Pendahuluan
1. Aerodynamics berasal dari dua suku kata Latin yaitu “aerios” yang berarti udara dan “dynamis” yang berarti kuat (powerfull). Aerodnamics berarti ilmu yang mempelajari gaya-gaya pada suatu benda (obyek) akibat benda yang bergerak relatif terhadap udara. Perhatian manusia terhadap ilmu aerodinamika sudah dimulai beratus-ratus tahun yang lalu melalui percobaan terbang oleh pioner penerbangan seperti Daedalus, Otto Lilienthal, Icarus dan lain-lain. Namun demikian percobaan terbang menggunakan wahana yang lebih berat dari udara baru mulai dilaksanakan pada awal abad 20 yaitu tanggal 17 Desember 1903 oleh Wright bersaudara. Aerodinamika selain diaplikasikan pada teknologi pesawat terbang, juga roket. Aerodinamika selain mempelajari perilaku udara atau gas lainnya yang bergerak mengalir (dinamik), juga gaya-gaya yang bekerja pada benda yang bergerak relatif terhadap udara/gas tersebut. Aplikasi ilmu aerodnamika antara lain untuk menjelaskan tentang bagaimana pesawat bisa terbang, bekerjanya roket, layang-layang dan sebagainya. Contoh lain adalah kincir yang diputar dengan kekuatan angin, burung dapat terbang dengan sayapnya, semuanya tunduk pada hukum aerodinamika. Sebelum membahas lebih lanjut tentang bagaimana perilaku udara mengalir terhadap suatu obyek (airfoil), lebih dahulu harus mempelajari tentang atmosfer dan sifat-sifanya.
Atmosfer
1.2 Atmosfer adalah lapisan udara atau benda lain yang menyelimuti bumi. Komponen utama atmosfer adalah nitrogen (78.09%), oksigen (20.95%), argon (0.93%), dan karbon dioksida (0.03%). Atmosfer juga mengandung sejumlah kecil ashes (abu), uap air, benda padat, neon, helium, methane, krypton, hidrogen, xenon dan ozon. Belajar tentang atmosfer merupakan bagian dari meteorology atau ilmu tentang cuaca.
Gambar 1-1 : Komposisi atmosfer
Komposisi atmosfer dapat dilihat pada gambar 1-1, sedangkan persentasi serta konsentrasi setiap komponen dalam PPM gas yang ada di atmosfer secara rinci dapat dilihat pada table 1-1 dan table 1-2.
Pada dasarnya, atmosfer terdiri dari lapisan-lapisan yang bisa dilihat pada gambar 1-2.
Gambar 1-2 : Lapisan-lapisan atmosfer
Atmosfer terbagi dalam lapisan-lapisan yang didasarkan pada suhu, komposisi, dan sifat-sifat listriknya. Tebal lapisan bisa selalu berubah dan sangat tergantung pada musim dan posisi tempat di bumi berdasarkan garis lintang.1.3 Lapisan Atmosfer Berdasarkan Komposisi. Lapisan atmosfer didasarkan pada komposisi adalah lapisan homosphere dan heterosphere.
a. Homosphere. Lapisan ini meliputi daerah dengan ketinggian paling rendah 100 km (60 mil), meliputi lapisan troposphere, stratosphere and mesosphere. Lapisan ini berisi 90% dari massa seluruh atmosfer, dan lapisan tidak terbedakan oleh berat molekul. Pada lapisan ini komposisi udara relative homogen, akibat adanya ulakan vertical, turbulensi, dan difusi. Uap air merupakan salah satu komponen yang tidak bisa terbagi merata, karena jika uap air terkena panas akan naik, didinginkan, dan kembali turun menjadi hujan atau salju. Namun sirkulasi ini hanya terjadi di troposphere, sehingga udara pada stratosfer betul-betul kering. Disamping udara, ozon juga tidak bisa terbagi rata dalam setiap lapisan.
b. Heterosphere. Lapisan di atas homosphere adalah heterosphere, yang meliputi lapisan thermosphere dan exosphere. Komponen yang membentuk lapisan ini berdasarkan perbedaan berat molekul. Molekul yang lebih berat seperti nitrogen dan oksigen, akan terkonsentrasi pada bagian paling bawah. Gas helium dan hydrogen yang lebih ringan akan berada di bagian atas..
1.4 Lapisan Berdasarkan Sifat Listrik. Lapisan ini mulai dari ketinggian di atas 100 km (60 mil). Pada lapisan homosphere, sifat atmosfer adalah netral. Pada lapisan out 100 km (60 miles). Pada lapisan ini terdapat ionosphere yang merupakan lapisan yang berisi partikel bermuatan listrik atau ion, yang diakibatkan oleh adanya penyerapan sinar ultra violet (UV). Derajat ionisasi bervariasi tergantung pada ketinggian. Dengan adanya lapisan-lapisan yang berbeda, lapisan ini mampu memantulkan gelombang radio baik gelombang pendek ataupun jauh. Dengan demikian gelombang radio bisa dipancarkan dan diterima di berbagai pelosok dunia. Pada lapisan ini bisa terjadi Aurora Boralis dan Aurora Australis (cahaya di bagian utara dan selatan). Magnetophere merupakan bagian terluar dari ionosphere, yang mencpai ketinggian sampai 64.000 km. Magnetosphere sangat berguna untuk melindungi bumi dari energi tinggi berupa partikel-partikel bermuatan dari angin matahari (solar wind) yang terperangkap oleh medan magnet bumi.
1.5 Lapisan Berdasarkan Suhu. Lapisan-lapisan ini terdiri dari troposphere, stratosphere, mesosphere, thermosphere, dan exosphere.
a. Troposphere. Ketinggian lapisan ini mencapai 16 km di daerah equator dan 9 km di daerah kutub. Kata “tropo” artinya berubah, sehingga perubahan yang selalu terjadi pada lapisan troposphere berpengaruh pada cuaca. Pada lapisan troposphere, suhu menurun pada setiap peningkatan ketinggian. Udara yang terkena panas dari bumi menjadi hangat, kemudian naik ke atas, selanjutnya didinginkan pada suatu ketinggian dan kembali ke bawah. Proses ini disebut konveksi, yang menghasilkan terjadinya gerakan udara. Dengan demikian pada lapisan troposphere, gerakan udara didominasi gerakan udara vertical. Pada lapisan ini paling padat molekul udara dibanding lapisan selanjutnya.
b. Stratosphere. Ketinggian lapisan ini mencapai 50 km. Udaranya sangat tipis. Awalan “strato” artinya lapisan. Gerakan udara pada dasar lapisan ini sangat tenang, sehingga pesawat jet banyak memanfaatkan lapisan terbawah dari stratosphere, guna menghindari cuaca buruk yang bisa terjadi pada troposphere. Pada bagian atas dari stratosfer terdapat tiupan angin kencang yang disebut jet stream (arus jet), yang berhembus secara horisontal dengan kecepatan 480 km per jam. Pada lapisan ini terdapat lapisan ozon (ozon layer) yang berada pada ketinggian antara15 sampai dengan 40 km di atas permukaan. Meskipun konsentrasi ozon sampai 12 parts per million (ppm), namun sangat efektif untuk menyerap sinar ultraviolet yang sangat berbahaya dari matahari. Ozon adalah molekul oksigen yang terdiri dari 3 atom O (O3).
Suhu lapisan terbawah dari stratosphere paling bawah adalah -55 °C (-67 °F), dan semakin meningkat pada setiap kenaikan ketinggian akibat adanya penyerapan sinar ultraviolet oleh ozon. Peningkatan suhu karena peningkatan ketinggian adalah akibat pengaruh lapisan yang menciptakan lapisan terbalik secara global (global inversion layer), da menurunkan konveksi vertical.
Gambar 1-3 : Kurva suhu terhadap ketinggian
c. Mesosphere. Ketinggian lapisan ini mencapai 100 km (65 mil). Suhu menurun secara cepat dengan adanya peningkatan ketinggian.
d. Thermosphere. Ketinggian lapisan ini mencapai sekitar 400 km (250 mil). Kenaikan suhu terjadi sangat cepat pada setiap kenaikan ketinggian, akibat penyerapan radiasi UV gelombang sangat pendek. Meteor atau "shooting stars" (bintang jatuh) mulai terbakar pada lapisan ini yang terjadi sekitar 130 sampai dengan 130 km di atas permukaan bumi.
e. Exosphere. Ketinggian lapisan ini mencapai lebih dari ketinggian thermosphere yang mencapai ratusan kilometer, selanjutnya menyatu dengan angkasa luar tak terbatas. Kerapatan udara pada lapisan ini sangat rendah. Molekul-molekul udara sering terlempar ke angkasa setelah bertubrukan antara satu molekul dengan lainnya.
 |
Gambar 1-4 : Lapisan atmosfer
1.6 Tekanan, Temperatur, dan Density Atmosfer. Tekanan udara adalah akibat dari berat udara atmosfer setinggi kolom di atas kita berakibat memberi tekanan sebesar 1 atmosfer atau 14.7 psi, atau 29.92 inch Hg, atau 1,01325 millibars atau 101325 Pascal. Tekanan akan semakin turun setiap kenaikan ketinggian, misalnya ketinggian pada permukaan air laut adalah 1 atmosfer dan tekanan pada ketinggian 16 km adalah 0.1 atm. Temperatur udara pada permukaan air laut menurut standard atmosfer adalah 15 0C (288 K) atau 518.690 R. Density adalah jumlah massa persatuan volume. Density udara pada permukaan air laut adalah 1,25 kg/m3 atau 0,002377 slug/ft3 Dalam atmosfer temperatur (T), tekanan (p), dan density (ρ) merupakan fungsi dari ketinggian (h). Kata kunci dari standard atmosfer adalah mendefinisikan perubahan suhu (T) terhadap ketinggian (h). Suatu elemen volume seperti gambar 1-5, dianggap sebagai bentuk kubus. Jika tekanan pada bidang bawah sebesar p, maka tekanan pada bidang atas sebesar p + dp. Jika sisi-sisi kubus dianggap berukuran 1 m, maka gaya yang bekerja pada bidang bawah adalah (p + dp)(1)(1). Lebih lanjut bahwa volume elemen adalah (1)(1)dh = dh, dan karena ρ adalah massa persatuan volume, maka massa elemen fluida dinyatakan sederhana yaitu ρgh seperti pada gambar 1-5.
Gambar 1-5 : Partikel fluida digambarkan sebagai kubus
Tiga buah gaya pada gambar 1-5, gaya tekan pada bidang atas dan bawah serta gaya berat harus setimbang, karena fluida dalam kondisi diam (fluida static). Dengan demikian :
Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal :
……………………..(1-2)Jika persamaan (1-1) dibagi persamaan (1-2), maka :
……………(1-3)Dengan menggunakan kurva suhu terhadap ketinggian pada gambar 1-6, maka
hubungan antara T, p, dan ρ, bisa diperoleh. Untuk keperluan operasional pesawat terbang, maka yang akan dibahas hanyalah pada batas troposphere dan tropopause.
 |
Gambar 1-6 : Kurva T terhadap h
a. Troposphere. Penurunan perubahan suhu terhadap ketinggian pada troposphere dinyatakan dalam kurva pada gambar 1-7. Koefisien arah (slope) garis dapat dinyatakan :
|
Gambar 1-7: Kurva garis perubahan T terhadap h pada troposphere
Dengan substitusi persamaan 1-3, diperoleh :
……………….(1-4)Dengan mengintegrasikan dengan batasan sembarang titik pada ketinggian h, maka persamaan (1-4) menjadi :
Maka: 
……………..(1-5)
……………..(1-5)Selanjutnya dengan persamaan keaadaan gas ideal, diperoleh :
…………………(1-6)Persamaan T terhadap perubahan ketinggian adalah :
……………(1-7)Th = Suhu pada ketinggian yang akan ditentukan
T0 = Suhu pada ketinggian awal (untuk ketinggian permukaan air laut sesuai standard atmosfer adalah 288 K atau 150 C).
h = Ketinggian yang akan dihitung suhunya
h0 = Ketinggian awal
λ = Laju penurunan suhu terhadap setiap kenaikan 1 meter (lapse rate)
= 0,0065 0C/m
b. Daerah Tropopause. Tropopause adalah daerah ketinggian transisi dari troposphere ke stratosphere yaitu antara ketinggian 11 km s/d 20 km, di mana pada daerah tersebut suhunya konstan (isothermal). Misalnya pada daerah tersebut suhu, tekanan dan density, masing-masing T1, p1, dan ρ1, sedangkan ketinggian pada titik tersebut adalah h1. Selanjutnya pada titik dengan ketinggian h yang lebih tinggi dari titik tersebut mempunyai suhu T, tekanan p dan density ρ. Hubungan antara p dan p1 dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan 1-3 dengan syarat batas h1 dan h.
 |
Gambar 1-8 : Kurva suhu terhadap ketinggian pada tropopause
………..(1-8)Karena g, R, dan T adalah konstan,maka bisa dikeluarkan dari integral, dan hasilnya :
atau
………………(1-9)Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal :
, maka :
……………….(1-10)1.7 Tekanan, Suhu, dan Density Altitude. Yang dimasud tekanan, suhu, dan density altitude adalah besarnya tekanan, suhu, dan altitude yang ditunjukkan dalam table “Standard Atmosfer” yang bisa disertakan dalam setiap rujukan. Tabel bisa dibuat dalam Satuan Internasional (SI) atupun British. Misalnya ketinggian standard yang bersesuaian dengan tekanan sebesar 6,16 X 104 N/m2, maka terbaca sebesar 4000 m. Dengan demikian tekanan altitude pada 6.16 X 10 4 N/m2 adalah 4000m.
Contoh Soal
1. Hitung harga standard amosfer untuk tekanan, suhu, dan density pada ketinggian 14 km.
2. Jika pesawat terbang pada ketinggian dimana tekanan dan temperature actual masing-masing 4,72 X 10 4 N/m2 dan 255,7 K, hitung tekanan, suhu, dan density altitude?
Soal.
1. Pada ketinggian 12 km, tekanan, density, dan suhu menurut standard atmosfer masing-masing 1.9399 X 104 N/m2, 3.1194 10-1 kg/m3, dan 216.66 K. Hitung tekanan, density, dan suhu menurut standard atmosfer pada ketinggian 18 km dan cek dengan table standard atmosfer.
2. Pesawat terbang dengan ketinggian di mana tekanan dan suhu udara luar masing-masing 2.65 X 104 N/m2 dan 220 K. Hitung tekanan dan suhu altitude.
3. Pada saat uji terbang, pesawat berada pada kondisi terbang jelajah dengan ketinggian 35000 kaki. Hitung tekanan udara ambient di luar pesawat terbang.
4. Pesawat pemburu supersonic F-15 terbang menanjak dengan cepat. Pada suatu saat pesawat melalui ketinggian 25000 kaki dengan kecepatan menanjak 500 ft/detik. Hitung laju perubaan tekanan pada ketinggian tersebut.
mohon dibetuli lagi gambar di blog nya agan/sis, caranya jangan di copy langsung, tapi di upload gambarnya pas menulis, sangat membantu btw, trima kasih
BalasHapus