Bagaimana Pesawat Udara Bisa Terbang

 Secara kodrati manusia diciptakan untuk hidup di darat. Manusia tidak memiliki alat gerak yang bisa digunakan untuk terbang. Namun, burung-burung yang dapat terbang bebas di angkasa telah memberi inspirasi bagi manusia untuk menjelajah lebih jauh dari habitatnya. Kemampuan untuk terbang bebas di angkasa menjadi suatu simbol kebebasan dan lepas dari belenggu gravitasi. 

Pada awalnya manusia menganggap bahwa untuk bisa terbang maka kita harus melakukannya sebagaimana burung terbang. Dan satu-satunya cara adalah dengan mengepakkan sayap seperti halnya burung. Atas dasar itu lah kemudian bermunculan para peloncat-peloncat menara dengan desain sayap yang mereka ciptakan sendiri. Mereka tidak hanya satu, tapi puluhan, dengan satu mimpi yang sama: terbang. Namun malang, tak ada satupun yang berhasil. Bahkan lebih banyak yang justru menemui ajal.

Orang sekaliber Leonardo da Vinci pun ikut terbawa oleh euforia impian terbang. Da Vinci pernah manciptakan suatu desain mesin terbang yang disebut ornitopter. Meskipun bukan alat yang berhasil membuat manusia dapat terbang, namun saya sangat kagum dengan desain ini. Berbeda dengan para peloncat menara, da Vinci tidak lah bodoh. Sebelum desainnya direalisasikan, ia segera meyadari bahwa tidak mungkin manusia -dengan tenaga yang dimilikinya- bisa melakukan pengendalian, mengepakkan sayap, dan navigasi dalam waktu bersamaan. Banyak waktu yang ia curahkan untuk sekedar mempelajari bagaimana burung-burung terbang.
Suatu pernyataan da Vinci yang begitu visioner adalah metode separasi. Sekitar 1500 tahun yang lalu da Vinci telah mengemukakan bahwa untuk bisa terbang cukuplah dilakukan dengan sayap tetap dan memberinya gaya dorong. Hal ini didasari dari hasil pengamatannya dari teknik burung untuk terbang. Menurutnya, sayap burung terdiri dari dua bagian yang memiliki fungsi masing-masing. 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.
Lalu bagaimana pesawat udara dapat terbang? Adalah suatu yang salah jika kita berfikir bahwa mesin (engine) lah menyebabkan pesawat dapat terbang. Pada dasarnya, sayap lah yang memberi gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang, sedangkan engine hanya memberi gaya dorong (thrust) untuk bengerak maju. Jadi, kesimpulan mudahnya adalah bahwa pesawat udara (bukan pesawat antarikasa) dapat terbang karena memiliki sayap.
Pertanyaan selanjutnya, bagaimana gaya angkat (lift) dapat terbangkit di sayap? Secara mudah dapat dijelaskan bahwa gaya angkat terbangkitkan karena ada perbedaan tekanan di permukaan atas dan permukaan bawah sayap. Bentuk airfoil sayap diciptakan sedemikian rupa agar tercipta karakteristik aliran yang sesuai dengan keinginan. Singkatnya, gaya angkat akan ada jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan sayap. Perbedaan tekanan ini dapat terjadi karena perbedaan kecepatan aliran udara diatas dan dibawah permukaan sayap. Sesuai hukum Bernoulli semakin cepat kecepatan aliran maka tekanannya makin rendah. Besarnya gaya angkat yang dibangkitkan berbanding lurus dengan Luas permukaan sayap, kerapatan udara, kuadrat kecepatan, dan koefisien gaya angkat.
Jadi, untuk pesawat udara, engine berfungsi memberikan gaya dorong agar pesawat dapat bergerak maju. Akibat gerak maju pesawat maka terjadi gerakan relatif udara di permukaan sayap. Dengan bentuk geometri airfoil tertentu dan sudut serang sayap (angel of attack) tertentu maka akan menghasilkan suatu karakteristik aliran udara dipermukaan sayap yang kemudian akan menciptakan beda tekanan dipermukaan atas dan permukaan bawah sayap yang kemudian membangkitkan gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang.

 

Di mana Q ialah debit udara yang dihasilkan oleh pesawat (massa per satuan waktu) dan v ialah kecepatan udara yang dikeluarkan.

Sekarang giliran gaya angkat. Gaya angkat sebenarnya dihasilkan dari gaya dorong mesin, yang sebagian “dibelokkan ke atas” manjadi gaya angkat melalui mekanisme yang dipengaruhi oleh bentuk sayap. Sisanya tetap menjadi gaya dorong ke depan yang dikurangi oleh gaya dorong ke belakang. Mekanisme yang saya maksudkan tadi melibatkan dua hukum fisika,yaitu Hukum III Newton dan Hukum Bernoulli.

1. Hukum III Newton

Posisi sayap dipasang membentuk sudut tertentu dari sumbu lateral, yakni di bagian depan (dekat moncong pesawat) sedikit lebih naik (disebut angle of attack). Dengan demikian, jika peswat bergerak ke depan maka udara relatif bergerak menghantam sayap, sehingga sayap mendapat gaya angkat ke atas. Hal ini mudah dicoba di rumah dengan menggunakan kardus dan kipas angin. Letakkan kardus di depan kipas angin dengan bagian yang lebih dekat ke kipas angin lebih terangkat ke atas. Akibatnya, kardus akan mendapatkan gaya dorong tidak hanya ke belakang tetapi juga ke atas. Proses ini dijelaskan dengan hukum III Newton sebagai proses aksi-reaksi. Untuk lebih jelas, perhatikan gambar.

Secara sederhana, besarnya gaya dorong udara yang diterima sayap yang dikonversi menjadi gaya angkat ialah:

2. Hukum Bernoulli

Menurut hukum bernoulli, fluida berkelajuan tinggi yang bebas mengalir memiliki tekanan yang lebih rendah dibanding fluida sejenis yang berkelajuan lebih rendah. Fenomena ini diterapkan pada pesawat melalui perancangan penampang lintang pesawat (disebut aerofoil [British] atau airfoil [Amerika]). Struktur airfoil berbentuk aerodinamis pada bagian atas (streamline) sehingga udara yang di atasnya bergerak lebih cepat daripada udara di bagian bawah. Akibatnya, tekanan udara di bawah sayap lebih besar daripada tekanan udara di atas sayap yang menyebabkan gaya dorong ke atas. Dengan persamaan Bernoulli

Karena h₁ dapat dianggap sama dengan h₂, didapatkan:

Skemanya kurang lebih seperti di bawah ini:

Sekarang untuk gaya gesek, gaya gesek dapat dicari dari Hukum stokes. Untuk aliran laminar diperoleh besarnya hambatan udara:

Nilai k bergantung dari bentuk geometris tiap tiap benda. Untuk benda besar macam pesawat, akan tercipta turbulensi di bagian belakan sehingga aliran udara tidak lagi laminar. Berdasarkan percobaan, besarnya gaya gesekan pada alira turbulen sebanding dengan kuadrat kecepatannya. Setelah gaya dorong mesin dikurangi dengan gaya geseknya, diperolehlah gaya dorong netto, yang menyebabkan pesawat melaju ke depan.

Nah, sekarang kita akan sedikit membahas mengenai kontrol/kemudi pesawat. Secara konvensional, pesawat memiliki tiga macam kemudi untuk bergerak dalam tiga sumbu yakni rudder, elevators, dan aileron. Jalasnya dapat dilihat pada tabel.

nama	gerak	letak
elevator	pitch (pada sumbu lateral)	horizontal tail/tailplane (sepasang)
rudder	yaw (pada sumbu vertikal )	vertical tail/fin
aileron	roll (pada sumbu longitudinal)	wing (sepasang)

Pada dasarnya, sistem gerak itu berupa pelat berengsel yang dihubungkan dengan sayap dan sayap ekor. Misalkan rudder pada fin, jika engselnya lurus, udara akan bergerak dengan simetris sehingga pesawat terbang lurus. Jika pelatnya digerakkan ke kanan misalnya, udara yang bergerak di kanan akan mendapatkan drag tambahan, sehingga tekanan udara pada kanan ekor lebih tinggi dibanding di sebelah kiri. Akibatnya ekor pesawat akan mendapatkan torka ke ke kiri sehingga moncong pesawat akan bergerak ke kanan yang menyebabkan gerak gelengan (yaw). Begitu juga halnya jika rudder bergerak ke kiri maka moncong akan berputar ke kiri.

Begitu pula pada elevator yang menyebabkan gerak anggukan (pitch). Jika kedua elevator kiri dan kanan) bergerak ke atas, tekanan udara di atas ekor akan lebih besar sehingga ekor bergerak ke bawah dan moncong pesawat naik ke atas.

Yang sedikit berbeda ialah sepasang aileron yang terletak pada sayap. Aileron dibuat sedemikian rupa sehingga jika yang kiri naik ke atas maka yang kanan turun ke bawah dan sebaliknya. Jika aileron kiri naik ke atas, tekanan udara di bagian atas menjadi lebih besar sehingga sayap kiri akan mendapatkan torka ke bawah. Di sisi lain aileron kanan akan turun ke bawah, menyebabkan sayap kanan mendapatkan torka ke atas. Torka ke atas di sayap kanan dan torka ke bawah di sayap kiri menyebabkan pesawat berguling (roll) ke arah kiri. Demikian juga untuk roll ke kanan, aileron kiri turun dan aileron kanan naik.

Pesawat terbang biasanya juga dilengkapi dengan sepasang flaps pada sayap di bagian dalam. Jika flaps diturunkan ke bawah, akan menambah sudut angle of attack dari flaps sehingga menghasilkan gaya angkat lebih, tetapi juga hambatan lebih untuk memperlambat laju pesawat.