physic

Sulit sekali bagi saya untuk mempercayai kenyataan bahwa pesawat raksasa dapat terbang, dengan dukungan udara yang begitu tipis. Bagaimana caranya? Keterpesonaan saya diperbesar lagi oleh kenyataan bahwa ketika dahulu saya “diajari” tentang cara kerja pesawat, rupanya saya dituntun ke arah yang keliru. Kendati sebagian besar buku panduan pelatihan terbang menyebut bahwa gaya angkat sebuah pesawat terjadi berkat Prinsip Bernoulli, sesungguhnya itu bukan alasan utamasebuah pesawat tetap melayang di udara. Itu kebetulan merupakan sebuah penjelasan yang cepat dan muda, tetapi seperti semua jawaban sederhana peluang untuk menyesatkan selalu ada, bahkan sulit untuk tidak disebut keliru.


Pertama, mari kita hadirkan dahulu matematikawan Swiss Daniel Bernoulli (1700-1782) sebagai saksi dan kita cermati penjelasan seputer teorinya, jauh sebelum manusia berhasil terbang. Pada tahun 1738 Bernoulli menemukan bahwa sewaktu kecepatan sebuah fluida (gas atau zat cair) bertambah, tekanannya terhadap permukaan-permukaan sekitarnya berkurang. Sebagai contoh, udara yang bergerak sebagai embusan angin mendatar boleh dikatakan tidak mempunyai waktu atau energi untuk menekan tanah terlalu keras.

Bagaimana pengaruhnya terhadap pesawat terbang ?

Permukaan sebelah atas sayap pesawat terbang konvensional agak cembung ke atas, sedangkan permukaan sebelah bawahnya relatif rata. Sewaktu pesawat itu terbang, udara berhembus melewati kedua permukaan tadi. Dalam perjalanan menuju pinggir belakang sayap (trailing edge), udara di permukaan atas menempuh jarak lebih panjang karena lintasannya melengkung. Pihak pendukung pernyataan “Pesawat Bisa Terbang Berkat Bernoulli” bersikeras bahwa udara di bagian atas dan di bagian bawah pastilah sampai di pinggiran belakang sayap pada waktu yang sama — mereka menyebutnya asumsi waktu transit yang sama (equal transit time assumption) — dan karena udara di bagian atas harus menempuh jarak yang lebih panjang, berarti kecepatannya harus lebih tinggi. Oleh sebab itu, menurut Eyang Bernoulli, udara atas yang lebih cepat memberikan tekanan lebih sedikit pada sayap ketimbang udara bawah yang lebih lambat, maka sayap terdorong ke atas karena gaya netto yang disebut “gaya angkat” atau lift.

Semua penjelasan itu bagus sekali, kecuali tentang satu hal : Udara atas dan udara bawah tidak harus sampai ke pinggiran belakang sayap secara bersamaan; asumsi waktu transit yang sama sesungguhnya sebuah kesalahan, kendati para guru fisika dan instruktur penerbangan berusaha keras membenarkannya.  Sebetulnya bukan hanya saya yang merasa malu karena tidak pernah berhasil memahami pernyataan tersebut sewaktu di bangku sekolah. Pada hakikatnya tidak ada alasan yang kuat bagi udara atas untuk tiba di pinggiran belakang secara bersamaan dengan udara bawah.

Efek Bernoulli memang menyumbang sebagian gaya angkat terhadap sayap pesawat, namun kalau bekerja sendirian prinsip akan mempersyaratkan sayap yang penampangnya seperti punggung lengkung seekor paus atau melaju pada kecepatan yang luar biasa tinggi.

Terima kasih Eyang Bernoulli, anda bisa turun dari bangku saksi.

Sekarang kita hadirkan Eyang Sir Isaac Newton sebagai saksi ahli.

Ketiga hukum Newton tentang gerak merupakan dasar yang kokoh sekali untuk pemahaman kita tentang gerak semua benda. Mekanika Newton (agar dapat dibedakan dengan mekanika kuantum dan relativitas) dapat menerangkan gerak semua benda, selama benda-benda itu tidak terlalu kecil (lebih kecil dari sebuha atom) dan tidak bergerak terlalu cepat (mendekati kecepatan cahaya). Newton merumuskan hukum-hukumnya untuk gerak benda-benda yang solid, tetapi hukum-hukum itu juga dapat diterapkan pada interaksi-interaksi antara sayap pesawat dan udara. Mari kita lihat caranya.

Hukum Ketiga Newton tentang Gerak (sekali lagi) mengatakan bahwa setiap aksi pasti ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah. Maka jika sayap pesawat didorong ke atas atau diangkat, pasti ada sesuatu lain yang mendorongnya kembali ke bawah. Sesuatu yang lain itu adalah udara. Sayap pastilah mengembuskan angin sangat keras ke arah bawah dengan gaya setara dengan gaya angkat yang diperolehnya. Kita akan menyebutnyadownwash.

Bagaimana?

Ketika suatu fluida, misalnya air atau udara, mengalir di sepanjang permukaan yang kengkung, fluida itu cenderung melekat ke permukaan lebih kencang daripada yang kita duga. Fenomena ini disebut Efek Coanda. Karena kecenderungan melekat ini, udara yang mengalir dekat permukaan sayap terpaksa mengikuti bentuk sayap tersebut; udara di sebelah atas mengikuti bentuk permukaan atas sedangkan udara di sebelah bawah sayap mengikuti bentuk permukaan bawah. Selain mengambil arah berbeda-beda selama mengikuti bentuk permukaan sayap, kedua lapisan udara dekat permukaan sayap pun berakhir di pinggir belakang dengan sudut arah berbeda pula. Ketika membelah udara sayap pesawat terbang tidak seperti pisau pipih yang membuat udara terbelah begitu saja dan kembali ke arah semula di tepi belakang pisau.

Ketika lapisan udara di atas sayap bertemu dengan pinggiran depan sayap, lapisan itu mengalir naik terlebih dahulu kemudian turun dan mengarah ke bawah ketika meninggalkan pinggiran belakang sayap. Akan tetapi bentuk sayap yang sedemikian membuatnya mengalir lebih jauh ke bawah dibanding posisi semula di bagian depan; akibatnya lapisan udara itu meninggalkan pinggiran belakang sayap dengan gaya netto mengarah ke bawah (net downward direction). Dengan kata lain, udara di bagian atas sayap sesungguhnya di dorong ke bawah oleh bentuk sayap. Dan menurut Hukum Ketiga Newton, akibatnya sayap memperoleh gaya dorong ke atas yang sama besar. Maka betul, kan? inilah gaya angkat (lift) yang sesungguhnya!

Anda mungkin saja berpikir bahwa gaya tersebut pasti tidak seberapa mengingat yang membuatnya hanya “lapisan udara tipis”. Tapi nanti dulu! Coba renungkan lagi. bahkan pesawat ringan semacam Cessna 172 yang terbang pada kecepatan 110 knot (204 km/h) memompakan tiga hingga lima ton udara ke arah bawah setiap detiknya. Jadi bayangkan jika ratusan ribu ton udara yang dipompakan ke bawah oleh Boeing 747 berbobot 360.000 kg setiap detiknya agar dapat tinggal landas dan tetap terbang.

Kita masih bisa memberi kredit poin lebih banyak pada Eyang Sir Isaac Newton atas gaya yang mengangkat pesawat terbang, karena gaya angkat tersebut tidak seluruhnya berasal dari downwash (ditambah sedikit bantuan dari Eyang Bernoulli). Sebagian lagi berasal dari penerapan lain Hukum Ketiga newton. Sayap pesawat tidak sejajar dengan tanah; arahnya agak naik sedikit di bagian depan — biasanya sekitar 4 derajat — ketika pesawat terbang datar. Itu menghasilkan tekanan udara lebih banyak di sebelah bawah sayap ketimbang di atasnya, dan ini ikut mendorong sayap ke atas . Sang pilot bahkan dapat menaikkan lagi hidung pesawatnya (dalam istilah penerbangan, ia dapat menaikkan angle of attack atau sudut terjangnya) untuk mendapatkan gaya angkat yan lebih banyak dari efek tersebut. Hukum Ketiga Sir Isaac berperan disini karena ketika pesawat bergerak maju, sayapnya mendorong udara di depannya ke arah bawah, dan akibatnya udara bereaksi dengan mendorong sayap ke atas.

Maka, disini kita lihat dua eja sayap berbeda yang sama-sama menghasilkan gaya angkat : bentuk sayap — juga disebut airfoil — dan hidung tengadah yang membentuk sudut terjang. Keduanya harus digunakan secara maksimum agar pesawat raksasa yang berat dapat terankat dari tanah saat tinggal landas. Itu sebabnya pesawat yang tinggal landas dari bandar udara membentuk sudut tanjak yang sedemikian terjal; dalam hal ini sang pilot harus menaikkan sudut terjang guna mendapatkan gaya angkat tambahan mengingat bahan bakar pesawat masih penuh, ditambah bobot nyonya gemuk yang mungkin duduk di sebelah anda.