikan penghargaann pada Galileo untuk huukum ini.Arristoteles
berrpendapat baahwa setiap benda mem
milik tempatt asal di alam
m semesta bbenda
berrat seperti baatu akan berrada di atas tanah dan benda
b
ringann seperti asaap
berrada di langiit. Bintang-bbintang akan tetap beraada di surga. Ia mengiraa
bahhwa sebuah benda sedaang berada ppada kondisii alamiahnyya jika tidak
berrgerak, dan uuntuk satu bbenda bergeerak pada gaaris lurus deengan kecepatan
konnstan diperluukan sesuattu dari luar bbenda tersebbut yang terrus mendoroongnya,
kallau tidak bennda tersebutt akan berheenti bergerakk. Tetapi Galileo menyyadari
bahhwa gaya diiperlukan unntuk mengubbah kecepattan benda teersebut
(peercepatan), tapi
t untuk m
mempertahannkan kecepaatan tidak diiperlukan gaaya.
Sam
ma dengan hhukum pertaama Newtonn Tanpa gaaya berarti tiidak ada
perrcepatan, maaka benda bberada pada kecepatan kkonstan.
m Newton 2
2.10.2 Hukum
Huukum kedua menyatakann bahwa tottal gaya padda sebuah paartikel samaa
denngan banyakknya perubaahan momenntum linierp
p terhadap w
waktu :
Karrena hukum
mnya hanya bberlaku untuuk sistem deengan massa konstan,
varriabel massaa (sebuah koonstan) dapaat dikeluarkkan dari operrator diferennsial
denngan mengggunakan aturran diferenssiasi. Maka:
Denngan F adallah total gayya yang bekkerja, m adallah massa beenda, dan a adalah
perrcepatan bennda. Maka total gaya yaang bekerja pada suatu benda
menghasilkan percepatan yang berbannding lurus.. Massa yanng bertambaah atau
berrkurang darii suatu sistem
m akan menngakibatkann perubahan dalam
moomentum. Peerubahan m
momentum inni bukanlah akibat dari gaya. Untukk
Universitas Sumatera Utara
menghitung sisstem dengann massa yanng bisa beruubah-ubah, ddiperlukan
perrsamaan yanng berbeda. Sesuai denggan hukum pertama, turrunan momentum
terhhadap waktuu tidak nol kketika terjaddi perubahann arah, walaaupun tidak terjadi
perrubahan besaran.Contohhnya adalahh gerak meliingkar beratturan. Hubunngan
ini juga secaraa tidak langssung menyattakan kekekkalan momeentum ketikaa
resuultan gaya yyang bekerjaa pada bendda nol, mom
mentum bendda tersebut
konnstan. Setiapp perubahann gaya berbaanding luruss dengan peerubahan
moomentum tiaap satuan waaktu.
Huukum kedua ini perlu peerubahan jikka relativitass khusus dipperhitungkann,
karrena dalam kkecepatan saangat tinggii hasil kali massa
m
dengaan kecepatann tidak
mendekati mom
mentum sebbenarnya.Im
mpulsJ munccul ketika seebuah gayaF
F
bekkerja pada suuatu intervaal waktu Δt, dan dirumuuskan sebaggai berikut:
Imppuls adalah suatu konseep yang diguunakan untuuk menganaalisis tumbukkan.
Sistem dengann massa beruubah, sepertti roket yangg bahan bakkarnya digunnakan
dann mengeluarrkan gas sisaa, tidak term
masduk dalaam sistem teertutup dan tidak
t
dappat dihitung dengan hannya mengubbah massa m
menjadi sebuuah fungsi ddari
wakktu di hukum
m kedua.[14]] Alasannyaa, seperti yanng tertulis ddalam An
Intrroduction too Mechanicss karya Klep
ppner dan Kolenkow,
K
adalah bahw
wa
hukkum kedua Newton
N
berrlaku terhadap partikel-partikel seccara mendasar.
Padda mekanikaa klasik, parrtikel memilliki massa yyang konstannt. Dalam kasus
k
parrtikel-partikel dalam suatu sistem yyang terdefinnisikan dengan jelas, huukum
New
wton dapat digunakan ddengan mennjumlahkan semua partikel dalam ssistem:
Universitas Sumatera Utara
dennganFtotal addalah total ggaya yang beekerja pada sistem, M aadalah total massa
darri sistem, daan apm adalahh percepatann dari pusatt massa sisteem.
Sistem dengann massa yangg berubah-uubah seperti roket atau ember
e
yangg
berrlubang biassanya tidak ddapat dihituung seperti ssistem partikkel, maka huukum
keddua Newtonn tidak dapatt digunakann langsung. P
Persamaan bbaru digunaakan
unttuk menyeleesaikan soall seperti itu ddengan caraa menata ulaang hukum kkedua
dann menghitunng momentuum yang dibbawa oleh m
massa yang m
masuk atau kkeluar
darri sistem:
Denngan u adallah kecepataan dari masssa yang massuk atau keluar relatif
terhhadap pusatt massa dari obyek utam
ma. Dalam bbeberapa konvensi, besaar
(u ddm/dt) di seebelah kiri ppersamaan, yyang juga diisebut doronngan,
diddefinisikan sebagai
s
gayaa (gaya yangg dikeluarkaan oleh suattu benda sessuai
denngan berubaahnya massaa, seperti doorongan rokeet) dan dimaasukan dalaam
bessarnya F. M
Maka dengann mengubah definisi perrcepatan, peersamaan taddi
menjadi:
2.10.3 Hukum
m Newton 3
Huukum Newtoon Ketigaadalah gaya akksi dan reakksi dari dua benda mem
miliki
bessar yang sam
ma, dengan aarah terbalikk, dan segarris. Artinya jika ada bennda A
yanng memberi gaya sebesar F pada beenda B, makka benda B akan membberi
gayya sebesar –F
– kepada beenda A. F ddan –F memiliki besar yyang sama nnamun
Universitas Sumatera Utara
araahnya berbedda. Hukum ini juga terkkenal sebagaai hukum akksi-reaksi, ddengan
F ddisebut sebagai aksi dann –F adalah reaksinya.
Seccara sederhaananya, sebuuah gaya selalu bekerjaa pada sepassang benda, dan
tidaak pernah hanya pada ssebuah bendda. Jadi untuuk setiap gayya selalu meemiliki
duaa ujung. Settiap ujung gaaya ini samaa kecuali arrahnya yangg berlawanann. Atau
sebbuah ujung ggaya adalah cerminan ddari ujung laainnya.
Seccara matemaatis, hukum
m ketiga ini bberupa persaamaan vektoor satu dimeensi,
yanng bisa ditulliskan sebaggai berikut. A
Asumsikan benda A daan benda B
memberikan gaya terhadaap satu samaa lain.
Denngan
Fa,bb adalah gayya-gaya yanng bekerja paada A oleh B
B, dan
Fb,aa adalah gayya-gaya yanng bekerja paada B oleh A
A.
New
wton mengggunakan hukkum ketiga untuk menuurunkan hukkum kekekaalan
moomentum, naamun dengaan pengamattan yang lebbih dalam, kkekekalan
moomentum addalah ide yanng lebih menndasar diturrunkan melaalui teoremaa
Noether dari reelativitas Gaalileo dibanndingkan hukkum ketiga,, dan tetap berlaku
b
padda kasus yanng membuatt hukum kettiga newtonn seakan-akaan tidak berllaku.
Misalnya ketikka medan gaaya memilikki momentum
m, dan dalaam mekanikaa
kuaantum.
2.11
Ap
plikasi Padaa Sayap Pessawat
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15. Penam
mpang Pesaw
wat 1
Udara akann mengalir melewati
m
baagian atas saayap dan baagian bawahh sayap.
Sebenarnyya bukan udaara yang meengalir melewati sayapp pesawat, taapi sayap
pesawatlahh yang majuu menembuss udara. Tappi kita akan mengasumssikan aliran ini
dengan gam
mbar sayap yang diam. Dengan beentuk yang melengkung
m
g di atas, maaka
aliran udarra di atas sayyap membuutuhkan jarakk yang lebihh panjang dan membuaatnya
mengalir leebih cepat ddibandingkaan dengan alliran udara ddi bawah saayap pesawaat.
Karena keccepatan udaara yang lebih cepat di aatas sayap, m
maka tekanaannya akan lebih
rendah dibbandingkan dengan
d
tekaanan udara yyang mengaalir di bawahh sayap. Tekkanan
di bawah ssayap yang llebih besar akan
a
mengaangkat sayapp pesawat dan
d disebut ggaya
angkat/lift.
Gambar 2.16 Penam
mpang Pesaw
wat 2
Karena itu, kecepatan pesawat haarus dijaga ssesuai dengaan rancangannya. Jika
kecepatannnya turun m
maka lift nya akan berkuurang dan peesawat akann jatuh, dalam
m ilmu
penerbangan disebut stall.
s
Kecepatan minimuum ini disebbut Stall Speeed. Jika
Universitas Sumatera Utara
kecepatan pesawat meelebihi rancaangannya m
maka juga akkan terjadi sstall yang
dinamakann high speedd stall. Terbaang straightt dan level (lurus
(
dan daatar) dapat
dipertahannkan mulai ddari terbang dengan keccepatan renddah sampai dengan keceepatan
tinggi. Pennerbang haruus mengaturr angle of atttack dan thrrust dalam ssemua jangkkauan
kecepatan (speed regim
m) jika pesaawat harus dditahan di ketinggian teertentu (leveel
flight).
Gambar 2..17Kemiringgan sayap ppesawat
d
kan dalam 3 daerah (reegim),
Secara kassar jangkauaan kecepatann ini dapat dikelompokk
kecepatan rendah (low
w-speed), meenjelajah (cruising flighht), dan kecepatan tingggi
(highspeedd).Lift dan drag
d
yang teersedia padaa bermacam--macam keccepatan padaa saat
pesawat terbang datar dan tidak bberakselerasi, proporsi C
CL (Coefficient of Lift) dan
CD (Coeffi
ficient of Drrag) dapat diihitung padaa setiap anggle of attack tertentu. Haasil
plotting unntuk rasio lifft/drag (L/D
D) pada anglle of attack ttertentu mennunjukkan bbahwa
L/D bertam
mbah ke maksimum kem
mudian berkkurang padaa koefisien llift dan anglle of
attack yangg lebih besaar seperti terrlihat pada gambar.
g
Perrhatikan bahhwa maksim
mum
rasio lift/drrag (L/D maax) terjadi pada
p
angle oof attack dann koefisien yang tertenttu. Jika
pesawat beeroperasi paada penerbanngan yang stabil
s
pada L/D
L max, m
maka total drag
adalah minnimum. Anggle of attackk apapun yanng lebih keccil atau lebihh besar dari yang
ada di L/D
D max akan mengurangi
m
i rasio lift/drrag dan konnsekwensinyya menambaah total
drag dari gaya
g
angkatt yang diberiikan pada pesawat. Sepperti diperlihhatkan padaa
gambar 2.118 berikut inni:
Universitas Sumatera Utara
Gam
mbar 2.18 Suudut Serangg
2.12
Airf
rfoil NACA
A (National A
Advisory Co
Committee foor Aeronautics)
NACA airffoil adalah ssalah satu bentuk bodi aaerodinamikka sederhanna yang bergguna
untuk dapaat memberikkan gaya angkat tertentuu terhadap ssuatu bodi laainnya dan dengan
bantuan peenyelesaian matematis sangat
s
mem
mungkinkan untuk mem
mprediksi berrapa
besarnya ggaya angkat yang dihasiilkan oleh suuatu bodyaiirfoil. Geom
metri airfoil
memiliki ppengaruh beesar terhadapp karakteristtik aerodinaamika dengaan parameteer
penting berupa CL, daan kemudiann akan terkaait dengan lif
ift (gaya anggkat yang
dihasilkan)). Sampai seekitar Peranng Dunia II, airfoil yangg banyak diggunakan adaalah
hasil riset Gottingen.S
G
Selama perioode ini banyyak pengajuuan arifoil diilakukan
diberbagaii negara, nam
mun hasil riiset NACA llah yang paaling terkem
muka. Pengujjian
yang dilaku
kukan NACA
A lebih sisteematik denggan membaggi pengaruh efek
kelengkunggan dan disttribusi ketebbalan atau thhickness serrta pengujiaannya dilakuukan
pada bilanggan Reynold yang lebihh tinggi dibaanding yangg lain. Hal inni sering
dirangkum
m oleh beberrapa parameeter seperti: ketebalan maksimum,
m
m
maksimum
bentuk
melengkunng, posisi m
maksimum keetebalan, poosisi maksim
mum bentukk melengkunng, dan
hidung jarii-jari. Suatuu airfoil terddiri dari sepeerti yang dipperlihatkan ppada gam 2.19
2
sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
1. Perrmukaan ataas (Upper Suurface)
2. Perrmukaan baw
wah (Lowerrer Surface))
3. Meean camber line adalahh tempat keddudukan titiik-titik antaara permukaaan atas
dann bawah airrfoil yang diukur tegaak lurus terrhadap meaan camber lline itu
senndiri.
4. Leaading edge adalah titiik paling depan pada mean cambber line, biiasanya
berrbentuk linggkaran dengaan jari-jari m
mendekati 00.02c
5. Traailing edge adalah
a
titik paling belakkang pada mean
m
cambeer line
6. Cam
mber adalahh jarak maaksimum anntara mean camber linne dan gariss chord
yanng diukur teegak lurus teerhadap gariis chord.
7. Kettebalan (thiickness) addalah jarak antara perm
mukaan ataas dan perm
mukaan
baw
wah yang diiukur tegak lurus terhaddap garis chord.
G
Gambar
2.199 NACA 24412 airfoil ggeometry
2.13
Kaarakteristik
k Airfoil
Gaya angkkat pada airffoilbergantuung pada koeefisien gayaa angkat yanng dihasilkaan oleh
airfoil terseebut. Koefissien gaya anngkat (Cl) diipengaruhi ooleh disain bbentuk cam
mber
dari airfoill. Cl yang diihasilkan oleeh suatu airffoil bervariaasi secara linnear dengann sudut
Universitas Sumatera Utara
serang (α) tertentu. Kemiringan garis ditandai dengan 0a yang disebut lift slope. Pada
daerah ini aliran udara bergerak dengan mulus dan masih menempel pada hampir
seluruh permukaan airfoil. Dengan bertambah besarnya α, aliran udara cenderung
untuk separasi dari permukaan atas airfoil, membentuk ulakan besar dead airdi
belakang airfoil. Pada aliran separasi ini, aliran urdara berputar dan sebagian aliran
bergerak ke arah yang berlawanan dengan aliran freestream disebut juga reversed
flow. Aliran yang berpisah merupakan efek dari viskositas. Konsekuensi dari
perpisahan aliran pada α tinggi adalah pengurangan gaya angkat atau Cl dan
bertambah besarnya gaya hambat akibat pressure drag, kondisi ini disebut kondisi
stall. Harga maksimum dari cl berada pada tepat sebelum kondisi stall yang
dilambangkan dengan Clmax. Clmax merupakan aspek paling penting dari performa
airfoil, karena menentukan kecepatan stall pesawat udara khususnya saat fasa terbang
kritis yaitu terbang tinggal landas dan mendarat. Seperti diperlihatkan pada gambar
2.20 berikut ini:
Berikut ini adalah proses terbentuknya gaya angkat:
1. Aliran udara mengalir melalui airfoil terpecah dua menjadi aliran di atas dan
bawah permukaan airfoil.
2. Di trailing edge kedua aliran bersatu lagi. Namun karena perbedaan sudut
arah datangnya kedua aliran tersebut, maka akan terbentuk suatu pusaran yang
disebut starting vortex, dengan arah putaran berlawanan arah putar jarum jam.
3. Karena momentum putar awal aliran adalah nol, maka menurut hokum
kekekalan momentum, harus timbul pusaran yang melawan arah putar starting
vortex ini. Pusaran ini berputar searah putaran jarum jam mengelilingi airfoil
dan dinamakan bound vortex.
4. Starting vortexakan bergeser ke belakang karena gerak maju pesawat.
5. Akibat adanya bound vortex ini, aliran di atas permukaan akan mendapat
tambahan kecepatan, dan aliran di bawah permukaan akan mendapat
pengurangan kecepatan.
Universitas Sumatera Utara
6. Karrena terjadii perbedaann kecepatan itulah, sesuuai dengan hokum Beernoulli,
tim
mbul gaya yaang arahnyaa ke atas dann disebut lift
ft (gaya angkkat).
Gam
mbar 2.20 P
Proses Terbeentuknya Gaaya Angkat
2.13.1 Bentuk
k-Bentuk A
Airfoil
Sebbuah airfoil (dalam bahhasa Inggris Amerika) aatau aerofoill (di British bahasa
Ingggris) adalahh bentuk sayyap atau pisau (dari baling-baling, rotor atau tuurbin)
atauu berlayar sseperti yang terlihat dalam penamppang. Sebuahh badan airffoil
berrbentuk dipiindahkan meelalui cairann menghasillkan gaya aeerodinamikaa.
Komponen gayya ini tegakk lurus terhaddap arah gerak disebut angkat.
Komponen sejajar dengann arah gerakk disebut tariik. Airfoil penerbangann
subbsonik mem
miliki bentukk karakteristtik dengan teerdepan bullat, diikuti ddengan
trailing edge taajam, seringg dengan keelengkungann asimetris permukaan
p
aatas
dann bawah. Sppesial fungsii serupa yanng dirancangg dengan airr sebagai fluuida
kerrja disebut hhydrofoils.
Berrikut ini adaalah bentuk--bentuk airffoil seperti yyang ditunjuukkan pada gambar
g
2.221.
Universitas Sumatera Utara
Gambar. 2.21 Bentuuk-Bentuk A
Airfoil
2.14
Staabilitas Terrbang
Kecenderuungan (tendeency) dari pesawat
p
untuuk kembali ke
k keadaan seimbang
(equilibriuum) setelah m
mengalami gangguan. G
Gangguan inni dapat berrwujud geraakan
Universitas Sumatera Utara
pesawat dari kontrol pilot dan yang berasal dari sifat alam seperti turbulen,efek gust,
dll.
Lintas terbang (flight path) dan attitudes (sikap ) ketika terbang dibatasi oleh
karakter dari aerodinamis pesawat,sistem propulsi,dan kekuatan struktur. Batasan ini
akan menunjukan maksimum perfom pesawat pada saat melakukan manuverbility.
Untuk itu pesawat memiliki load factor tertentu untuk melakukan kontrolabel
(pengendalian).
Jika pesawat terbang level atau stabil sepanjang dari lintas terbang (flight
path) maka pesawat tersebut dapat dikatakan terbang dengan keseimbangan statis (
static equilibrium). Namun ketika pesawat tersebut mendapatkan gangguan maka
pesawat akan kembali pada keadaan seimbang yang disebut dengan stabilitas.
Stabilas dibagi menjadi 2 dimana ketiganya memilik kondisi yang berbeda yaitu,
stabilitas statis dan dinamis.
Stabilitas statik ini mengacu pada kecenderungan awal atau arah gerakan pesawat
terhadap respon awal ketika terganggu dari perubahan sudut serang (angle of attack),
slip dan ketika pesawat melakukan gerakan bank. Seperti ditunjukkan pada gambar
2.22.
Gambar 2.22 Stabilitas Statik
Universitas Sumatera Utara
Stabilitas dinamikdidefinisikan sebagai kecenderungan awal untuk kembali ke
kondisi seimbang setelah pesawat mengalami gangguan.Gangguan ini dapat diamati
ketika pesawat melakukan perpindahan posisi terhadap waktu gerakan
pesawat.Seperti ditunjukkan pada gambar 2.22.
Gambar 2.23 Stabilitas Dinamik
Stabilitas pesawat terbang mempengaruhi dua kineja pesawat secara signifikan yaitu:
a. Manuverbility pesawat yang memungkinkan untuk bermanuver dengan
mudah dan untuk menahan tekanan yang dikenakan oleh manuver. Hal ini di
pengaruhi oleh berat, inersia, ukuran pesawat dan lokasi kontrol penerbangan,
kekuatan struktural, dan propulsi.
b. Kontrolbility pesawat untuk merespon kontrol pilot, khususnya yang berkaitan
dengan jalur penerbangan dan sikap. Ini adalah kualitas respon pesawat untuk
aplikasi kontrol pilot saat bermanuver pesawat, terlepas dari karakteristik
stabilitas.
Universitas Sumatera Utara