Kita sering secara sekilas melihat pesawat yang sedang terbang di langit, namun tanpa pemahaman tentang prinsip-prinsip apa saja yang terlibat pada pesawat untuk dapat terbang. Mungkin terbersit rasa penasaran di benak kita aka bagaimana bisa mesin-mesin yang berat tersebut melayang di udara? Apa yang membuat pesawat tetap di udara dan tidak terjatuh? Dan pertanyaan-pertanyaan lain yang serupa yang intinya adalah mengapa pesawat dapat terbang di udara? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita harus sedikit memasuki dunia mekanika fluida.
Para ahli fisika mengklasifikasikan zat cair dan zat gas sebagai fluida atau cairan, didasarkan pada fakta bahwa keduanya sama-sama dapat mengalir. Meskipun udara, air dan oli mungkin tampak seperti zat yang sangat berbeda, ketiganya memiliki prinsip dan hubungan matematika yang sama. Bahkan, tes aerodinamis dasar kadang-kadang dilakukan di bawah air. Inti dari masalah adalah bahwa di angkasa yang tampak kosong, sebenarnya terdapat lapisan cairan yang sangat besar. Dan penggunaan aplikasi fisika yang tepat dapat memungkinkan bagi manusia untuk bisa melintasinya.
Agar bisa terbang, pesawat harus bisa memanfaatkan empat gaya aerodinamis dasar yaitu lift (gaya angkat), weight (berat), thrust (gaya tolak atau dorongan) dan drag (gaya gesek atau hambatan). Anda dapat membayangkan keempat gaya tersebut sebagai empat lengan yang menahan pesawat di udara, yang masing-masing menarik dari arah yang berlainan.
 |
| credit: howstuffworks.com |
Dorongan dan Hambatan
Gaya tolak atau doronan baik yang disebabkan oleh baling-baling atau mesin jet, adalah kekuatan aerodinamis yang mendorong atau menarik pesawat maju melalui ruang. Kekuatan aerodinamis lawannya adalah gaya gesek atau hambatan yang menghambat gerakan suatu benda melalui fluida (atau tidak bergerak dalam fluida yang bergerak, seperti yang terjadi ketika anda menerbangkan layang-layang).
Jika anda mengeluarkan tangan anda keluar dari jendela mobil saat mobil bergerak, anda akan mengalami demonstrasi sederhana dari hambatan ini. Jumlah gaya yang dibuat tangan anda tergantung pada beberapa faktor, seperti ukuran tangan anda, kecepatan mobil dan kepadatan udara. Jika anda memperlambat kecepatan mobil, anda akan merasakan bahwa hambatan di tangan anda akan menurun.
Kita dapat melihat contoh lain dari pengurangan gaya gesek dengan udara ini saat kita menonton balap moto gp, atau balap motor lainnya. Setiap kali para pembalap mendapatkan kesempatan, mereka akan merapatkan badan mereka serapat mungkin dengan motornya. Dengan membuat diri mereka menjadi "lebih kecil", gaya gesek yang mereka ciptakan akan menurun, sehingga mereka dapat melaju dengan lebih cepat melintasi sirkuit balap.
Sebuah pesawat jet penumpang selalu menarik roda pendaratannya setelah lepas landas untuk alasan yang sama, yakni untuk mengurangi gesekan dengan udara. Sama seperti pembalap motor, para pilot ingin membuat pesawat mereka sekecil mungkin. Selain itu, jumlah gesekan yang dihasilkan oleh roda pendaratan dengan udara sangat besar, begitu besarnya sehingga pada kecepatan jelajah, roda tersebut dapat langsung patah dan terlepas dari pesawat.
Agar pesawat dapat terbang, gaya tolak harus sama atau lebih besar dari gaya gesek. Jika jumlah gaya gesek menjadi lebih besar dari jumlah gaya tolak, pesawat akan melambat. Jika gaya tolak meningkat hingga lebih besar dari gaya gesek, maka pesawat akan melaju lebih cepat.
Berat dan Gaya Angkat
Berat merupakan gaya yang menarik pesawat ke arah Bumi. Setiap benda di bumi memiliki berat, hasil dari gravitasi dan massa. Sebuah pesawat penumpang Boeing 747-8, misalnya, memiliki berat lepas landas maksimum 487,5 ton.
Lawan dari berat adalah gaya angkat. Gaya angkat ini dicapai melalui penggunaan sayap, yang juga dikenal sebagai airfoil. Seperti gaya gesek, gaya angkat hanya ada pada fluida bergerak. Tidak masalah jika benda tersebut diam dan cairan yang bergerak, atau jika cairan diam dan benda yang bergerak untuk melaluinya. Yang penting adalah perbedaan relatif kecepatan antara benda dan cairan.
Gaya angkat pada pesawat terjadi ketika udara melewati sayap. Sayap membagi aliran udara dalam dua arah, ke atas sayap dan turun di sepanjang bagian bawah sayap. Sayap dibentuk dan dimiringkan sedemikian rupa sehingga udara yang mengalir di atas sayap bergerak lebih cepat dari udara yang mengalir di bawahnya. (Klik next pada video di atas untuk melihat ilustrasinya).
Ketika udara mengalir di sebuah benda dan menemukan sebuah rintangan (seperti tonjolan atau peningkatan mendadak pada sudut sayap), jalur udara akan menyempit dan kecepatan aliran udara akan meningkat. Setelah melewati rintangan tersebut, jalurnya kembali melebar dan aliran akan melambat lagi. Jika anda pernah menyiram tanaman dengan menggunakan selang, anda dapat mengamati prinsip ini. Dengan sedikit menutupi selang, anda mempersempit jalur aliran cairan, dan mempercepat laju air. Ketika anda melepaskannya, aliran air kembali ke keadaan sebelumnya.
Ketika kecepatan udara meningkat, tekanannya akan menurun. Jadi, udara yang bergerak lebih cepat di atas sayap, tekanannya akan lebih rendah dibandingkan udara yang bergerak lebih lambat di bawah sayap. Hasilnya adalah gaya angkat ke atas dan pesawat pun dapat terbang melayang di udara. Dalam bidang dinamika fluida, hal ini dikenal sebagai prinsip Bernoulli.
