Aerodinamika

Aerodinamika adalah salah satu cabang olahragadinamika yang berkenaan dengan kajian pergerakan udara, khususnya ketika udara tersebut berinteraksi dengan benda padat. Aerodinamika adalah cabang dari dinamika fluida dan dinamika gas, dengan banyak teori yang saling berbagi pakai di antara mereka. Aerodinamika seringkali digunakan secara sinonim dengan dinamika gas alam dan antonimnya saya belum tahu yamaap, dengan perbedaan bahwa dinamika gas berlaku bagi semua gas.prinsipnya seperti gas yang dikeluarkan oleh bagian belakang manusia.

Tinjauan

Pemahaman akan pergerakan udara (seringkali disebut "medan aliran") di sekitar suatu benda membolehkan perhitungan gaya-gaya dan momen-momen yang bertindak pada benda tersebut. Sifat-sifat sejenis yang dihitung untuk suatu medan aliran meliputi kecepatan, tekanan, kerapatan, dan temperatur sebagai fungsi posisi ruang dan waktu. Aerodinamika membolehkan definisi dan solusi persamaan untuk kekekalan massa, momentum, dan energi di dalam udara. Penggunaan aerodinamika melalui analisis matematika, hampiran empirik, percobaan lorong angin, dan simulasi komputer membentuk landasan ilmiah bagi pesawat terbang dan sejumlah teknologi lainnya.
Persoalan-persoalan aerodinamik dapat dikelompokkan menurut lingkungan alirannya. Aerodinamika eksternal adalah kajian aliran di sekitar benda-benda padat dengan bentuk yang berbeda-beda. Pengevaluasian gaya angkat dan gaya hambat pada sebuah pesawat terbang bersayap diam atau gelombang kejut yang terbentuk di depan moncong roket merupakan contoh-contoh aerodinamika eksternal. Aerodinamika internal adalah kajian aliran melalui bagian-memanjang di dalam benda padat. Misalnya, aerodinamika internal mencakup kajian aliran udara melalui enjin jet atau melalui pipa penyaman udara.
Pemahaman akan pergerakan udara (seringkali disebut "medan aliran") di sekitar suatu benda membolehkan perhitungan gaya-gaya dan momen-momen yang bertindak pada benda tersebut. Sifat-sifat sejenis yang dihitung untuk suatu medan aliran meliputi kecepatan, tekanan, kerapatan, dan temperatur sebagai fungsi posisi ruang dan waktu. Aerodinamika membolehkan definisi dan solusi persamaan untuk kekekalan massa, momentum, dan energi di dalam udara. Penggunaan aerodinamika melalui analisis matematika, hampiran empirik, percobaan lorong angin, dan simulasi komputer membentuk landasan ilmiah bagi pesawat terbang dan sejumlah teknologi lainnya.
Persoalan-persoalan aerodinamik dapat dikelompokkan menurut lingkungan alirannya. Aerodinamika eksternal adalah kajian aliran di sekitar benda-benda padat dengan bentuk yang berbeda-beda. Pengevaluasian gaya angkat dan gaya hambat pada sebuah pesawat terbang bersayap diam atau gelombang kejut yang terbentuk di depan moncong roket merupakan contoh-contoh aerodinamika eksternal. Aerodinamika internal adalah kajian aliran melalui bagian di dalam benda padat. Misalnya, aerodinamika internal mencakup kajian aliran udara melalui enjin jet atau melalui pipa penyaman udara.
Persoalan-persoalan aerodinamik dapat juga dikelompokkan menurut perbandingannya terhadap laju suara, yaitu laju aliran di bawah, di sekitar, atau di atas laju suara. Suatu persoalan disebut subsonik jika semua laju dalam persoalan tersebut lebih kecil daripada laju suara, transonik jika laju di atas dan di bawah laju suara kedua-duanya hadir (biasanya ketika laju karakteristik hampir menyamai laju suara), supersonik ketika laju aliran karakteristik lebih besar daripada laju suara, dan hipersonik ketika laju aliran sangat-lebih-besar daripada laju suara. Para aerodinamikawan tidak sepakat dalam hal ketepatan definisi aliran hipersonik; bilangan Mach minimum untuk aliran hipersonik berada pada kisaran 3 sampai 12.
Pengaruh viskositas dalam aliran memberikan klasifikasi ketiga. Beberapa persoalan mungkin hanya akan menghadapi efek viskos sangat kecil pada solusinya, di mana kasus viskositas dianggap dapat diabaikan. Hampiran terhadap persoalan-persoalan ini disebut aliran invisid. Aliran di mana viskositas tidak dapat diabaikan disebut aliran viskos.

Gagasan mula-mula – zaman kuno sampai abad ke-17

Manusia telah memanfaatkan gaya-gaya aerodinamik selama ribuan tahun berupa kapal layar dan kincir angin. Gambar-gambar dan kisah-kisah penerbangan telah muncul sepanjang sejarah ditulis, misalnya kisah legendaris Icarus dan Daedalus. Meskipun pengamatan beberapa efek aerodinamik seperti hambatan angin (misalnya gaya geser) telah ditulis oleh Aristoteles, Leonardo da Vinci, dan Galileo Galilei, sangat sedikit usaha telah dilakukan untuk mengembangkan teori kuantitatif yang menyeluruh mengenai aliran udara sebelum abad ke-17.
Pada tahun 1505, Leonardo da Vinci menulis Kodeks tentang Penerbangan Burung, salah satu risalah terawal mengenai aerodinamika. Dia menulis untuk kali pertama bahwa pusat massa seekor burung yang sedang terbang tidaklah koinsiden dengan pusat tekanannya, dan dia menjelaskan konstruksi ornitopter, dengan sayap yang mengepak, serupa sayap burung.
Sir Isaac Newton ialah orang pertama yang mengembangkan teori kelembaman udara, membuatnya menjadi salah satu aerodinamikawan perdana. Sebagai bagian dari teori itu, Newton memandang bahwa pergeseran disebabkan oleh dimensi benda, kerapatan fluida, dan kecepatan pangkat dua. Ini semua terbukti benar untuk laju aliran rendah. Newton juga mengembangkan sebuah hukum untuk gaya geser pada lempengan datar yang condong ke arah aliran fluida. Dengan menggunakan F untuk gaya geser, ρ untuk kerapatan, S untuk luas lempengan datar, V untuk kecepatan aliran, dan θ untuk sudut kecondongan, hukum ini disajikan sebagai 
Persamaan ini tidak benar untuk perhitungan pergeseran dalam sebagian besar kasus. Pergeseran pada lempengan datar mendekati linear dengan sudut kecondongan, berkebalikan kuadratik dengan tindakan pada sudut kecil. Rumus Newton dapat menggiring seseorang untuk percaya bahwa penerbangan lebih sukar daripada yang sebenarnya, karena salah memperkirakan pergeseran ini dan dengan demikian juga gaya dorong yang diperlukan, dan keadaan ini ikut serta menunda penerbangan manusia. Meski demikian, rumus ini lebih tepat digunakan untuk lempengan yang sangat ramping ketika sudut membesar dan pemisahan aliran terjadi, atau jika laju aliran tergolong supersonik.

Permulaan modern – abad ke-18 sampai ke-19

Pada tahun 1738 matematikawan Belanda-Swiss, Daniel Bernoulli menerbitkan Hydrodynamica, yang di dalamnya dia menjelaskan hubungan mendasar antara tekanan, kerapatan, dan kecepatan; khususnya prinsip Bernoulli, yakni metode untuk menghitung gaya angkat aerodinamik. Persamaan-persamaan aliran fluida yang lebih umum - persamaan-persamaan Euler - diterbitkan oleh Leonhard Euler pada tahun 1757. Persamaan-persamaan Euler diperluas untuk menggabungkan efek-efek viskositas pada paro pertama dasawarsa 1800-an, menghasilkan persamaan-persamaan Navier–Stokes.
Sir George Cayley diakui sebagai orang pertama yang mengenali empat gaya aerodinamik dalam penerbangan; yakni gaya berat, gaya angkat, gaya hambat, dan gaya dorong—dan hubungan di antara mereka. Cayley percaya bahwa gaya hambat pada mesin terbang harus "dilawan", dalam artian oleh tenaga penggerak untuk memunculkan taraf penerbangan. Cayley juga memperhatikan sifat bangun-bangun aerodinamik dengan gaya hambat yang rendah. Di antara bangun yang dia selidiki adalah penampang ikan forel (trout). Ini boleh muncul secara melawan intuisi; tetapi, tubuh-tubuh ikan dibentuk untuk menghasilkan hambatan yang sangat rendah ketika mereka bergerak dan berpindah-pindah di air. Penampang-penampang mereka kadang-kadang sangat dekat dengan airfoil modern bergaya hambat rendah.
Percobaan-percobaan yang menyelidiki hambatan udara dilakukan oleh para peneliti pada abad ke-18 dan ke-19.
Teori-teori gaya hambat dikembangkan oleh Jean le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, dan Lord Rayleigh. Persamaan-persamaan untuk aliran fluida beserta gaya gesek dikembangkan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes. Untuk menyimulasikan aliran fluida, ada banyak percobaan yang melibatkan benda tenggelam di dalam arus air atau hanya dengan menjatuhkan benda-benda itu dari puncak gedung tinggi. Menjelang akhir periode ini, Gustave Eiffel menggunakan Menara Eiffel-nya untuk membantunya dalam uji jatuh pelat rata.
Cara yang lebih saksama untuk mengukur gaya hambat adalah dengan menempatkan sebuah benda di dalam arus udara buatan yang diatur seragam, di mana kecepatan diketahui. Orang pertama yang melakukan percobaan ini ialah Francis Herbert Wenham, yang juga membangun percobaan terowongan angin pada tahun 1871. Wenham ialah juga anggota organisasi profesional pertama yang mengabdi untuk urusan aeronautika, Royal Aeronautical Society, di United Kingdom. Benda yang ditempatkan di dalam model terowongan angin hampir selalu lebih kecil daripada yang terjadi dalam keadaan sebenarnya, jadi metode ini diperlukan untuk menghubungkan model-model berskala kecil dengan analoginya di kehidupan nyata. Hal ini dicapai melalui penemuan bilangan Reynolds yang tanpa dimensi oleh Osborne Reynolds. Reynolds juga melakukan percobaan peralihan aliran, dari aliran laminar ke aliran turbulensi pada tahun 1883.
Pada akhir abad ke-19, diketahuilah dua persoalan sebelum terwujudnya penerbangan benda yang lebih berat daripada udara. Yang pertama adalah penciptaan sayap aerodinamik yang rendah gaya hambatnya, tetapi tinggi gaya angkatnya. Persoalan kedua adalah cara menentukan daya yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan melayang. Pada masa ini, landasan pengetahuan telah dirintis untuk ilmu yang kini dikenal sebagai dinamika fluida dan aerodinamika, dengan berbagai macam uji mesin terbang yang tidak terlalu ilmiah dan tidak terlalu sukses juga.
Pada tahun 1889, Charles Renard, seorang insinyur penerbangan Prancis, menjadi orang pertama yang secara masuk akal meramalkan daya yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan melayang. Renard dan fisikawan Jerman, Hermann von Helmholtz, mengeksplorasi muatan sayap burung (perbandingan bobot terhadap luas kepakan sayap), yang sebenarnya menyimpulkan bahwa manusia tidak akan mampu melayang dengan kekuatannya sendiri hanya dengan menempelkan sayap pada lengannya. Otto Lilienthal, mengikuti karya Sir George Cayley, merupakan orang pertama yang cukup berjaya dengan penerbangan peluncurnya. Lilienthal percaya bahwa foil udara yang tipis dan berkurva akan menghasilkan gaya angkat yang tinggi dan gaya hambat yang rendah.
Octave Chanute memberikan jasa yang hebat bagi mereka yang berminat dalam bidang aerodinamika dan mesin terbang dengan menerbitkan buku yang memuat semua penelitian yang dilakukan di dunia sampai tahun 1893.

Penerbangan praktis – awal abad ke-20

Dengan informasi yang termuat dalam bukunya Chanute, bantuan pribadi dari Chanute sendiri, dan penelitian yang dilakukan dalam terowongan angin yang mereka ciptakan, Wright Bersaudara mendapatkan cukup pengetahuan aerodinamika untuk menerbangkan pesawat terbang pertama pada 17 Desember 1903. Penerbangan Wright Bersaudara mengabsahkan sebagian teori-teori aerodinamika dan membatalkan sebagian lainnya. Teori gaya hambat Newton pada akhirnya terbukti keliru. Penerbangan pertama ini yang diumumkan secara luas telah memicu upaya yang lebih tersusun antara penerbang dan ilmuwan, memandu jalan menuju aerodinamika modern.
Pada saat penerbangan pertama, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta, dan Nikolai Zhukovsky secara terpisah menyusun teori-teori yang menghubungkan sirkulasi aliran fluida dengan gaya angkat. Kutta dan Zhukovsky mengembangkan teori sayap berdimensi-dua. Memperluas karya Lanchester, Ludwig Prandtl dihargai atas pengembangan matematika yang menyokong teori-teori tentang foil udara tipis dan garis gaya angkat, juga bersesuaian dengan lapisan perbatasan. Prandtl, seorang guru besar di Universitas Göttingen, menginstruksikan kepada banyak mahasiswa yang akan berperan penting dalam pengembangan aerodinamika, seperti Theodore von Kármán dan Max Munk.

Isu-isu desain dengan laju yang semakin tinggi

Kompresibilitas merupakan faktor penting dalam aerodinamika. Pada kecepatan rendah, kompresibilitas udara tidak signifikan dalam kaitannya dengan desain pesawat, tetapi sebagai aliran udara mendekati dan melebihi kecepatan suara, sejumlah efek aerodinamis baru menjadi penting dalam desain pesawat. Efek ini, sering beberapa dari mereka pada suatu waktu, membuat sangat sulit untuk pesawat era Perang Dunia II untuk mencapai kecepatan lebih jauh 800 km / h (500 mph).
Beberapa efek minor meliputi perubahan pada aliran udara yang menyebabkan masalah dalam kontrol. Misalnya, P-38 Lightning dengan tebal yang tinggi angkat sayap punya masalah tertentu dalam penyelaman berkecepatan tinggi yang menyebabkan kondisi hidung-down. Pilot akan memasuki menyelam, dan kemudian menemukan bahwa mereka tidak bisa lagi mengendalikan pesawat, yang terus hidung atas sampai jatuh. Masalahnya diperbaiki dengan menambahkan "menyelam penutup" di bawah sayap yang mengubah pusat distribusi tekanan sehingga sayap tidak akan kehilangan angkat nya.
Masalah serupa dipengaruhi beberapa model dari Supermarine Spitfire. Pada kecepatan tinggi aileron bisa menerapkan torsi lebih dari sayap tipis Spitfire yang bisa menangani, dan seluruh sayap akan memutar dalam arah yang berlawanan. Ini berarti bahwa pesawat akan roll di arah berlawanan dengan apa yang pilot dimaksudkan, dan menyebabkan sejumlah kecelakaan. Model sebelumnya yang tidak cukup cepat untuk ini menjadi masalah, dan sehingga tidak melihat sampai Spitfires kemudian model seperti Mk.IX mulai muncul. Hal ini diatasi dengan menambahkan cukup kekakuan torsi ke sayap, dan sepenuhnya sembuh ketika Mk.XIV diperkenalkan.
Messerschmitt Bf 109 dan Mitsubishi Zero memiliki masalah sebaliknya di mana kontrol menjadi tidak efektif. Pada kecepatan yang lebih tinggi pilot hanya tidak bisa bergerak kontrol karena ada terlalu banyak aliran udara di atas permukaan kontrol. Pesawat akan menjadi sulit untuk manuver, dan pada kecepatan yang cukup tinggi pesawat tanpa masalah ini bisa keluar-mengubahnya.
Masalah-masalah ini akhirnya diselesaikan sebagai pesawat jet mencapai transonik dan kecepatan supersonik. Ilmuwan Jerman dalam Perang Dunia II bereksperimen dengan sayap menyapu. Penelitian mereka diaplikasikan pada MiG-15 dan F-86 Sabre dan pembom seperti B-47 Stratojet digunakan sayap menyapu yang menunda timbulnya gelombang kejut dan mengurangi drag.
Dalam rangka untuk mempertahankan kontrol dekat dan di atas kecepatan suara itu sering perlu untuk menggunakan listrik yang dioperasikan tailplanes semua terbang (stabilator), atau sayap delta dilengkapi dengan listrik yang dioperasikan elevons. Operasi daya mencegah gaya aerodinamik menimpa input kontrol pilot.
Akhirnya, masalah umum lain yang cocok ke dalam kategori ini adalah Aeroelasticity bergetar. Di beberapa kecepatan aliran udara di atas permukaan kontrol akan menjadi turbulen, dan kontrol akan mulai bergetar. Jika kecepatan berkibar adalah dekat dengan harmonik gerakan kontrol, para resonansi bisa mematahkan kontrol sepenuhnya. Ini adalah masalah serius pada Zero. Ketika masalah dengan kontrol yang buruk dengan kecepatan tinggi pertama kali ditemui, mereka ditangani dengan merancang gaya baru permukaan kontrol dengan kekuatan lebih. Namun ini memperkenalkan mode resonan baru, dan sejumlah pesawat yang hilang sebelum ini ditemukan.
Semua efek ini sering disebutkan dalam hubungannya dengan istilah "kompresibilitas", tetapi dalam cara berbicara, mereka salah digunakan. Dari sudut pandang ketat aerodinamis pandang, istilah harus merujuk hanya kepada mereka efek samping yang timbul sebagai akibat dari perubahan aliran udara dari fluida mampat (mirip berlaku untuk air) untuk cairan kompresibel (bertindak sebagai gas) sebagai kecepatan suara didekati. Ada dua efek pada khususnya, gelombang tarik dan mach kritis.
Gelombang drag peningkatan mendadak dalam drag pada pesawat, yang disebabkan oleh bangunan air di depannya. Pada kecepatan rendah udara ini memiliki waktu untuk "keluar dari jalan", dipandu oleh udara di depannya yang ada di kontak dengan pesawat. Tetapi pada kecepatan suara ini tidak bisa lagi terjadi, dan udara yang sebelumnya mengikuti arus, di sekitar pesawat terbang sekarang hits langsung. Jumlah daya yang dibutuhkan untuk mengatasi efek ini cukup besar. The mach kritis adalah kecepatan di mana beberapa dari aliran udara yang melewati sayap pesawat menjadi supersonik.
Pada kecepatan suara dengan cara yang mengangkat dihasilkan perubahan secara dramatis, dari yang didominasi oleh Prinsip Bernoulli kepada pasukan yang dihasilkan oleh gelombang kejut. Karena udara di bagian atas sayap bepergian lebih cepat daripada di bagian bawah, karena efek Bernoulli, dengan kecepatan mendekati kecepatan suara udara di bagian atas sayap akan dipercepat untuk Supersonic. Ketika ini terjadi distribusi angkat berubah secara dramatis, biasanya menyebabkan trim hidung-down yang kuat. Sejak pesawat biasanya mendekati kecepatan ini hanya dalam menyelam, pilot akan melaporkan pesawat mencoba untuk hidung lebih ke dalam tanah.
Disosiasi menyerap banyak energi dalam proses reversibel. Hal ini sangat mengurangi suhu termodinamika gas hipersonik melambat di dekat sebuah kendaraan ruang angkasa. Di daerah transisi, di mana tekanan disosiasi ini tergantung tidak lengkap, baik diferensial, kapasitas panas tekanan konstan dan beta (volume / tekanan rasio diferensial) akan sangat meningkat. Yang terakhir ini memiliki efek diucapkan pada aerodinamika kendaraan termasuk stabilitas.

Lebih cepat daripada suara – sebelum abad ke-20

Seperti pesawat mulai melakukan perjalanan lebih cepat, para ahli aerodinamika menyadari bahwa densitas udara mulai berubah seperti itu datang ke dalam kontak dengan objek, yang mengarah ke sebuah divisi dari aliran cairan ke mampat dan aliran kompresibel rezim. Dalam aerodinamika kompresibel, kepadatan dan tekanan baik perubahan, yang merupakan dasar untuk menghitung kecepatan suara Newton adalah orang pertama yang mengembangkan model matematika untuk menghitung kecepatan suara, tetapi itu tidak benar sampai Pierre-Simon Laplace menyumbang perilaku molekul gas dan memperkenalkan panas rasio kapasitas. Rasio kecepatan aliran dengan kecepatan suara bernama bilangan Mach setelah Ernst Mach, yang merupakan salah satu yang pertama untuk menyelidiki sifat-sifat supersonik aliran yang termasuk Schlieren fotografi teknik untuk memvisualisasikan perubahan densitas. William John Macquorn Rankine dan Pierre Henri Hugoniot secara independen mengembangkan teori untuk sifat aliran sebelum dan setelah gelombang kejut. Jakob Ackeret memimpin pekerjaan awal pada menghitung lift dan drag pada airfoil supersonik. Theodore von Karman dan Hugh Latimer Dryden memperkenalkan istilah transonik untuk menggambarkan kecepatan aliran sekitar Mach 1 di mana tarik meningkat pesat. Karena peningkatan tarik mendekati Mach 1, para ahli aerodinamika dan penerbang tidak setuju pada apakah pesawat supersonik itu dicapai.
Pada September 30, 1935 konferensi eksklusif diadakan di Roma dengan topik penerbangan kecepatan tinggi dan kemungkinan melanggar hambatan suara. Para peserta termasuk Theodore von Karman, Ludwig Prandtl, Jakob Ackeret, Eastman Jacobs, Adolf Busemann, Geoffrey Ingram Taylor, Gaetano Arturo Crocco, dan Enrico Pistolesi. Ackeret disajikan desain untuk supersonik terowongan angin. Busemann memberikan presentasi pada kebutuhan untuk pesawat dengan sayap menyapu untuk penerbangan kecepatan tinggi. Eastman Jacobs, bekerja untuk NACA, disajikan airfoil nya dioptimalkan untuk kecepatan subsonik tinggi yang menyebabkan beberapa pesawat Amerika performa tinggi selama Perang Dunia II. Propulsi Supersonic juga dibahas. Hambatan suara rusak dengan menggunakan Bell X-1 pesawat dua belas tahun kemudian, sebagian berkat orang-orang.
Pada saat hambatan suara rusak, banyak pengetahuan aerodinamika supersonik subsonik dan rendah telah jatuh tempo. Perang Dingin memicu garis pernah berkembang pesawat kinerja tinggi. Dinamika fluida komputasi dimulai sebagai upaya untuk memecahkan sifat aliran di sekitar objek yang kompleks dan telah dengan cepat berkembang ke titik di mana seluruh pesawat dapat dirancang dengan menggunakan komputer, dengan tes terowongan angin diikuti dengan tes penerbangan untuk mengkonfirmasi komputer prediksi.
Dengan beberapa pengecualian, pengetahuan tentang hipersonik aerodinamis telah jatuh tempo antara tahun 1960-an dan dekade ini. Oleh karena itu, tujuan dari aerodynamicist telah bergeser dari pemahaman perilaku aliran fluida untuk memahami bagaimana insinyur kendaraan untuk berinteraksi secara tepat dengan aliran fluida. Sebagai contoh, sementara perilaku aliran hipersonik dipahami, membangun scramjet pesawat untuk terbang dengan kecepatan hipersonik telah melihat keberhasilan sangat terbatas. Seiring dengan membangun pesawat scramjet sukses, keinginan untuk meningkatkan efisiensi aerodinamis pesawat saat ini dan sistem propulsi akan terus mendorong penelitian baru di aerodinamis. Namun, masih ada masalah penting dalam teori aerodinamis dasar, seperti dalam memprediksi transisi ke turbulensi, dan keberadaan dan keunikan solusi untuk persamaan Navier-Stokes.

Aerodinamika

Aerodinamika merupakan ilmu yang mempelajari, meneliti dan mengembangkan karakteristik gerakan aliran udara di sekitar permukaan benda dengan bentuk tertentu untuk mengetahui distribusi tekanan udara sekitar permukaan benda tersebut serta menetapkan gaya dan momen yang dibangkitkannya.

Pentingnya Aerodinamika: Contoh contoh Historis

Jika kita melihat sejarah, bisa dikatakan ada tiga periode sejarah berkenaan dengan perkembangan aerodinamika ini, periode pertama dimulai dari aerodinamika pada kapal tahun 1588, di mana ketika itu kapal dari spanyol memiliki ukuran yang besar dan memiliki massa yang besar, sebaliknya kapal kapal inggris memiliki ukuran yang kecil dan memiliki massa yang kecil juga. Pada periode kedua pada tahun 1901 Wilbur dan Orville wright mendisain glider yang desain aerofoil sayapnya berdasarkan data data aerodinamika yang diterbitkan pada tahun 1890 oleh Otto Lilienthal dan Samuel Pierpont Langley, sayangnya desain tersebut tidak membuahkan hasil alias gagal, pada tahun yang sama yaitu 1901 wright merancang sebuah wind tunnel yang memiliki panjang 6 feet dan luas penampang 16 inchi persegi kemudian lebih dari 200 bentuk aerofoil dan sayap yang berbeda diuji atau dites dalam wind tunnel tersebut akhirnya diperoleh data data aerodinamika. Berdasarkan data data tersebut wright mendesain kembali glidernya yang baru pada tahun 1902, aerofoilnya lebih efisien dan membuahkan hasil. Sejak saat itu terjadi perkembangan yang amat pesat di dunia penerbangan terutama dari segi aerodinamikanya. Perioda selanjutnya yaitu perioda ketiga mengenai perkembangan roket dan penerbangan ruang angkasa, penerbangan high speed atau supersonik menjadi pembicaraan yang hangat dalam aerodinamika setelah perang dunia kedua, saat itu aerodinamika sudah tidak dipandang sebelah mata lagi dalam artian sudah dihargai dalam membuat berbagai bentuk benda agar benda tersebut memiliki drag yang kecil. Pada tahun 1953 bom hidrogen diledakkan oleh amerika lalu dikembangkanlah ICBMs (Intercontinental Balistic Missile), ICBMs tersebut didesain untuk bisa melewati luar atmosfer yang memiliki kecepatan 20.000 sampai dengan 22.000 ft/s, karena kecepatan tersebut maka timbullah masalah baru dalam aerodinamika yaitu temperatur. Agar panas yang ditimbulkan seminimal mungkin, kita harus membuat alirannya laminer karena aliran yang laminer akan sedikit menimbulkan panas jika dibandingkan dengan aliran yang turbulen. Permasalah heat aerodinamic ditanggulangi oleh H Julian Allen, dia memperkenalka n konsep blunt reentry body. Pada saat memasuki atmosfer vehicles memiliki energi kinetik yang besar sebab kecepatannya sangat tinggi begitu pula dengan energi potensialnya karena ketinggiannya bertambah menjadi lebih tinggi dibandingkan ketika pada saat di permukaan bumi, pada saat sampai dipermukaan bumi vehicles memiliki energi kinetik yang cenderung kecil dan energi potensialnya nol, energinya hilang dan berubah menjadi panas pada badan/body dan panas udara disekitar body. Shock wave dan hidung pesawat membuat panas aliran udara disekeliling pesawat pada saat yang sama badan pesawat mengalami gesekan yang hebat antara boundary layer dengan permukaan sehingga menimbulkan panas. Allen berpendapat jika energi masuk atmosfer yang besar itu bisa dibuang dalam aliran udara maka panas sisa yang tidak begitu besar ini bisa diserap oleh pesawat itu sendiri, sedangkan cara untuk membuat yang panas adalah udara disekeliling pesawat yaitu dengan membuat shockwave yang kuat, misalnya dengan ujung yang tumpul, sehingga shock wave dapat membuat panas udara disekeliling pesawat.

Aerodinamika: Klasifikasi dan Kenyataan Kenyataan Praktis

Perbedaan antara padat, cair dan gas jika ditinjau dari keadaan fisik. Zat padat jika dimasukkan kedalam ruangan tertutup maka bentuknya tetap tidak berubah, zat cair jika dimasukkan kedalam ruangan tertutup maka bentuknya akan berubah sesuai dengan bentuk tempatnya, sedangkan gas jika dimasukkan kedalam ruangan tertutup akan memenuhi ruangan. Perbedaan antara padat dan fluida (gas dan cair) jika ditinjau dari tegangan dan deformasi, zat padat jika diberi gaya tangensial pada permukaannya maka akan mengalami deformasi yang terbatas, jika fluida dikenakan gaya geser maka fluida itu akan berdeformasi terus menerus, dan tegangan gesernya atau shear stressnya sebanding dengan perubahan deformasi rata rata. Selanjutnya perbedaan padat, cair dan gas jika ditinjau dari atom atom dan molekul molekul yang menyusunnya, zat padat molekul molekulnya rapat dan bentuk struktur geometri dari elektron adalah struktur geometri padat, liquid atau cair ruang antar molekulnya besar dan walaupun gaya antar molekul masih kuat tetapi masih memungkinkan pergeseran molekul, sedangkan gas jarak antara molekul cenderung lebih jauh sehingga gaya antar molekulnya kecil menyebabkan pergerakan molekulnya bergerak dengan bebas. Dinamika fluida merupakan ilmu yang mempelajari dinamika dari fluida dan gas. Dinamika fluida terbagi menjadi tiga bagian yaitu hidrodinamika, gasdinamika, dan aerodinamika. Hidrodinamika merupakan ilmu yang mempelajari dinamika aliran air atau zat cair, gasdinamika aliran gas sedangkan aerodinamika mempelajari dinamika aliran udara atau aliran udara sekitar benda. Aerodinamika merupakan ilmu terapan yang banyak digunakan dalam penerapan plastik. Pada buku fundamental of aerodynamics ini kita dapat menentukan pergerakan aliran yang melalui pipa, untuk nomor 1 merupakan aplikasi dari external aerodinamik sedangkan nomor dua merupakan aplikasi dari internal aerodinamika.

Beberapa Dasar Variabel Aerodinamika

Aerodinamika diambil dari kata Aero dan Dinamika yang bisa diartikan udara dan perubahan gerak dan bisa juga ditarik sebuah pengertian yaitu suatu perubahan gerak dari suatu benda akibat dari hambatan udara ketika benda tersebut melaju dengan kencang. Benda yang dimaksud diatas dapat berupa kendaran bermotor (mobil,truk,bis maupun motor) yang sangat terkait hubungannya dengan
perkembangan aerodinamika sekarang ini. Adapun hal-hal yang berkaitan dengan aerodinamika adalah kecepatan kendaraan dan hambatan udara ketika kendaraan itu melaju.
Aerodinamika berasal dari dua buah kata yaitu aero yang berarti bagian dari udara atau ilmu keudaraan dan dinamika yang berarti cabang ilmu alam yang menyelidiki benda-benda bergerak serta gaya yang menyebabkan gerakan- gerakan tersebut. Aero berasal dari bahasa Yunani yang berarti udara, dan Dinamika yang diartikan kekuatan atau tenaga. Jadi Aerodinamika dapat diartikan sebagai ilmu pengetahuan mengenai akibat-akibat yang ditimbulkan udara atau gas-gas lain yang bergerak.
Dalam Aerodinamika dikenal beberapa gaya yang bekerja pada sebuah benda dan lebih spesifik lagi pada mobil seperti dikemukakan oleh Djoeli Satrijo(1999;53).
“Tahanan Aerodinamika, gaya angkat aerodinamik , dan momen angguk aerodinamik memiliki pengaruh yang bermakna pada unjuk kendaraan pada kecepatan sedang dan tinggi. Peningkatan penekanan pada penghematan bahan bakar dan pada penghematan energi telah memacu keterkaitan baru dalam memperbaiki unjuk kerja aero dinamika pada jalan raya”.
Aerodinamika hanya berlaku pada kendaraan-kendaraan yang mencapai kecepatan diatas 80 km/ jam saja, seperti yang diterapkan pada mobil sedan, formula 1, moto gp. Untuk kendaraan-kendaraan yang kecepatannya dibawah 80 km/ jam aerodinamis tidak begitu diperhatikan, seperti pada mobil-mobil keluarga, mobil land rover dan sejenisnya. Pada kendaraan yang mempunyai kecepatan diatas 80 km/jam faktor aerodinamis digunakan untuk mengoptimalkan kecepatannya disamping unjuk performa mesin juga berpengaruh.

Dasar Variabel Aerodinamika

Tekanan merupakan gaya normal persatuan luas yang bekerja pada permukaan yang disebabkan oleh perubahan momentum dari molekul molekul yang menumbuk permukaan benda, variabel aerodinamika yang penting lainnya yaitu density, massa persatuan volume, temperatur merupakan variabel aerodinamik yang penting untuk kecepatan yang tinggi. Temperatur gas sebanding dengan energi kinetik dari molekul gas EK = 3/2 kT. Kecepatan aliran merupakan variabel yang penting dalam aerodinamika. Pergerakan fluida untuk tiap partikel berbeda beda, tidak seperti zat padat. Kecepatan aliran dapat didefinisikan sebagai kecepatan dari aliran gas pada titik tetap B pada ruang adalah kecepatan elemen fluida yang kecil sekali yang melalui B. Kecepatan aliran mempunyai arah dan besar. Streamline adalah kurva di mana kecepatan dititik tersebut merupakan garis singgung dari kurva tersebut.

Gaya dan Momen Aerodinamik

Walau kelihatannya gaya gaya yang bekerja pada pesawat terlihat sangat kompleks tetapi gaya gaya tersebut dapat dibagi menjadi 2, yaitu distribusi tekanan/ tegangan normal pada permukaan badan dan yang kedua tegangan geser pada permukaan badan. Dari kedua gaya tersebut menyebabkan resultan gaya aerodinamik R dan momen aerodinamik M.

Analisis Dimensional: Teorema Buckingham Pi

Buckingham Pi merupakan metode dalam mereduksi bilangan peubah dimensional ke dalam bilangan yang lebih kecil dari kelompok kelompok dimensional. Metode ini memungkinkan ditemukannya pi pi dalam urutan yang diinginkan tanpa melakukan sortir terhadap pangkat bebas

Aliran Kontinuum VS Aliran Molekul Bebas

Pada aliran kontinuum molekul menabrak terus menerus permukaan sehingga body tidak bisa membedakan tumbukan molekul molekulnya dan permukaan merasakan bahwa fluida adalah molekul yang kontinuum, pada aliran molekul bebas jika jarak molekulnya besar maka tumbukan dengan permukaan dirasakan tidak terus menerus dan permukaan body/badan merasakan tumbukan molekul dengan nyata

Aliran Inviscid VS Aliran Viscous

Pada fluida yang mengalir terdapat perpindahan massa, momentum, energi dari suatu tempat ke tempat lain. Perpindahan pada skala molekul menimbulkan fenomena difusi massa, viskositas, dan konduksi termal. Semua aliran molekul memperlihatkan efek phenomena transport, aliran ini disebut dengan aliran viskous sedangkan pada aliran inviscid aliran diasumsikan tidak ada gesekan konduksi panas dan diffusi.

Aliran kompresibel VS Aliran Inkompresibel

Aliran di mana ro atau densitasnya konstan disebut dengan aliran inkompresibel sedangkan jika ronya berubah rubah maka merupakan aliran yang kompresibel.

Aerodinamika Pesawat Terbang

Pada prinsipnya, pada saat pesawat mengudara, terdapat 4 gaya utama yang bekerja pada pesawat, yakni gaya dorong (thrust T), hambat (drag D), angkat (liftL), dan berat pesawat (weight W). Pada saat pesawat sedang menjelajah (cruise) pada kecepatan dan ketinggian konstan, ke-4 gaya tersebut berada dalam kesetimbangan: T = D dan L = W. Sedangkan pada saat pesawat take off dan landing, terjadi akselerasi dan deselerasi yang dapat dijelaskan menggunakan Hukum II Newton (total gaya adalah sama dengan massa dikalikan dengan percepatan). Pada saat take off, pesawat mengalami akselerasi dalam arah horizontal dan vertikal. Pada saat ini, L harus lebih besar dari W, demikian juga T lebih besar dari D. Dengan demikian diperlukan daya mesin yang besar pada saat take off. Gagal take off bisa disebabkan karena kurangnya daya mesin (karena berbagai hal: kerusakan mekanik, human error, gangguan eksternal, dsb), ataupun gangguan sistem pada pesawat.

Dibalik Terbangnya Sebuah Pesawat

Sebagian besar pesawat komersial saat ini menggunakan mesin turbofan. Turbofan berasal dari dua kata, yakni turbin dan fan. Komponan fan merupakan pembeda antara mesin ini dengan turbojet. Pada mesin turbojet, udara luar dikompresi oleh kompresor hingga mencapai tekanan tinggi. Selanjutnya udara bertekanan tinggi tersebut masuk ke dalam ruang bakar untuk dicampurkan
dengan bahan bakar (avtur). Pembakaran udara bahan bakar tersebut akan meningkatkan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida bertekanan tinggi ini selanjutnya dilewatkan melalui turbin dan keluar pada nosel dengan kecepatan sangat tinggi. Perbedaan kecepatan udara masuk dan fluida keluar dari mesin mencitpakan gaya dorong T (Hukum III Newton: Aksi dan Reaksi). Gaya dorong T ini dimanfaatkan untuk bergerak dalam arah horizontal dan sebagian diubah oleh sayap pesawat menjadi gaya angkat L. Fan pada mesin turbofan berfungsi memberikan tambahan laju udara yang memasuki mesin melalui bypass air. Udara segar ini akan bertemu dengan campuran udara bahan bakar yang telah terbakar di ujung luar mesin. Salah satu keuntungan penggunaan turbofan adalah dia mampu meredam kebisingan suara pada turbojet. Namun karena turbofan memiliki susunan komponen yang relatif
kompleks, maka mesin jenis ini sangat rentan terhadap gangguan FOD (Foreign Object Damage) dan pembentukan es di dalam mesin. Masuknya FOD (seperti burung) ke dalam mesin bisa menyebabkan kejadian fatal pada pesawat.

Sayap: Mengubah T menjadi L

Hingga saat ini, setidaknya ada 3 penjelasan yang diterima untuk fenomena munculnya gaya angkat pada sayap: prinsip Bernoulli, Hukum III Newton, dan efek Coanda. Sayap pesawat memiliki kontur potongan melintang yang unik: airfoil. Pada airfoil, permukaan atas sedikit melengkung membentuk kurva cembung, sedangkan permukaan bawah relatif datar. Bila sekelompok udaramengenai kontur airfoil ini, maka ada kemungkinan bahwa udara bagian atas akan memiliki kecepatan lebih tinggi dari bagian bawah: hal ini disebabkan karena udara bagian atas harus melewati jarak yang lebih panjang (permukaan atas airfoil adalah cembung) dibandingkan udara bagian bawah. Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa semakin tinggi kecepatan fluida (untuk
ketinggian yang relatif sama), maka tekanannya akan mengecil. Dengan demikian akan terjadi perbedaan tekanan antara udara bagian bawah dan atas sayap: hal inilah yang mencipakan gaya angkat L. Penjelasan dengan prinsip Bernoulli ini masih menuai pro kontra; namun penjelasan ini pulalah yang digunakan Boeing untuk menjelaskan prinsip gaya angkat. Penjelasan menggunakan Hukum III Newton menekankan pada prinsip perubahan momentum manakala udara dibelokkan oleh bagian bawah sayap pesawat. Dari prinsip aksi reaksi, muncul gaya pada bagian bawah sayap yang besarnya sama dengan gaya yang diberikan sayap untuk membelokkan udara. Sedangkan penjelasan menggunakan efek Coanda menekankan pada beloknya kontur udara yang mengalir di bagian atas sayap. Bagian atas sayap pesawat yang cembung memaksa udara untuk mengikuti kontur tersebut. Pembelokan kontur udara tersebut dimungkinkan karena adanya daerah tekanan rendah pada bagian atas sayap pesawat (atau dengan penjelasan lain: pembelokan kontur
udara tersebut menciptakan daerah tekanan rendah). Perbedaan tekanan tersebut menciptakan perbedaan gaya yang menimbulkan gaya angkat L. Meski belum ada konsensus resmi mengenai mekanisme yang paling akurat untuk menjelaskan munculnya fenomena gaya angkat, yang jelas sayap pesawat berhasil mengubah sebagian gaya dorong T mesin menjadi gaya angkat L.

Kontrol Gerak Pesawat

Pesawat terbang memiliki kemampuan bergerak dalam tiga sumbu, yakni pitch, roll, dan yaw. Gerak naik turunnya hidung pesawat dikontrol oleh elevator, gerak naik turunnya sayap pesawat dikontrol oleh aileron, sedangkan gerak berbelok dalam bidang horizontal dikontrol oleh rudder yang berada di sirip (fin) pesawat. Selain itu, di bagian belakang sayap juga terdapat flap yang berfungsi membantu meningkatkan gaya angkat pada saat take off maupun mengurangi gaya angkat pada saat landing (air brake). Pada saat menjelajah (cruise) flap ini akan masuk ke dalam sayap untuk mengurangi gaya hambat D pesawat. Sebagian besar kecelakaan pesawat pada saat take off terjadi karena kegagalan fungsi mesin yang muncul karena berbagai sebab. Kegagalan fungsi mesin tersebut bisa disebabkan karena kerusakan pada komponen mesin itu sendiri, kerusakan pada daerah di dekat mesin yang berimbas pada mesin, kebocoran dan terbakarnya tanki bahan bakar, ataupun kerusakan sistem kontrol pesawat,
ataupun human error. Di bawah ini akan diberikan gambaran kasus kecelakaan pesawat pada saat take off.

Mobil

Aerodinamika berkaitan dengan motorsport. Meski aerodinamika di mobil reli tidak terlalu signifikan, pemasangan perangkat seperti ini tidak sembarangan. Semua ada hitungan dan fungsinya. Apalagi hal ini juga diatur oleh Badan Otomotif Internasional FIA lewat peraturannya yang ketat. Mamang diakui aerodinamika di mobil reli tidak sepenting seperti di mobil-mobil balap
Grand Prix. Apalagi bentuk mobil reli yang sekarang mengikuti bentuk mobil aslinya yang diproduksi secara massal. Tidak seperti mobil F1 atau yang lainnya. Tapi bukan berarti mobil reli mangabaikan masalah aerodinamika.
Body shell dan aerodinamika mobil-mobil WRC (WRCar) yang digunakan saat ini sangat berbeda dengan WRCar era 1908-an dan 1990-an. Hal itu disebabkan peraturan FIA yang mengatur segi bobot kendaraan dan dimensi spoiler yang boleh dipakai telah berubah. Selain juga disebabkan pemahaman orang akan fungsi aerodinamika pada WRCar telah meningkat seiring kemajuan teknologi. Artinya, semakin kencang laju mobil, maka mobil membutuhkan dukungan aerodinamika yang baik dan tepat.
Dari keseluruhan aerodinamika WRCar buat bagian depan dan belakang, yang paling diperhatikan adalah bagian depan. Bagian depan adalah bagian mobil yang lebih dulu membelah angina ketika mobil melaju dalam kecepatan tinggi.
Makanya untuk menciptakan keseimbangan di bagian depan, para mekanik WRCar paling concern pada bagian bumper. Tingkat aerodinamika pada bagian WRCar sangat vital. Pasalnya, FIA menerapkan regulasi untuk sistem pendingin mesin. Kalau mengikut aturan FIA, sistem pendinginan belum mampu bekerja secara maksimal untuk mendinginkan mesin. Makanya mobil harus mangandalkan udara sebagai alat pembantu pendinginan. Caranya dengan memodifikasi bentuk bumper semaksimal mungkin.
Bentuk bumper yang baik dengan tingkat aerodinamika yang tepat bisa membantu mendinginkan radiator dan intercooler. Selain itu membantu memotong (bypass) angina yang melewati ruang mesin. Volume udara dan kecepatan udara yang masuk dari depan dapat berfungsi mendinginkan intercooler. Wakhasil, intercooler yang dipasang bias berukuran lebih besar. Ada lagi perangkat yang terdapat di dekat bumper, yaitu air conduct, yang letaknya di bagian bawah bumper. Perangkat ini membantu mendinginkan
system rem sehingga suhunya tetap terjaga. Meski rem berkali-kali digunakan dalam keadaan kecepatan tinggi, sistemnya dapat bekerja dengan baik.
Untuk mendapatkan area pendinginan yang lebih luas untuk mesin, fog lamp yang dipasang di bumper harus berukuran kecil. Bentuk rumah fog lamp pun hemispherical jarena terbukti membantu tingkat aerodinamika mabil.
Bumper yang digunakan pada WRCar lebar-lebar. Fungsinya untuk menyesuaikan lebar kendaraan sehingga hambatan udara yang ditimbulkan oleh bagian depan dapat diminimalisasi. Biasanya untuk mengetahui baik tidaknya cara kerja bumper, mobil harus melalui pangujian di wind tunnel (terowongan angina) sehingga diketahui kecepatan aerodinamika yang dibutuhkan.
Bahan dasar pembuatan bumper terbuat dari flexible soft carbon. Bahkan ini anti pecah dan tidak gampang mengalami perubahan bentuk jika mobil bertabrakan. Dulu sebelum bahan ini digunakan, bumper WRCar terbuat dari karet.
Setelah bagian depan, modifikasi batu dilakukan untuk bagian belakang. Biasanya modifikasi belakang dilakukan untuk menyeimbangkan aerodinamika didepan. Umumnya yang paling diperhatikan di bagian belakang adalah rear deck spoiler. Bentuk bagian ini selalu berubah-ubah sesuai regulasi FIA.
Regulasi yang berlaku saat ini mengharuskan pamakaian rear deck spoiler yang lebih kecil. Agar bias menyesuaikan dengan regulasi baru tersebut, sejumlah mobil WRC mengandalkan jumlah wing. Dari hasil penambahan itu, down force
bagian belakang mobil semakin mencengkram.
Tapi ada juga yang menambhakan vertical rectifying plate (plat vertical pada wing belakang). Ini bertujuan untuk meningkatkan stabilitas kendaraan pada kecepatan menengah di tikungan saat kendaraan melakukan sliding. Dengan alat ini, mobil tidak akan out saat menmikung dengan kecepat tinggi

Terminologi yang berkaitan

Rezim aliran mampat dan mampat menghasilkan banyak fenomena terkait, seperti lapisan batas dan turbulensi.

Lapisan Batas

Konsep lapisan batas adalah penting dalam banyak masalah aerodinamis. Viskositas dan gesekan cairan di udara didekati sebagai signifikan hanya dalam lapisan tipis ini. Prinsip ini membuat aerodinamika yang jauh lebih penurut matematis.

Turbulensi

Dalam aerodinamika, turbulensi ditandai dengan kacau, perubahan properti stokastik dalam aliran. Ini termasuk difusi rendah momentum, konveksi momentum tinggi, dan variasi cepat tekanan dan kecepatan dalam ruang dan waktu. Arus yang tidak turbulen disebut aliran laminar.

Aerodinamika dalam lapangan lain

Aerodinamika adalah penting dalam sejumlah aplikasi lain selain teknik kedirgantaraan. Ini adalah faktor yang signifikan dalam setiap jenis desain kendaraan, termasuk mobil. Hal ini penting dalam prediksi kekuatan dan momen dalam berlayar. Hal ini digunakan dalam desain komponen mekanik seperti hard drive kepala. Insinyur struktur juga menggunakan aerodinamis, dan khususnya aeroelasticity, untuk menghitung beban angin dalam desain bangunan besar dan jembatan. Perkotaan aerodinamis berusaha untuk membantu perencana kota dan desainer meningkatkan kenyamanan dalam ruang outdoor, menciptakan iklim mikro perkotaan dan mengurangi efek dari polusi perkotaan. Bidang aerodinamis lingkungan mempelajari cara sirkulasi atmosfer dan mekanik pesawat mempengaruhi ekosistem. Aerodinamis dari bagian-bagian internal penting dalam pemanasan / ventilasi, pipa gas, dan mesin otomotif di mana pola aliran rinci sangat mempengaruhi kinerja mesin. Orang yang melakukan turbin angin menggunakan desain aerodinamis. Beberapa persamaan aerodinamis yang digunakan sebagai bagian dari prediksi cuaca numerik.