Aliran Udara (Air Flow)

I. Boundary Layer

Boundary layer adalah batas lapisan udara yang mengalir bergerak melalui sebuah benda dengan kecepatan lapisan udara dari yang terkecil sampai suatu daerah yang mempunyai kecepatan lapisan yang maksimum.

ketika udara melewati permukaan papan sebelah atas lebih kasar di bandingkan permukaan bawah. Karena pengaruh keadaan permukaan papan yang berlainan maka kecepatan lapisan udara yang maksimum dibawah permukaan papan mempunyai jarak yang lebih kecil terhadap papan dibandingkan dengan yang terjadi pada bagian atas papan. Jarak antara permukaan benda sampai dengan kecepatan aliran udara maksimum disebut ketebalan Boundary Layer.

Baca Juga : Contoh Soal Aliran Udara (Air Flow)

II. Gesekan Permukaan (Skin Friction) 

Setiap aliran udara yang melalui suatu benda akan mengalami pergesekan dengan permukaan benda tersebut. Gesekan ini akan menimbulkan suatu hambatan atau tahanan.

Besar kecilnya tahanan ini ditentukan oleh :
- Keadaan permukaan benda              
- Kecepatan udara yang mengalir (V)
- Letak benda terhadap aliran udara  
- Kerapatan udara                              

Aliran udara yang tetap (steady flow) adalah suatu aliran udara yang mengalir dengan kecepatan, tekanan serta kerapatan yang konstan pada setiap saat. Jadi pada setiap saat dan tempat yang tidak terhalang oleh benda lain, maka aliran udara ini disebut aliran udara yang tetap (steady flow). Kecepatan aliran udara yang tetap setelah melalui papan menjadi berkurang baik yang melalui permukaan atas maupun permukaan bawah papan.

Adanya perubahan atau pengurangan kecepatan udara ini dari yang rendah sampai dengan kecepatan maksimum disebabkan oleh adanya gesekan permukaan antara lapisan udara dengan permukaan papan. Lapisan udara yang letaknya makin jauh dengan permukaan papan maka kecepatannya akan membesar dan akhirnya sampai pada kecepatan yang maksimum.

Kecepatan udara yang maksimum adalah kecepatan udara yang sama dengan kecepatan udara sebelum melewati papan.

III. Bentuk-bentuk benda dan aliran udara

A. Hambatan bentuk ( form drag)
Hambatan bentuk adalah hambatan udara yang mengalir ditimbulkan oleh benda yang dilaluinya.
Sepotong papan yang diletakkan tegak lurus terhadap arah aliran udara, pada keadaan ini gesekan permukaan antara aliran udara dengan papan boleh dikatakan tidak ada (abaikan). Sedang yang terjadi pada aliran udara ini adalah suatu hambatan aliran udara. Hambatan jenis ini disebabkan karena lapisan-lapisan udara tertumbuk oleh permukaan.

Lapisan-lapisan udara karena tertumbuk permukaan papan akan berusaha untuk membelok keatas dan kebawah melalui ujung-ujung papan. Kemudian lapisan-lapisan udara ini akan memasuki daerah dibelakang papan. Hal ini terjadi karena daerah didepan papan adalah merupakan daerah yang disebut tempat berkumpulnya udara mati (dead air) dan mempunyai tekanan positif, sedang daerah dibelakang papan mempunyai tekanan negatif. Karena dibelakang papan bertekanan negatif, maka lapisan-lapisan udara dikedua ujung papan berusaha memasuki daerah yang bertekanan negatif ini. Lapisan udara didaerah ujung papan lebih merapat dari pada sebelum menumbuk papan, tetapi begitu ada daerah yang bertekanan negatif, maka lapisan-lapisan uadara masuk kedalam daerah yang bertekanan negatif dengan bentuk yang pecah. Lapisan-lapisan udara yang pecah ini kemudian membentuk aliran udara yang berpusar hambatan bentuk yang terjadi pada papan.

Lapisan-lapisan udara karena tertumbuk permukaan papan akan berusaha untuk membelok keatas dan kebawah melalui ujung-ujung papan. Kemudian lapisan-lapisan udara ini akan memasuki daerah dibelakang papan. Hal ini terjadi karena daerah didepan papan adalah merupakan daerah yang disebut tempat berkumpulnya udara mati (dead air) dan mempunyai tekanan positif, sedang daerah dibelakang papan mempunyai tekanan negatif. Karena dibelakang papan bertekanan negatif, maka lapisan-lapisan udara dikedua ujung papan berusaha memasuki daerah yang bertekanan negatif ini. Lapisan udara didaerah ujung papan lebih merapat dari pada sebelum menumbuk papan, tetapi begitu ada daerah yang bertekanan negatif, maka lapisan-lapisan uadara masuk kedalam daerah yang bertekanan negatif dengan bentuk yang pecah. Lapisan-lapisan udara yang pecah ini kemudian membentuk aliran udara yang berpusar hambatan bentuk yang terjadi pada papan ini sebesar 100%.

B. Hambatan Bentuk Bola
Pada kejadian ini lapisan-lapisan udara yang tertumbuk oleh permukaan bola terpisah menjadi dua bagian keatas dan kebawah. Lapisan-lapisan udara dibelakang bola akan berbentuk turbulen.

Hambatan bentuk yang terjadi pada Bola ini adalah sekitar 50%.
Hambatan bentuk pada bola yang diberi fairing. Aliran udara yang di  lewatkan pada sebuah bola yang bagian belakangnya diberi fairing (bagian penutup yang menyebabkan aliran udara menjadi laminar) akan menimbulkan hambatan bentuk sekitar 15%.  

C. Hambatan bentuk pada bentuk Streamline
Bentuk streamline adalah suatu bentuk yang sedemikian rupa sehingga bila dialiri oleh aliran udara akan menghasilkan aliran udara yang kacau (eddy motion) dalam jumlah yang paling kecil. Aliran udara yang melewati benda yang berbentuk streamline. Pada keadaan ini hambatan bentuk yang terjadi sekitar 5%.

IV. Aliran Udara Laminar dan Turbulence
Bila aliran udara mengalir melalui benda lain kemudian terjadi aliran lapisan-lapisan udara yang rata serta sejajar terhadap permukaan benda tadi, maka aliran udara yang demikian disebut aliran Laminar (laminar flow).

Bila keadaan permukaan benda yang dilalui oleh aliran udara ini tidak rata atau tidak halus, juga benda ini membentuk sudut terhadap arah alirannya, maka bentuk aliran udara ini menjadi lapisan-lapisan udara yang pecah dan kemudian berpusar ini disebut aliran turbulen.
Titik pemisah antara aliran laminar dengan aliran turbulence disebut Transition Point (TP). Transition Point ini akan maju kearah Leading edge apabila sudut serang pesawat makin besar jika tidak slot yang membatasinya. Apabila udara dialirkan kepada sebuah Airfoil, maka udara tersebut terbagi 2, sebagian melalui atas airfoil, sebagian lainnya melewati bagian bawah airfoil. Tetapi ada berkas udara yang tidak membelok keatas maupun kebawah dan akan mengenai titik S pada Leading edge. Dititik S kecepatan aliran udara adalah 0, akan tetapi tekanan udara adalah besar dan titik ini disebut “stop point” atau “stagnation point”.

V. Pipa Venturi
Pipa venturi adalah sebuah pipa yang ada pada bagian tengahnya menyempit.
Penampang pipa bagian depan yang berhadapan dengan aliran udara adalah D1. Sedangkan penampang pada daerah yang menyempit adalah D2.

Bila dialirkan udara melalui daerah A1 dan kemudian akan keluar lagi melalui ujung bagian belakang. Pada pipa U sebelum aliran udara dialirkan atau diisi dengan air raksa (Hg). Terlihat bahwa lapisan aliran udara pada daerah yang menyempit lebih rapat bila diabndingkan dengan pada saat akan memasuki dan meninggalkan pipa venturi.

Kecepatan udara pada daerah A1 adalah V1 tekanan udara adalah P1, sedang pada daerah yang menyempit A2 kecepatan udara adalah V2, tekanan udara P2.

Pipa venturi diasumsikan:
- Udara yang tidak dapat ditekan (incrompessible)
- Aliran udara yang tetap (steady flow)
- Bagian dalam dari pipa venturi merupakan bentuk yang streamline.

Baca Juga : High Lift Devices

VI. Persamaan Bernoulli

Teori Bernoulli
Daniel Bernoulli (ilmuan Swiss) melakukan suatu percobaan dengan mengalirkan udara kedalam pipa venturi. Pipa venturi adalah pipa yang diameternya tidak sama, dan jika dialirkan udara alirannya stream line, dimana udara ini bersifat aliran udara yang tetap (steady flow), tidak dapat ditekan (incompressibility) dan tidak bersifat kental (non viscious). Kecepatan udara yang dialirkan adalah sub-sonic.

Dalam percobaan ini, Bernoulli berpedoman pada hukum kekekalan yang menyatakan bahwa jumlah energi yang mengalir dalam pipa tertutup adalah konstan. Jumlah energi yang diperhitungkan disini adalah energi kinetis dan energi tekanan.
Jadi:
Energi kinetis + Energi tekan = konstan

Dalam hal ini:
Energi kinetis  =   ½  ρ  v²
Energi tekan    =   P

Sehingga kita dapatkan:
½  ρ  v²  +  p      = konstan, atau
½  ρ 1  v1²  + p1 = ½  ρ 2  v2²  + p2
Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa pada penampang yang menyempit kecepatan udara bertambah sementara tekanan statis berkurang, sementara pada penampang yang membesar kecepatan berkurang dan tekanan statisnya semakin besar.

VII. Pengukuran kecepatan udara

Untuk mengukur kecepatan udara adalah dengan menggunakan pipa pitot statis. Pipa pitot adalah sebuah pipa yang kontruksi ruangannya terbagi atas dua bagian. Didalam pipa yang besar A pasang sebuah pipa kecil B. Pada pipa besar A diberi beberapa lubang kecil disebelah kanan dan kiri, kemudian ruangan pipa besar A yang mempunyai lubang-lubang kecil ini dihubungkan dengan sebuah pipa kecil lainnya C. Untuk selanjutnya pipa kecil B disebut dengan pipa PITOT, sedang pipa kecil lainnya yang menghubungkan lubang-lubang kecil tadi disebut pipa STATIC. Pipa Pitot disebut juga pipa tekan (pressure tube). Pipa ini dipasang sedemikian rupa sehingga letak ujung pipa tekan ini menghadap secara frontal terhadap arah aliran udara. Kedudukan ujung pipa tekan yang demikian akan menyebabkan seluruh aliran udara yang ada didepan pipa tekan tekan tidak terhadang pada saat akan masuk kedalamnya. Pipa tekan ini kemudian dihubungkan dengan ruang tekan (Pressure Camber) pada instrumen Airspeed Indicator (ASI). Sedang ujung pipa static dihubungkan dengan ruang statik (static chamber).

Kontruksi Airspeed Indicator adalah sebuah kapsul, yaitu sebuah kotak kecil yang bergelombang yang dibuat dari plat kuningan yang sangat tipis. Kapsul ini ditempatkan pada sebuah ruangan instrumen (instrumen case), dan ujung kapsul ini dihubungkan dengan pipa tekan (pipa pitot). Pipa static dihubungkan dengan ruangan instrumen.

Prinsip penunjukkan kecepatan udara dengan instrumen Airspeed indicator adalah bila terjadi perbedaan tekanan yang ditimbulkan oleh tekanan dinamis yang memasuki pipa pitot dengan tekanan udara statik yang terjadi didaerah lubang-lubang kecil statik. Perbedaan tekanan ini akan menyebabkan kapsul tadi akan mengembang dan kemungkinan juga mengempis. Dengan pengembangan dan pengempisan kapsul ini akan menyebabkan bergeraknya jarum penunjuk pada instrumen Airspeed Indicator. Berdasarkan teori serta persamaan Bernoulli aliran udara pada pipa pitot static kita dapatkan:
P1+1/2 ρ V1²= P2+1/2 ρ.V2²

Perbedaan tekanan (Δp), tekana dinamis:

Δp = p1 – p2 = ½ p (V2²-V1²)

Karena V1 = 0, maka persamaan diatas menjadi:
P=P1-P2=1/2 ρ V2²

V2²= 2Δp                                 V2=  Δp
           ρ                                              ρ

VIII. Kesalahan-kesalahan pengukuran kecepatan udara

Pengukuran kecepatan udara (airspeed) dengan menggunakan pipa pitot static belum menunjukkan harga yang sangat tepat. Beberapa kesalahan terjadi, sehingga penunjukkan instrumen Airspeed Indicator (ASI) perlu diadakan koreksi. Kesalahan-kesalahan tersebut ialah:

- Kesalahan instrumen ASI pada waktu pembuatan
Kesalahan instrumen ini disebabkan pada saat diadakan kalibrasi, terjadi penyimpangan bila dibandingkan terhadap ketentuan standar dari NACA Technical Report 42. Bila terjadi penyimpangan yang masih dalam batas toleransi, maka instrumen ini harus diberi kartu kalibrasi yang selalu mengikuti instrumen ini.

- Kesalahan posisi dan desain
Kesalahan ini disebabkan oleh kesalahan penempatan pipa pitot static terhadap pesawat terbang. Pipa pitot static harus diletakkan sedemikian rupa sehingga arah pipa pitot static ini sejajar dengan sumbu longitudinal pesawat dan bebas dari adanya gangguan aliran udara yang turbulence. Untuk sumber lubang-lubang static agar ditempatkan pada daerah fuselage yang rata pada kedua pihak, kanan dan kiri juga yang bebas terhadap gangguan aliran udara turbulence.

- Kesalahan akibat kecerobohan perawatan instrumen
Karena adanya kecerobohan pada waktu perawatan pesawat terbang, khususnya yang berhubungan dengan sistem pipa pitot static, kemungkinan terjadi kebocoran pipa-pipa sistem yang menghubungkan pipa pitot static dengan instrumen ASI.

- Kesalahan ini akan bertambah besar bila kebocoran pipa sistem ini akan bertambah besar, misalnya karena akibat getaran pesawat terbang yang timbul.

- Kesalahan yang disebabkan adanya perubahan tekanan atmosfir yang sangat cepat.

- Pada saat pesawat terbang manuver yang sangat cepat, sehingga terjadi perubahan ketinggian serta kecepatan yang sangat cepat pula. Hal ini akan sangat berpengaruh terhadap besaran kerapatan udara, sehingga penunjukkan instrumen ASI akan mengalami kesalahan.

Istilah-istilah dalam AirSpeed
Perlu sekali diberikan definisi untuk beberapa pengertian yang berhubungan dengan airspeed, sehingga penerbang dapat menghitung beberapa kecepatan pesawat terbang yang sebenarnya.

- Indicated Airspeed (IAS atau Vi)
adalah kecepatan terbang berdasarkan pembacaan dari instrumen ASI.

- Basic Airspeed (BAS atau Vb)
adalah kecepatan pesawat terbang yang telah diadakan koreksi pada Indicated Airspeed (IAS) karena faktor kesalahan instrumen.

- Calibrated Airspeed (CAS atau Vc)
Kecepatan pesawat terbang yang didapatkan dari koreksi karena adanya kesalahan letak (poisisi) pipa Pitot Static terhadap pesawat terbang.

- Equivalent Airspeed (EAS atau Ve)
Kecepatan pesawat terbang ini didapatkan dari koreksi akibat pengaruh sifat udara yang dapat ditekan (compressibility) pada Vc atau Calibrated Airspeed.

- True Airspeed (TAS atau V)
Ini adalah kecepatan pesawat terbang yang sebenarnya. Kecepatan pesawat ini telah dikoreksi terhadap perubahan density ratio.
True airspeed ini didapatkan dari:

V = Ve x  √1  , knots      
                   
             = density ratio

Baca Juga : Penerbangan Abnormal