p a r a d o k s: Mengapa Pesawat Terbang Bisa Terbang?

Well, tentu saja pesawat bisa terbang karena mempunyai sayap dan mesin. Tulisan ini tidak dimaksudkan untuk menjelaskan pesawat secara rinci, melainkan hanya memaparkan hukum-hukum fisika dibalik proses terbangnya suatu pesawat. Saya juga hanya melakukan pembahasan secara kualitatif, karena saya bukan pakar pesawat terbang. Oke, tentulah yang pertama terpikirkan pada benda yang bergerak ialah gaya. Ya, pada pesawat ada empat gaya utama yang bekerja yaitu gaya berat (weight), gaya angkat (lift force), gaya dorong (thrust force), dan gaya gesek (drag).

Gaya berat ialah gaya yang menarik pesawat ke bawah akibat pengaruh gravitasi Bumi yang sebanding dengan massa pesawat.
Gaya angkat ialah gaya ke atas akibat dorongan udara yang dibelokkan ke atas dan perbedaan tekanan udara pada bagian bawah dan atas sayap.
Gaya dorong ialah gaya ke depan (ke arah moncong) pesawat akibat dorongan mesin ke belakang.

Gaya gesek ialah gaya ke belakang yang ditimbulkan oleh pergesekan badan pesawat dengan udara yang dipengaruhi oleh bentuk dan luas permukaan pesawat, viskositas udara, dan kecepatan pesawat.

Jadi, dapat disimpulkan gaya gaya angkat ialah gaya yang melawan gaya berat dan gaya gesek ialah gaya yang melawan gaya dorong. Saat pesawat belum terbang,otomatis hanya gaya berat yang ada. Begitu mesin dinyalakan barulah muncul gaya dorong, gaya angkat, dan gaya gesek. Gaya dorong jelaslah gaya yang diberikan oleh mesin ke belakang yang besarnya:

$F=ma=\rho Q v$

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:

$F_{lift}=F_0 \sin\theta$

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

$p_1+\frac{1}{2}\rho v_1^2+\rho g h_1=p_2+\frac{1}{2}\rho v_2^2+\rho g h_2$

Karena h₁ dapat dianggap sama dengan h₂, didapatkan:

$\Delta p=p_1-p_2=\frac{1}{2}\rho \left (v_2^2-v_1^2 \right )$

$F_{lift}=\Delta p \cdot A_{wing}$

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:

$f=kv$

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 di bawah ini.

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.