Modul Eksperimen

PENGUKURAN GAYA ANGKAT DAN GAYA

HAMBAT PADA SAYAP

Laboratorium Aerodinamika

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

I. LATAR BELAKANG

Pada dasarnya, pendekatan terhadap suatu disiplin ilmu dapat dilakukan dalam tiga cara. Pertama

adalah pendekatan teoritik, kedua adalah pendekatan eksperimen dan yang terakhir adalah simulasi

dan komputasional. Pendekatan teoritik adalah hal yang biasa kita lakukan dalam kuliah, di mana

kita berusaha memodelkan suatu fenomena fisik ke dalam suatu persamaan matematik. Sementara

pendekatan eksperimental adalah melakukan tindakanpraktikal yang riil, serta berusaha sedekat

mungkin dengan fenomena fisik yang terjadi di alam. Eksperimen biasanya dilakukan secara

procedural di dalam laboratorium. Sedangkan pendekatan komputasional adalah pemanfaatan

teknologi computer untuk memodelkan fenomena fisik yang terjadi di alam. Dengan pendekatan ini,

kita dapat melakukan eksperimen di dalam personal computer, sebagai langkah awal pengujuan

model matematik yang kita buat atas fenomena fisik yang terjadi.

Sebagai seorang mahasiswa, kita dituntut untuk menguasai ketiga aspek tersebut terlebih aspek

eksperimental karena aspek inilah yang paling dekat dengan fenomena yang terjadi sesungguhnya.

Untuk mata kuliah aerodinamika ini, salah satu konten penting yang harus dipahami oleh mahasiswa

Aeronotika dan Astronotika adalah fenomena-fenomena aerodinamika yang terjadi pada suatu profil

sayap. Pemahaman mahasiswa akan hal tersebut akan dipertajam lewat praktikum mengenai

fenomena-fenomena aerodinamika pada suatu planform sayap.

II. TUJUAN PRAKTIKUM

Mengukur gaya angkat dan gaya hambat yang terjadi pada sayap dengan force balance

III. TEORI DASAR

a. Airfoil Theory dan Wing Theory

Airfoil adalah cross section dari suatu planform sayap. Airfoil memiliki bentuk khusus yang sehingga

dapat menghasilkan gaya angkat. Prinsip dasar munculnya gaya angkat dari airfoil adalah dengan

munculnya perbedaan tekanan antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil. Perbedaan

tekanan tersebut muncul akibat dari perbedaan geometri dari airfoil bagian atas dan bagian bawah.

Perbedaan geometri tersebut menyebabkan perbedaan aliran udara (stremline) yang melewati

bagian atas dan bawah airfoil serta perbedaan kecepatan aliran udara pada kedua permukaan. Pada

bagian atas, kecepatan udara lebih tinggi dibandingkan bagian bawah, sehingga tekanan static di

bagian atas airfoil lebih rendah disbanding bagian bawah. Hal inilah yang membangkitkan gaya

angkat. Selain gaya angkat, airfoil juga menghasilkan gaya hambat. Gaya hambat ini berasal dari

komponen tekanan yang sejajar dengan arah aliran fluida.

Gambar 1. Geometri airfoil

Gambar 2. Streamline pada airfoil

Gambar 3. Distribusi tekanan pada airfoil beserta gaya-gaya aerodinamika

Sayap adalah integrasi dari airfoil-airfoil yang disusun sepanjang garis span. Gaya angkat dan gaya

hambat yang diperoleh dari masing-masing airfoil tersebut juga akan diintegrasikan di sepanjang

deg.

V

p

Lif

Drag

R

span membentuk suatu distribusi gaya. Keseluruhan gaya inilah yang menjadi gaya angkat bagi suatu

planform sayap.

Gambar 4. Tekanan dan tegangan geser pada profil sayap

b. Fenomena-fenomena Aerodinamika pada Sayap

Ada beberapa fenomena-fenomena aerodinamika yang dapat diamati pada sayap yang dialiri aliran

udara. Fenomena tersebut antara lain adalah gaya angkat, gaya hambat dan momen aerodinamika.

Telah dijelaskan sebelumnya mengenai prinsip dasar pembangkitan gaya angkat dan gaya hambat

pada sayap yang dialiri udara. Secara teoritik, kedua gaya tersebut dapat dihitung sebagai berikut :

Sementara itu, momen aerodinamika didapat dari adanya perbedaan pusat aerodinamika dan

center of gravity. Hal ini menyebabkan munculnya lengan gaya dari gaya aerodinamika yang

berpusat di aerodynamic center terhadap center of gravity.

c. Parameter yang Mempengaruhi Aerodinamika pada Sayap

Ada beberapa faktor yang mempengeruhi besarnya gaya dan momen aerodinamik, yaitu variable-

variabel yang ada dalam persamaan 1 dan 2 di atas. Variabel tersebut antara lain densitas udara

yang mengalir, kecepatan aliran udara, luas planform sayap dan karakteristik aerodinamika airfoil, Cl,

Cd dan Cm.

Kondisi atmosfer yang berpengaruh langsung pada gaya angkat adalah kerapatan udara. Semakin

besar kerapatan udara maka gaya angkat yang dihasilkan semakin besar. kerapatan udara semakin

menurun dengan bertambahnya ketinggian. Kecepatan free stream merupakan kecepatan relatif

antara sayap dengan aliran udara bebas. Besarnya gaya angkat berbanding lurus secara kuadrat

dengan kecepatan. Selain itu gaya angkat juga dipengaruhi oleh besarnya sudut serang. Besarnya

gaya angkat per unit span berdasarkan teorema Kutta-Joukowski adalah:

(3)

Dengan adalah sirkulasi dengan besar , kemudian subtitusi ke persamaan diatas,

didapat:

..(4)

Dengan koefisien gaya angkat adalah :

Dengan subtitusi persamaan 4 ke 5 didapat:

Hal tersebut menunjukan semakin tinggi sudut serang semakin besar Cl yang menyebabkan gaya

angkat semakin besar. Namun besarnya sudut serang dibatasi oleh separasi aliran udara dari

permukaan airfoil.

Gaya hambat pada sayap disebabkan oleh profile drag (skin friction dan pressure drag) serta induced

drag. Besarnya profil drag tergantung dari geometri airfoil penyusun sayap serta, kondisi aliran

udara (Re number dan Pr number) dan juga sudut serang. Semakin besar Re number aliran udara

semakin sulit lepas dari permukaan maka yang dominan adalah skin friction drag dibanding pressure

drag. Pressure drag sendiri dihasilkan dari pelepasan aliran di permukaan airfoil yang menyebabkan

tekanan udara lebih besar didaerah belakang airfoil. Semakin besar sudut serang pelepasan aliran

akan semakin cepat terjadi. Sedangkan induced drag dipengaruhi oleh besarnya dan aspect ratio

sayap. Besarnya koefisien induced drag memenuhi persamaan :

Dengan e merupakan factor efisiensi sayap dengan besar , nilai terbesar adalah untuk sayap

eliptik denagn e = 1.

Reynolds Number (Re Number) merupakan salah satu parameter yang dapat menentukan koefisien-

koefisien aerodinamik. Re number merupkan bilangan non-dimensional yang menyatakan

perbandingan antara inersia aliran dengan viskositas.

IV. PERALATAN PRAKTIKUM

Peralatan praktikum yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut :

1. Terowongan Angin Terbuka

Gambar 1

Terowongan Angin Terbuka

2. Model Sayap dengan 2 aspek rasio berbeda

3. DPI (Druck Pressure Indicator)

Gambar 2

Druck Pressure Indicator (DPI)

4. Termometer

Gambar 3

Termometer

5. Higrometer

Gambar 4

Higrometer

6. Barometer

Gambar 5

Barometer

7. Tabung Pitot

Gambar 6

Tabung Pitot

V. PROSEDUR EKSPERIMEN

a. PRA PRAKTIKUM

1. Mengukur dan menghitung kondisi atmosfer laboratorium seperti temperature (T),

Kelembapan () dan tekanan (P) masing-masing dengan menggunakan termometer,

higrometer dan barometer. Sedangkan untuk kerapatan udara (), dan viskositas () dihitung

dengan menggunanakan persamaan sebagai berikut :

110

110032

0

0T

T

T

T

P

e

RT

P378.01

Di mana

0 = 1,79.10-5 kg/m3

T0 = 150C = 288,15 K

R = 287,26 J/(kg.K)

e = .emax water dimana

2. Pastikan model uji dan seksi uji dalam keadaan tidak kotor!!!

b. KALIBRASI TEROWONGAN ANGIN

Kalibrasi pada terowongan angin dilakukan untuk mengukur kecepatan aliran tak terganggu

yang akan digunakan saat eksperimen. Langkah-langkah kalibrasi terowongan angina yang

perlu dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Hubungkan DPI dengan tabung pitot pada area kalibrasi untuk mengukur tekanan dinamik

2. Hitung tekanan dinamik untuk dua kecepatan aliran tak terganggu, yaitu 15 m/s dan 20

m/s, dengan persamaan sebagai berikut:

3. Nyalakan terowongan angin dan atur kecepatan udara hingga DPI menunjukkan nilai

tekanan dinamik yang sama dengan yang diinginkan. Catat rpm yang diperlukan.

4. Matikan terowongan angin

c. PRAKTIKUM

Lakukan prosedur di bawah ini untuk melakukan pengujian

1. Pasang model di terowongan angin dengan posisi sudut serang 00. Kemudian tandai pada

pengukur sudut. Tanda ini menjadi patokan untuk mengukur sudut serang selanjutnya.

Gambar 7

Pengukur Sudut

2. Pada kondisi tanpa aliran dan model terpasang, atur beban agar timbangan berada dalam

kondisi setimbang. Kondisi setimbang ditandai dengan pengukur kesetimbangan berada

dalam posisi 0.

Gambar 8

Timbangan

Gambar 9

Pengukur Kesetimbangan

3. Tutup terowongan angin. Pastikan tidak ada interaksi antara udara luar dengan aliran

dalam seksi uji.

4. Nyalakan terowongan angin. Set rpm mesin yang sesuai dengan kecepatan 15 m/s.

Gambar 10

Pengatur RPM

5. Pada sudut serang ini, setimbangkan lagi kedua timbangan. Catat besar perubahan gaya

(gaya angkat dan gaya hambat) yang terjadi pada tabel yang sudah disediakan.

6. Ulangi langkah 5 untuk sudut serang 100, 150 dan 200.

7. Matikan terowongan angin. Kemudian set lagi timbangan pada kondisi setimbang dan pada

sudut serang 00.

8. Ulangi langkah 4 ,5 dan 6 untuk kecepatan aliran 20 m/s.

VI. UNCERTAINTY ANALYSIS

Analisis ketidak-pastian bertujuan untuk mendapatkan perkiraan total ketidak-pastian, Ux, yang

kemudian dapat diekspresikan dengan:

di mana untuk analisis ketidak-pastian umum dan sekali pengukuran,

( )

dengan J adalah jumlah pengukuran, adalah ketidak-pastian absolut, untuk semua i.

VII. HASIL DAN ANALYSIS

- Hasil percobaan dapat dicatat pada tabel-tabel di bawah ini:

KONDISI ATMOSFER LABORATORIUM

Temperatur (C)

Tekanan (Pa)

Densitas (kg/m3)

Kelembapan (%)

Viskositas dinamik (kg/(ms))

KALIBRASI TEROWONGAN ANGIN

Kecepatan Udara (m/s) Tekanan Dinamik (Pa) RPM

15

20

Model 1 (AR = ...)

Tabel pencatatan gaya angkat

= 00 = 100 = 150

V = 15 m/s

V = 20 m/s

Tabel pencatatan gaya hambat

= 00 = 100 = 150

V = 15 m/s

V = 20 m/s

Model 2 (AR = ...)

Tabel pencatatan gaya angkat

= 00 = 100 = 150

V = 15 m/s

V = 20 m/s

Tabel pencatatan gaya hambat

= 00 = 100 = 150

V = 15 m/s

V = 20 m/s

- Bandingkan hasil gaya angkat dan gaya hambat dengan kecepatan 15 dan 20 m/s. Berikan

komentar!

VIII. PERTANYAAN

1. Bagaimana pengaruh sudut serang terhadap gaya angkat dan gaya hambat pada sayap?

2. Bagaimana pengaruh bilangan Reynolds (kecepatan udara) terhadap gaya angkat dan gaya

hambat pada sayap?

LAMPIRAN PRINSIP KERJA ALAT PRAKTIKUM

1. Tabung Pitot

Tabung pitot adalah alat yang berfungsi mengukur tekanan fluida. Tabung pitot pun dapat

digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida. Tabung pitot hanya mengukur tekanan fluida

di satu titik di aliran fluida, bukan mengukur tekanan rata-rata di dalam pipa atau terowongan

angin.

Gambar 1. Berbagai jenis tabung pitot (http://en.wikipedia.org/wiki/Pitot_tube)

Pada dasarnya, tabung pitot mengukur tekanan total fluida dengan cara menghentikan aliran fluida

lokal dengan lubang yang searah aliran fluida sehingga fluida memberikan tekanan stagnasi yang

diterima oleh sensor. Untuk mengukur tekanan statik, aliran fluida dibiarkan mengalir melewati

lubang statik yang tegak lurus terhadap arah aliran fluida. Untuk mengukur kecepatan, digunakan

persamaan Bernoulli sebagai berikut:

pt = Tekanan total

ps = Tekanan statik

= Kerapatan fluida (kg/m3)

v = Kecepatan fluida (m/s)

Dengan menggunakan tekanan total dan tekanan statik hasil pengukuran, kecepatan aliran dapat

diperoleh:

Perlu diingat bahwa persamaan ini hanya dapat digunakan jika titik yang ditinjau di aliran adalah

titik yang sama dan aliran fluida adalah aliran yang inkompresibel.

2. Pengukuran gaya di sayap menggunakan Force Balance

Force Balance adalah alat untuk mengukur gaya yang terjadi di sayap (atau benda lainnya)

dengan menggunakan prinsip kesetimbangan gaya dan momen. Dengan mengetahui berat beban

dan sayap yang diuji, gaya angkat dan gaya hambat yang dialami oleh sayap dapat dihitung

dengan persamaan:

Gambar 2. Force balance

Fa = Gaya yang terjadi di airfoil (Lift/Drag) (N)

Wa = Berat airfoil (N)

Wb = Berat beban geser (N)

ra = Panjang lengan antara tumpuan dan airfoil (m)

rb = Panjang lengan antara tumpuan dan beban geser (m)

Dengan mengubah posisi beban geser (mengubah besar rb), gaya angkat dan gaya hambat dapat

diperoleh dengan menemukan posisi beban geser yang dapat memenuhi persamaan kesetimbangan

momen statik.