Diterjemahkan secara bebas dengan sepengetahuan FAA (Federal Aviation Administration) dari Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge. Dokumen asli bisa anda dapatkan di website www.faa.gov
Bab ini adalah diskusi tentang hukum-hukum alam yang sangat mendasar yang mempengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada sebuah pesawat yang terbang, dan apa efek dari hukum alami dan gaya-gaya ini pada karakteristik kinerja dari pesawat. Untuk benar-benar mengendalikan sebuah pesawat, seorang penerbang harus mengerti prinsip-prinsip yang terlibat dan belajar untuk memanfaatkan atau menetralkan gaya-gaya alam ini. Pesawat umum modern mempunyai sesuatu yang disebut dengan karakter berkinerja tinggi (high performance). Karena itu terjadi peningkatan syarat bahwa penerbang memahami dan mengerti prinsip-prinsip dari dasar seni penerbangan.
Atmosfir tempat dimana sebuah penerbangan dilakukan adalah gumpalan udara yang mengelilingi bumi dan melekat di permukaannya. Jumlah udaranya juga sebanyak jumlah daratan dan lautan. Tapi, bagaimanapun, udara berbeda dari daratan dan lautan karena terdiri dari campuran banyak gas. Udara memiliki massa, berat dan bentuk yang tak tetap.
Udara seperti halnya fluida lain, mempunyai kemampuan untuk mengalir dan berubah bentuk ketika harus menyeimbangkan perbedaan tekanan yang kecil sekalipun, karena kurangnya kohesi molekul. Sebagai contoh, gas akan memenuhi sebuah bejana tempat dia ditaruh, mengembang atau mengkerut untuk menyesuaikan bentuknya dengan dibatasi oleh bentuk bejana tersebut.
Atmosfir terdiri dari 78 persen nitrogen, 21 persen oksigen dan 1 persen gas-gas yang lainnya, seperti argon dan helium. Karena beberapa unsur lebih berat dari yang lainnya, maka ada kecenderungan alami bagi unsur yang lebih berat seperti oksigen untuk berada di permukaan bumi, sedangkan unsur yang lebih ringan akan terangkat ke bagian yang lebih tinggi. Hal ini menerangkan mengapa sebagian besar oksigen berada di bawah ketinggian 35000 kaki.
Karena udara memiliki massa dan berat, maka ia disebut benda, dan sebagai sebuah benda maka ia akan bereaksi pada hukum-hukum fisik seperti halnya benda gas yang lain. Karena memiliki berat di permukaan bumi, maka udara memberikan tekanan rata-rata 14.7 pon (lbs) pada setiap inci persegi, atau 22,92 inci dari air raksa- tapi karena ketebalannya terbatas, makin tinggi makin berkurang udara di atas. Karena alasan ini maka berat atmosfir di ketinggian 18000 kaki hanyalah setengah dari beratnya di permukaan laut.
Tekanan Atmosfir
Meskipun banyak sekali macamnya tekanan, diskusi ini terutama berisi tentang tekanan atmosfir. Tekanan atmosfir ini adalah faktor penting dari perubahan cuaca, membantu mengangkat pesawat, dan menggerakkan beberapa instrumen penerbangan penting dalam pesawat udara.
Instrumen-instrumen ini adalah altimeter (penunjuk ketinggian), indikator airspeed (kecepatan udara), indikator rate-of-climb (kecepatan menanjak), dan penunjuk tekanan manifold.
Meskipun udara sangat ringan, tapi memiliki massa dan dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Maka, udara juga seperti halnya benda lain, memiliki berat dan memiliki gaya. Karena udara merupakan zat cair, maka gaya yang dimilikinya bekerja secara sama-rata ke semua arah, dan efek gayanya pada udara disebut tekanan (pressure). Pada kondisi baku di permukaan laut, rata-rata tekanan yang diterima pada tubuh manusia oleh atmosfir adalah sekitar 14,7 pon/inci. Kepadatan udara mempunyai efek yang berarti pada kemampuan pesawat terbang. Jika udara berkurang kepadatannya maka akan berakibat berkurangnya:
tenaga, karena mesin mendapatkan udara yang lebih sedikit,
thrust (gaya dorong) karena efisiensi baling-baling menjadi berkurang pada udara tipis,
lift (gaya angkat) karena udara tipis memberikan gaya yang lebih sedikit pada airfoil.
Efek tekanan pada kepadatan udara
Karena udara adalah gas, maka dapat ditekan atau dikembangkan. Pada waktu udara ditekan, jumlah udara yang lebih banyak dapat menempati sebuah volume. Sebaliknya pada waktu tekanan di sebuah volume udara berkurang, udara mengembang dan menempati tempat yang lebih besar. Maka, sejumlah udara pada tekanan yang lebih rendah berisi udara dengan massa yang lebih rendah. Dengan kata lain, kepadatannya berkurang. Pada kenyataannya kepadatan adalah berbanding lurus secara proporsional dengan tekanan. Jika tekanan bertambah dua kali maka kepadatan akan bertambah dua kali, dan jika tekanan dikurangi maka kepadatan juga akan berkurang. Hal ini benar hanya jika pada suhu yang tetap.
Efek suhu pada kepadatan udara
Efek dari bertambahnya suhu pada sebuah benda adalah berkurangnya kepadatan. Sebaliknya, berkurangnya suhu menambah kepadatan. Maka, kepadatan udara berubah-ubah secara terbalik dengan perubahan suhu. Pernyataan ini hanya benar pada nilai tekanan yang konstan.
Di atmosfir, suhu dan tekanan, keduanya berkurang sesuai dengan bertambahnya ketinggian, dan memiliki efek dengan kepadatan udara. Bagaimanapun, jatuhnya tekanan pada ketinggian yang bertambah, mempunyai efek yang dominan. Kepadatan juga dapat diperkirakan menurun jika ketinggian bertambah.
Efek kelembaban udara
Pada paragraf sebelumnya diasumsikan bahwa udara kering sempurna. Pada kenyataannya, udara tidak pernah benar-benar kering. Sejumlah kecil uap air terdapat dalam atmosfir hampir dapat diabaikan pada kondisi-kondisi tertentu, tapi pada kondisi yang lain kelembaban udara dapat menjadi faktor penting pada kinerja pesawat udara. Uap air lebih ringan dari udara, konsekwensinya, udara basah lebih ringan daripada udara kering. Udara basah paling ringan atau paling renggang pada waktu, - dengan kondisi tertentu-, mengandung jumlah maksimum uap air. Makin tinggi suhu, makin banyak jumlah uap air yang dapat dibawa oleh udara. Ketika membandingkan dua massa udara yang berbeda, yang pertama hangat dan basah (keduanya cenderung meringankan udara) dan kedua adalah dingin dan kering (keduanya memperberat udara), contoh yang pertama pasti lebih renggang dari yang kedua. Tekanan, suhu, dan kelembaban mempunyai pengaruh besar pada kinerja pesawat terbang, karena efek mereka pada kepadatan udara.
Pada abad ke 17, seorang filosof dan ahli matematika, Sir Isaac Newton, mengemukakan 3 hukum dasar tentang gerak. Memang pada saat itu dia tidak memikirkan tentang pesawat terbang, tapi semua yang kita tahu tentang gerakan mengacu pada tiga hukum dasarnya. Hukum ini, yang disebut hukum Newton adalah sebagai berikut:
Hukum pertama Newton: Sebuah benda yang diam akan tetap diam, dan sebuah benda yang bergerak akan cenderung tetap bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama. Dengan sederhana, secara alami, tak ada yang mulai atau berhenti bergerak sampai ada gaya dari luar benda tersebut yang menyebabkan benda tersebut bergerak atau berhenti bergerak. Sebuah pesawat yang parkir di ramp akan tetap diam sampai ada sebuah gaya yang cukup untuk melawan inersia diberikan pada pesawat tersebut. Begitu pesawat tersebut bergerak, maka inersia yang dimiliki menjaga pesawat agar tetap bergerak, tergantung juga dari bermacam-macam gaya yang bekerja pada pesawat tersebut. Gaya-gaya tersebut mungkin menambah gerakan pesawat, atau memperlambat atau mengubah arah pesawat.
Hukum kedua Newton mengatakan, jika sebuah benda diberikan aksi oleh sebuah gaya yang konstan, hasilnya adalah akselerasi kebalikan yang proporsional dengan massa benda tersebut dan searah dengan gaya yang diberikan. (Dalam bahasa sederhananya: Percepatan sebuah benda yang diberi gaya adalah sebanding dengan besar gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. Editor). Yang sedang dibahas di sini adalah faktor-faktor yang terlibat dalam mengatasi Hukum Newton yang pertama, hukum inersia. Hukum ini meliputi kedua perubahan yaitu arah dan kecepatan, termasuk mulai bergerak dari posisi diam (akselerasi positif) dan berhenti dari posisi bergerak (akselerasi negatif atau deselerasi).
Hukum ketiga Newton menyatakan bahwa: ketika sebuah benda memberikan gaya pada benda lain, benda kedua akan memberikan gaya pada benda pertama, dengan sebuah gaya dengan kekuatan yang sama tapi berbeda arah.
Senapan yang terhentak ke belakang pada waktu ditembakkan adalah contoh yang jelas dari hukum Newton yang ketiga ini. Perenang lomba yang menekan tembok kolam renang pada waktu berbalik, atau seorang balita yang belajar berjalan adalah fenomena yang diterangkan oleh hukum ini. Pada sebuah pesawat, baling-baling bergerak dan menekan udara ke belakang, akibatnya udara menekan baling-baling (juga pesawatnya) pada arah yang berlawanan- ke depan. Pada sebuah pesawat jet, mesin menghembus tekanan udara panas ke belakang, gaya yang sama dan dengan arah kebalikannya menekan kembali mesin dan menekan pesawat ke depan. Gerakan dari semua kendaraan adalah gambaran yang jelas dari hukum ketiga Newton.
Penjelasan tentang gaya angkat (lift) dapat dijelaskan dengan melihat pada sebuah silinder yang berputar di aliran udara. Kecepatan lokal di dekat silinder adalah terdiri dari kecepatan aliran udara dan kecepatan putaran silinder, yang berkurang jika jaraknya makin jauh dari silinder. Pada sebuah silinder yang berputar dengan bagian atas bergerak searah dengan aliran udara, maka kecepatan udara setempat di bagian atas akan lebih cepat dari pada di bagian bawah.
Seperti terlihat dalam gambar, di titik “A”, sebuah titik stagnasi terbentuk di mana aliran udara yang mengenai permukaan terpisah, sebagian ke atas dan sebagian ke bawah. Titik stagnasi yang lain adalah titik “B” ketika kedua aliran udara bergabung dan melanjutkan dengan kecepatan yang sama. Sekarang kita memiliki 'upwash' di depan silinder berputar tersebut dan 'downwash' di belakang.
Perbedaan kecepatan di permukaan melibatkan perbedaan tekanan, dengan tekanan yang lebih rendah di atas dibandingkan dengan tekanan yang ada di bawah. Daerah bertekanan rendah mengakibatkan gaya ke atas yang dikenal dengan “Efek Magnus”. Sirkulasi udara yang disebabkan secara mekanis menggambarkan hubungan antara sirkulasi dan gaya angkat (lift).
Sebuah airfoil dengan angle of attack yang positif membentuk sirkulasi udara pada waktu ujung sayap belakang (trailing edge) yang tajam memaksa titik stagnasi di belakang “trailing edge” sedangkan titik stagnasi depan di bawah “leading edge” (ujung sayap bagian depan).
Setengah abad setelah Sir Newton memaparkan hukumnya, Daniel Bernoulli, seorang ahli matematika dari Swiss, menerangkan bagaimana tekanan dari sebuah fluida yang bergerak (cairan ataupun gas) berubah-ubah sesuai dengan kecepatan dari gerakan. Secara khusus, dia menyatakan bahwa pertambahan kecepatan atau aliran akan menyebabkan pengurangan dari tekanan fluida tersebut. Hal inilah yang terjadi pada udara yang lewat di atas sayap pesawat yang melengkung.
Sebuah analogi yang tepat bisa dibuat dari air yang mengalir melewati selang air. Air yang mengalir melalui selang dengan garis tengah (diameter) yang tetap (konstan) akan mendesak dengan tekanan yang sama di seluruh selang, tapi kalau diameter sebagian dari selang ditambah atau dikurangi, maka hal tersebut akan mengubah tekanan dari air di titik tersebut. Jika misalnya selang tersebut ditekan dengan jari di satu tempat, maka akan membatasi daerah yang dialiri oleh air. Dengan asumsi volume yang sama dari air mengalir melalui bagian selang yang ditekan tersebut pada perioda waktu yang sama sebelum selang ditekan, maka kecepatan aliran air akan bertambah di titik tersebut.
Maka jika ada bagian dari selang yang mengkerut, maka hal tersebut tidak hanya menambah kecepatan aliran tapi juga mengurangi tekanan di titik tersebut. Hasil yang sama dapat dihasilkan jika sebuah benda padat dengan bentuk yang streamline (airfoil) dikenakan pada selang tersebut. Prinsip yang sama ini adalah dasar dari pengukuran kecepatan udara (aliran fluida) dan untuk analisa kemampuan airfoil untuk membuat daya angkat.
Sebuah aplikasi praktis dari teori Bernoulli adalah tabung venturi. Tabung venturi mempunyai saluran masuk yang menyempit di lehernya (titik yang mengkerut) dan sebuah saluran keluar yang diameternya membesar di belakangnya. Diameter saluran masuk sama dengan diameter saluran keluar. Di lehernya, aliran udara menjadi semakin cepat dan tekanan berkurang, di saluran keluar, aliran udara melambat dan tekanan bertambah.
Jika udara dianggap sebagai sebuah benda dan disetujui bahwa udara mengikuti hukum di atas maka kita dapat mulai melihat bagaimana dan kenapa sebuah sayap pesawat dapat menghasilkan daya angkat sewaktu sayap pesawat tersebut bergerak melalui udara.
Di bagian yang menerangkan penemuan Newton dan Bernoulli, sudah dibahas secara umum pertanyaan bagaimana sebuah sayap pesawat dapat menerbangkan pesawat yang lebih berat daripada udara.
Mungkin keterangannya dapat disederhanakan dengan konsep dasar yang menyatakan bahwa daya angkat (lift) adalah hasil dari aliran fluida (udara) di sekitar sebuah airfoil – atau dalam bahasa sehari-hari. Hasil dari airfoil (sayap) yang bergerak (dengan cara apapun) di udara.
Karena airfoil yang menghasilkan gaya dengan gerakannya melalui udara, diskusi dan keterangan dari struktur airfoil ini, seperti halnya beberapa materi yang diterangkan pada diskusi awal mengenai teori Newton dan Bernoulli akan dipaparkan juga.
Sebuah struktur airfoil dirancang untuk mendapat reaksi pada permukaannya dari udara yang mengalir melalui sebuah struktur. Udara beraksi dengan berbagai cara ketika diberikan tekanan dan kecepatan yang berbeda-beda, tapi diskusi akan dibatasi pada bagian yang sangat cukup penting bagi penerbang dalam penerbangan, yaitu airfoil yang dirancang untuk menghasilkan gaya angkat.
Dengan melihat pada bentuk airfoil yang umum, seperti potongan sayap, kita dapat melihat beberapa karakteristik rancangan yang jelas . Perhatikan bahwa ada perbedaan kurva dari bagian atas dan bagian bawah dari permukaan airfoil (kurva ini disebut camber).
Camber dari permukaan atas lebih melengkung dibandingkan dengan permukaan bawah, yang biasanya adalah lebih datar.
Pada gambar di atas perhatikan bahwa ada dua bentuk ekstrim dari airfoil juga berbeda dalam penampilannya. Ujung yang menghadap ke arah depan yang dinamakan leading edge, dan bundar, sedangkan ujung yang lain yang disebut trailing edge, cukup sempit dan meruncing.
Sebuah garis referensi yang biasanya digunakan untuk membahas airfoil adalah chord line, sebuah garis lurus yang digambar melalui bentuk airfoil dan meghubungkan ujung dari leading dan trailing edge. Jarak dari chord line ini ke bagian atas permukaan dan bagian bawah permukaan sayap menunjukkan besarnya camber bagian atas dan camber bagian bawah.
Sebuah garis referensi yang lain digambar dari leading edge sampai trailing edge disebut garis camber rata-rata (mean camber line).Garis rata-rata ini adalah jarak yang sama antara semua titik dari garis permukaan/ kontur sayap.
Konstruksi sayap, untuk mendapatkan aksi gaya yang lebih besar dari beratnya, dilakukan dengan membentuk sayap sedemikian rupa sehingga mengambil keuntungan dari reaksi udara terhadap hukum fisika tertentu dan juga membuat dua aksi dari massa udara, yaitu: tekanan secara positif aksi daya angkat dari aliran udara di bawah sayap dan tekanan negatif dari aksi aliran udara di atas sayap.
Ketika aliran udara menabrak permukaan bawah sayap yang relatif datar sewaktu pesawat didongakkan dengan sudut tertentu, maka udara akan dipaksa untuk bergerak ke bawah dan menghasilkan reaksi ke atas dengan gaya angkat positif, di saat yang sama aliran udara yang menabrak bagian atas dari lengkungan leading edge sayap akan dibelokkan ke atas. Dengan kata lain, sebuah bentuk sayap yang membuat aksi pada udara dan menekannya ke bawah akan membuat reaksi yang sama dari udara, yang menekan sayap ke atas. Jika sayap dibentuk sedemikian rupa sehingga menghasilkan daya angkat (lift) yang lebih besar dari berat pesawat itu sendiri, pesawat itu akan terbang.
Bagaimanapun, jika semua daya angkat yang dibutuhkan bisa didapatkan dari membelokkan udara oleh permukaan bagian bawah sayap, maka sebuah pesawat hanya membutuhkan sebuah sayap yang datar seperti sebuah layangan.
Hal ini, tentunya, bukanlah hal yang benar, dalam beberapa kondisi, aliran udara yang kacau yang bersirkulasi di trailing edge dari sayap dapat mengakibatkan pesawat kehilangan daya angkat dan kecepatan.
Keseimbangan dari daya angkat yang dibutuhkan untuk mendukung pesawat datang dari aliran udara di atas sayap. Inilah kuncinya penerbangan. Kenyataan bahwa sebagian besar daya angkat adalah hasil dari aliran udara di atas sayap, harus benar-benar dipahami untuk meneruskan pelajaran penerbangan ini.
Tidak akan ada akurat atau membuat lebih mudah, untuk membuat persentase daya angkat yang dibangkitkan oleh bagian atas airfoil dibandingkan dengan yang didapat dari bagian bawah airfoil.
Hal ini karena tidak ada nilai konstan dan akan bervariasi, bukan hanya karena kondisi penerbangan, tapi juga karena berbagai rancangan sayap.
Harus dimengerti bahwa airfoil yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Beribu-ribu airfoil telah di tes di terowongan angin dan di penerbangan yang sesungguhnya, tapi tak ada sebuah pun airfoil yang bisa dipakai di semua kebutuhan penerbangan. Berat, kecepatan dan keperluan dari setiap pesawat akan membedakan bentuk bangun dari airfoil tersebut. Sudah dipelajari bertahun-tahun yang lalu, bahwa airfoil yang paling efisien untuk memproduksi daya angkat adalah bentuk cekung di permukaan bawah sayap. Kemudian diketahui bahwa rancangan ini mengorbankan terlalu banyak kecepatan ketika membuat daya angkat, dan tidak cocok untuk penerbangan dengan kecepatan tinggi. Juga menarik untuk dicatat, bahwa pada waktu melalui perjalanan waktu ilmu rekayasa, jet terbaru dengan kecepatan tinggi dapat mengambil keuntungan dari karakteristik daya angkat yang tinggi dari cekungan airfoil. Leading edge (Krueger) flaps dan trailing edge (Fowler) flaps ketika dikeluarkan dari struktur dasar sayap, secara harfiah mengubah bentuk airfoil kembali pada bentuk klasik cekung, yang membuat daya angkat lebih pada kecepatan rendah.
Di lain sisi, sebuah airfoil yang streamline sempurna dan mempunyai tahanan angin yang rendah, kadang-kadang tidak memiliki cukup daya angkat untuk mengangkat pesawat dari permukaan bumi. Jadi pesawat modern memiliki airfoil yang rancangannya sangat ekstrim, dengan bentuk berbeda berdasarkan untuk keperluan apa pesawat itu dirancang. Gambar berikut memperlihatkan beberapa bentuk airfoil.
Di terowongan angin atau pada sebuah penerbangan, sebuah airfoil secara sederhana adalah sebuah objek streamline yang disisipkan pada aliran udara yang bergerak. Jika airfoilnya berbentuk tetesan air maka perubahan kecepatan dan tekanan dari aliran udara yang melewati bagian atas dan bawah akan sama di kedua sisi. Tapi kalau bentuk tetesan air itu dipotong di tengah dengan sama rata, hasilnya adalah sebuah bentuk sederhana airfoil (sayap). Jika airfoil itu dinaikkan (mendongak) maka aliran udara akan menabrak dengan sebuah sudut tertentu (angle of attack), molekul udara yang bergerak melewati permukaan atas akan dipaksa untuk bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan molekul udara yang bergerak di bawah airfoil, hal ini karena molekul di atas harus menjalani jarak yang lebih jauh karena lengkungan dari permukaan yang di atas. Pertambahan kecepatan ini mengurangi tekanan di atas airfoil.
Prinsip Bernoulli sendiri tidak menjelaskan tentang distribusi tekanan di atas permukaan airfoil. Diskusi tentang pengaruh momentum dari udara pada waktu mengalir melalui kurva yang berbeda-beda di dekat airfoil akan dikemukakan.
Momentum adalah resistansi dari sebuah benda yang bergerak ketika arah dan besar gerakannya diubah. Ketika setiap benda dipaksa untuk bergerak dalam gerakan melingkar, benda tersebut akan memberikan reaksi resistansi dengan arah keluar yang berlawanan dengan pusat putaran. Ini disebut gaya sentrifugal.
Ketika partikel udara bergerak dengan arah melengkung AB, gaya sentrifugal cenderung membuangnya ke arah panah antara A dan B, sehingga, menyebabkan udara untuk mendesak lebih dari tekanan normal di leading edge-nya airfoil. Tapi setelah partikel udara melewati titik B (titik berbalik arah dari arah lengkungan/kurva) gaya sentrifugal cenderung untuk membuang partikel pada arah panah antara B dan C (menyebabkan berkurangnya tekanan pada airfoil). Efek ini berlaku sampai partikel udara mencapai titik C, titik kedua berbalik arah dari lengkungan aliran udara. Kembali lagi, gaya sentrifugal dibalikkan dan partikel udara cenderung untuk memberi sedikit lebih tekanan dari normal pada trailing edge dari airfoil tersebut, sebagaimana digambarkan dengan panah pendek antara C dan D.
Maka dari itu, tekanan udara dari permukaan bagian atas airfoil disebarkan sehingga tekanan lebih besar di leading edge daripada tekanan atmosfir sekitarnya, menyebabkan tahanan yang kuat pada gerakan ke depan, tapi tekanan udara lebih sedikit daripada tekanan atmosfir sekitarnya di sebagian besar permukaan atas (B ke C).
Seperti terlihat pada penggunaan teori Bernoulli pada sebuah bejana venturi, pertambahan kecepatan udara pada bagian atas dari airfoil menyebabkan turunnya tekanan. Tekanan yang turun ini adalah salah satu komponen dari total daya angkat. Tapi adalah sebuah kesalahan untuk berasumsi bahwa perbedaan tekanan antara permukaan bagian atas dan bagian bawah tersebut adalah satu-satunya hasil total dari produksi daya angkat.
Kita juga harus ingat bahwa turunnya tekanan berhubungan dengan downwash, gaya turun ke belakang yang mengalir dari permukaan atas dari sayap. Seperti terlihat dari diskusi sebelumnya yang berhubungan dengan aksi dinamis dari udara pada saat udara mengenai permukaan bawah dari sayap, reaksinya dari aliran ke belakang dan ke bawah menghasilkan gaya ke atas dan ke depan pada sayap. Reaksi yang sama berlaku pada aliran udara melewati permukaan atas airfoil seperti yang terjadi dibawahnya, dan hukum Newton ketiga kembali dalam gambaran.
Dalam bagian tentang hukum Newton yang berlaku pada gaya angkat, juga telah didiskusikan bagaimana sejumlah daya angkat dihasilkan oleh kondisi tekanan di bawah sayap. Karena sifat udara yang mengalir di bawah sayap, sebuah tekanan positif dihasilkan, terutama pada angle of attack yang tinggi. Tapi ada aspek lain dari aliran udara ini yang harus dipelajari. Pada sebuah titik di dekat leading edge, aliran udara pada hakekatnya sebenarnya berhenti (stagnation point) dan dengan bertahap kecepatannya akan bertambah. Di titik yang sama di trailing edge, kembali lagi aliran udara itu mencapai kecepatan yang sama dengan kecepatan aliran udara di permukaan atasnya. Sesuai dengan prinsip Bernoulli, ketika aliran udara makin pelan di bawah sayap, sebuah tekanan positif ke atas terjadi menekan sayap, jika kecepatan fluida berkurang, tekanan harus bertambah.
Pada dasarnya, hal ini hanyalah “memperkuat tekanan positif” karena kejadian ini menambah perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah dari airfoil, sehingga menambah total daya angkat dibandingkan jika tidak ada penambahan tekanan di bagian bawah permukaan. Kedua prinsip Bernoulli dan hukum Newton bekerja jika daya angkat diproduksi oleh sebuah airfoil.
Aliran fluida atau dalam hal ini aliran udara adalah dasar dari penerbangan sebuah pesawat terbang dan merupakan produksi dari kecepatan pesawat terbang tersebut. Kecepatan dari pesawat sangat penting untuk penerbang karena hal tersebut mempengaruhi gaya angkat dan gaya tahanan (drag) dari pesawat. Penerbang menggunakan kecepatan pesawat (airspeed) untuk terbang dengan sudut melayang (glide angle) yang minimum, pada waktu terbang (endurance) yang maksimum, dan untuk sejumlah gerakan manuver penerbangan. Airspeed adalah kecepatan dari pesawat relatif terhadap massa udara tempat pesawat tersebut terbang.
Dari percobaan yang dilakukan pada model di terowongan angin dan pada pesawat sebenarnya, telah diketahui bahwa pada waktu udara mengalir sepanjang permukaan dari sebuah sayap dengan angle of attack yang berbeda-beda, maka ditemukan bagian-bagian sepanjang permukaan di mana tekanannya adalah negatif atau kurang dari tekanan atmosfir dan juga bagian-bagian dengan tekanan positif atau lebih besar dari tekanan atmosfir.
Tekanan negatif pada permukaan atas sayap membuat gaya yang lebih besar dari pada tekanan positif yang mengenai permukaan bawah sayap. Gambar di bawah menunjukkan penyebaran tekanan sepanjang airfoil pada 3 angle of attack yang berbeda-beda.
Pada umumnya, pada angle of attack yang besar, pusat tekanan (Center of Pressure) pindah ke depan sedangkan pada angle of attack yang kecil pusat tekanan berpindah ke bagian belakang. Dalam rancangan struktur sayap, pergeseran pusat tekanan ini sangat penting, karena mempengaruhi posisi beban udara yang ditanggung oleh sayap pada keadaan angle of attack yang kecil dan angle of attack yang besar.
Keseimbangan aerodinamis dan kemampuan kendali diatur oleh perbedaan dari pusat tekanan. Pusat tekanan ditentukn oleh perhitungan dan percobaan di terowongan angin dengan cara memberikan angle of attack yang berbeda-beda pada airfoil di sepanjang jangkauan kerja normal. Pada waktu angle of attack diubah, karakteristik penyebaran tekanan juga berubah.
Gaya tekanan positif (+) dan negatif (–) dijumlahkan pada setiap nilai angle of attack dan didapat resultan hasilnya. Total resultan tekanan diperlihatkan oleh vektor resultan gaya pada gambar di bawah.
Tujuan dari penerapan vektor gaya ini adalah istilah “pusat tekanan” atau “Center of Pressure” (CP). Pada nilai tertentu dari angle of attack, CP adalah titik di mana gaya resultan menyeberangi chord line. Titik ini dinyatakan dalam persentase chord dari airfoil tersebut. Sebuah CP pada 30% dari sebuah chord yang panjangnya 60 inci adalah 18 inci dari bagian belakang ujung sayap (trailing edge). Maka akan terlihat bahwa seorang perancang pesawat akan menempatkan sayap sehingga pusat tekanan (CP) akan berada pada Center of Gravity (CG), pesawat akan selalu seimbang. Kesulitan akan timbul karena lokasi dari CP akan berubah sesuai dengan angle of attack dari pesawat tersebut.
Pada sikap (attitude) pesawat yang normal, jika angle of attack ditambah maka CP bergerak maju ke depan dan jika angle of attack dikurangi CP akan bergerak mundur ke belakang. Karena Center of Gravity adalah titik yang tetap pada tempatnya, maka telah terbukti bahwa pada saat angle of attack bertambah, Center of Lift (CL) bergerak maju di depan Center of Gravity, membuat gaya yang cenderung menaikkan hidung pesawat atau cenderung menaikkan angle of attack ke nilai yang lebih tinggi. Di sisi lain, jika angle of attack dikurangi, Center of Lift (CL) bergerak ke belakang dan cenderung banyak mengurangi angle of attack. Di sini terlihat, bahwa airfoil yang umum adalah tidak stabil (unstable) dan sebuah alat tambahan seperti permukaan ekor yang horisontal, perlu ditambahkan untuk membuat pesawat seimbang secara longitudinal.
Keseimbangan pesawat dalam sebuah penerbangan bergantung pada posisi relatif Center of Gravity (CG) dan Center of Pressure (CP) dari airfoil. Pengalaman telah memperlihatkan bahwa pesawat dengan Center of Gravity di sekitar 20 persen dari chord sayap dapat dibuat untuk menyeimbangkan pesawat dan terbang dengan memuaskan. Sayap yang meruncing (tapered) mewakili berbagai macam bentuk chord sayap sepanjang sayap (wing span). Hal yang lain kemudian menjadi penting untuk menentukan dari beberapa bentuk chord bagaimana menyatakan titik keseimbangan. Chord ini yang dikenal dengan Mean Aerodynamic Chord (MAC), biasanya didefinisikan sebagai chord dari sayap khayalan yang untapered, yang akan mempunyai karakteristik Center of Pressure yang sama seperti sayap sebenarnya.
Muatan pesawat dan penyebaran berat juga mempengaruhi Center of Gravity dan menyebabkan gaya tambahan yang pada gilirannya mempengaruhi keseimbangan pesawat.
sumber : http://www.ilmuterbang.com/artikel-mainmenu-29/teori-penerbangan-mainmenu-68/26-private-pilot/129-bab-2-prinsip-penerbangan?start=8
Perhatikan gambar berikut sebagai contoh. Pada ilustrasi di bagian atas, nilai dari semua vektor gaya terlihat sama. Keterangan biasa pada umumnya akan mengatakan (tanpa menyatakan bahwa thrust dan drag tidak sama nilainya dengan weight dan lift) bahwa thrust sama dengan drag dan lift sama dengan weight seperti yang diperlihatkan di ilustrasi di bawah.
Diskusi dari konsep sebelumnya sering diabaikan dalam teks, buku-buku atau manual aeronautika. Alasannya bukan karena tidak ada konsekwensinya, tapi karena mengabaikan diskusi ini maka ide utama dari hal gaya-gaya aerodinamika yang bekerja pada sebuah pesawat yang terbang dapat disampaikan tanpa harus mendalami teknisnya seorang ahli aerodinamika. Dalam kenyataannya mempertimbangkan hanya terbang datar/level flight, dan mendaki secara normal dan meluncur dengan mantap/steady, tetaplah benar bahwa gaya angkat sayap adalah gaya ke atas yang penting, dan berat/weight adalah gaya ke bawah yang sangat penting.
