ANALISA ALIRAN UDARA PADA F-DUCT SEBAGAI SALAH

SATU SISTEM TRANSFER FLUIDA MOBIL FORMULA 1

DISUSUN UNTUK MELENGKAPI TUGAS PERORANGAN MATA

KULIAH MEKANIKA FLUIDA DASAR

Disusun Oleh :

Nama : Putra Natalegawa

NPM : 1206314592

Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

2012

1.1. Pendahuluan

F- Duct adalah salah satu system transfer fluida pada mobil balap F1. Sistem

ini pertama kali digunakan oleh tim balap Mc Laren. Kemudian disusul oleh tim

balap Ferrari, dan beberapa tim lain. Namun pada tahun 2011 system ini telah

dilarang karena dianggap membahayakan pengendara dan memungkinkan

merubah karakteristik aerodinamika mobil.

Sistem F-Duct ini sangat mudah dikenali dengan adanya corong berbentuk

corong berbentuk persegi pada body depan mobil. Sebetulnya itu adalah saluran

yang akan menyalurkan udara dari depan ke sayap belakang mobil.

Gambar 1.1. F-Duct Pada Mobil McLaren Mercedes

F-Duct pada tim balap McLaren dapat dikendalikan oleh pengemudi dengan

cara membuka atau menutup katup yang berada di kokpit. Di trek yang berkelok-

kelok katup dibuka sehingga angin yang menghantam sayap belakang menjadi

Lebih banyak, sehingga downforce menjadi lebih besar.

Gambar 1.2. Skema udara yang di alirkan F-Duct pada Spoiler Belakang

Ketika memasuki trek lurus maka katup ditutup sehingga sebagian udara

langsung keluar di belakang dan beban angin pada sayap belakang pun berkurang,

sehinggga Downforce yang timbul menjadi berkurang dan kecepatan mobil bisa

bertambah 5 -8 [Km/jam] di trek lurus. (http://otosport.otomotifnet.com)

Hal ini menarik untuk diperdalam, mengapa FIA (Fédération Internationale

de l'Automobile) sebuah organisasi yang menaungi balapan Formula 1, melarang

para peserta untuk menggunakan perangkat ini.

1.2. Latar Belakang

Awal tahun 2010 tim Mclaren Mercedes memperkenalkan sistem transfer

fluida ini, dan diikuti oleh Team pabrikan lain seperti Renault dan Ferrari. Sistem

ini bisa dikontrol dari cockpit oleh seorang driver. Seorang driver dapat

menentukan kapan posisi F-Duct ini menutup dan dibuka, hal tersebut bergantung

pada kondisi trek balapan dan tentunya insting dari pembalap itu sendiri.

Seperti yang telah dijelaskan bahwa sistem kerja F-Duck ini

mempertimbangkan kecepatan mobil yang begitu besar. Rata-rata mobil Formula

1 memiliki Top Speed 310-325 [Km/Jam] bahkan, di tahun 2004 rata2 kecepatan

mobil F1 saat di trek adalah 315km/jam.

Namun di circuit tertentu seperti circuit Gilles-Villeneuve Kanada pernah

dicatat kecepatan maksimal mencapai 325km/jam, circuit Indianapolis top speed

nya 335 km/jam dan di sirkuit Monza Italia pada trek lurus top speed bisa

mencapai 360 km/jam. Pada tahun 2004 di Grand Prix Italia pembalap BMW

Williams F1 Antônio Pizzonia menorehkan record top speed 369.9 km/jam. Bisa

dibayangkan bahwa (http://sportscarforums.com)

Bisa dibayangkan betapa besarnya kecepatan fluida gas (udara) yang

ditabrak oleh sebuah mobil Formula 1. Dan bagaimana impact nya jika udara

tersebut tidak dialirkan dengan baik oleh bodi mobil dan beberapa ducting yang

ter-install pada mobil tersebut.

Gambar 1.3. Skema aliran udara pada mobil Formula 1

Maka dari itu, sangat perlu untuk di analisa mengapa penggunaan F-Duck

ditiadakan pada permulaan 2011. Dan sebenarnya seberapa pengaruh bahaya pada

mobil, berapa kecepatan udara yang membentur spoiler, bagaimana pemodelan

alirannya di dalam duckting, bagaimana dengan kecepatan aliran diluar ducting.

Tentunya semua elemen yang disebutkan diatas sangat berpengaruh pada mobil

formula 1. Karena satu hal dengan hal yang lain sangat berkaitan dan saling

mempengaruhi,

1.3. Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam analisa ini antara lain :

Berapa kecepatan udara yang dialirkan duck pada spoiler

Berapa down force yang dihasilkan oleh aliran duck tersebut

Analisa gaya drag pada spoiler mobil F1

1.4. Pembatasan Masalah

Batasan masalah dalam hal ini adalah :

Aliran dari duct hanya ditinjau hingga ke spoiler

Menggunakan asumsi pada beberapa besaran yang tidak diketahui

Luasan aliran dianggap konstan sepanjang aliran duct

1.5. Tujuan

Adapun tujuan dari pembahasan kali ini yaitu :

Mengetahui kecepatan udara yang di alirkan duct

Mengetahui down force yang dihasilkan oleh aliran duck

Menarik kesimpulan apakah keputusan pelarangan penggunan duct tepat

oleh FIA

1.6. Dasar Teori

1.6.1. External Flow

1.6.1.1. Drag

Gaya Gaya fluida bisa sangat berperngaruh bahkan tidak

sama sekali pada sebuah objek. Contohnya gaya fluida memiliki

dampak kecil pada olahraga Tolak peluru. Mungkin karena

bobot bola peluru yang sebegitu besar yang berakibat gaya –

gaya fluida tidak terlalu berpengaruh padannya. Mari

bandingkan dengan olahraga lain seperti Badminton, Berenang,

Sepeda bahkan Mobil Formula 1 sekalipun. Tentunya gaya-gaya

fluida sangat jelas menjadi perhitungan, karena bisa jadi

memiliki impact yang besar untuk performa masing-masing

olahraga tersebut.

Gambar 1.4. Skema aliran drag pada sebuah permukaan

Persamaan Drag dapat diberikan sebagai berikut :

FD =

U

2 CD A p

(Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2 Hal 157)

Dimana :

FD = Drag Force

CD = Drag Coefficient

U = Kecepatan Fluida

A = Luasan Kontak

p = Massa Jenis Fluida

1.6.1.2. Lift

Gaya Lift atau biasa disebut gaya angkat adalah gaya yang

mengangkat pesawat keatas yang terjadi karena tekanan dibawah

sayap lebih besar daripada tekanan diatas sayap.

Gaya angkat ini sebagian besar ditimbulkan pada sayap

pesawat terbang dan biasanya digunakan untuk melawan gaya

gravitasi bumi yang masih menarik pesawat tersebut ke arah

bawah.

Gaya angkat yang dalam hal ini dikhususkan pada gaya

angkat sayap dapat timbul jika suatu sayap pesawat terbang

bergerak di dalam suatu fluida yang dalam hal ini udara. Udara

yang mengalir melalui bagian atas sayap bergerak lebih cepat

daripada udara yang mengalir di bagian bawah sayap.Hal ini

menyebabkan tekanan yang terjadi pada bagian atas sayap lebih

rendah daripada tekanan yang terjadi di bagian bawah.

Perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua permukaan

sayap itulah yang menyebabkan sayap mengalami gaya angkat

yang arahnya dari bagian bawah sayap ke bagian atas sayap.

Gaya angkat yang terjadi pada sebuah sayap pesawat

terbang prinsipnya akan lebih besar jika sayap yang akan

digunakan untuk menimbulkan gaya angkat tersebut lebih besar

pula.

Disamping itu dari hasil penelitian, gaya angkat tersebut

dipengaruhi pula oleh sudut yang dibuat oleh penampang sayap

dan besarnya berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan fluida

yang mengalir di sekitar sayap tersebut. Secara mudahnya, gaya

angkat pesawat dapat dirumuskan sebagai berikut.

FL =

U

2 CL A p

(Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2 Hal 180)

Dimana :

FL = Lift Force

CL = Lift Coefficient

U = Kecepatan Fluida

A = Luasan Kontak

p = Massa Jenis Fluida

Gambar 1.5. Skema Lift Force

1.6.2. Internal Flow

1.6.2.1. Aliran Turbulen

Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilkan

aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan

gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang

lain. Sehingga didapatkan Ciri dari aliran turbulen yaitu :

Tidak Adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya

Aliran banyak berampur

Kecepatan fluda tinggi

Panjang skala aliran besar

Viskositas nya rendah

Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh

terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang

menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel

partikel cairan di seluruh penampang aliran. contoh aliran

turbulen lainnya yang mudah kita amati adalah asap rokok

yang mengalir naik keatas udara.

Gambar 1.6 Aliran Turbulen

1.6.2.2. Aliran Laminar

Aliran laminar adalah aliran partikel-partikel fluida

yang bergerak secara paralel (tidak saling memotong), atau

aliran berlapis. contohnya: aliran lambat dari cairan kental.

Perlu diingat: suatu aliran fluida (gas / cair) dapat berupa

aliran laminer atau turbulen ditentukan (dihitung)

berdasarkan angka Reynold (reynold number).

Contoh lagi: (keadaan tanpa ada angin yang berhembus

atau keadaan tenang) asap rokok yang mengalir naik keatas,

pada bagian dekat rokok berupa aliran laminer.

Gambar 1.7 Aliran Laminar

Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau

laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut

Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung

dengan persamaan sebagai berikut:

Re = (4 v R)/ϑ

Dimana:

Re = Angka Reynold (tanpa satuan)

V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)

R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)

ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat

cairan (ft2/s atau m2/s

Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka

Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan

aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada

4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000

dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen biasa disebut

aliran transisi.

Gambar 1.8 Aliran Transisi

1.6.3. Downforce

Downforce adalah gaya dorong ke bawah yang diciptakan

oleh aerodinamika karakteristik mobil formula 1. Tujuan dari

downforce adalah untuk memungkinkan mobil untuk melakukan

perjalanan lebih cepat melalui di tikungan dengan meningkatkan

gaya vertikal pada ban, sehingga menciptakan lebih pijakan pada

grib lintasan.

Gambar 1.9 Downforce

Persamaan Downforce adalah :

Dimana :

D = Downforce [N]

Ws = Wingspan [m]

H = High Of Wing [m]

= Angle Of Attack [o]

F = Lift Force

p = Density Of air [Kg/m3]

V = Velocity [m/s]

1.7. Pembahasan

1.7.1. Besar Aliran udara pada F-Duct

Kita ambil asusmsi kecepatan udara 20% nya kecepatan rata-rata

mobil yaitu :

Vudara = 310 [Km/Jam] x 20%

= 62 [Km/Jam]

Maka besarnya aliran jika kita asumsikan penampang duct :

a b

Jika penampang :

a. x1

x2

x1 = 20 [cm]

x2 = 12 [cm]

A1 = 240 [cm2]

b. x3

x4

x1 = 10 [cm]

x2 = 8 [cm]

A2 = 80 [cm2]

Kita gunakan pers. Kontinuitas :

Q1 =Q2

A1 V1 = A2 V2

0.24 .62 = 0.08 V2

Maka V2 = 186 [Km/jam] yang menghantam spoiler.

1.7.2. Besar Gaya Drag pada spoiler

Gambar 1.10 Gaya –gaya yang bekerja pada spoiler

Persamaan :

FD =

U

2 CD A p

Dengan Asumsi :

CdA = 7.2 [m2]

pudara = 1.2 [Kg/m3]

maka :

FD = 0.5 . 186 . 7.2 . 1.2

FD = 803.52 [N]

1.7.3. Gaya Lifting Pada Spoiler

Persamaan :

FL =

U

2 CLA p

Dengan Asumsi :

CLA = 10[m2]

pudara = 1.2 [Kg/m3]

maka :

FL = 0.5 . 186 . 10 .1.2

FL = 1116 [N]

Gambar 1.11 Besar gaya yang bekerja pada spoiler

1.7.4. Downforce

Untuk menghitung besarnya downforce diperlukan gaya lift yang

telah di hitung sebelumnya :

Gambar 1.12 Ukuran tinggi, panjang dan sudut kontak spoiler

D = 0.5 .(0.9 . 0.1 . 120) 1116 . 1.2 . 1862

D = 1345.09 [KN]

Jadi beberapa besaran telah diketahui seperti :

VDuct = 186 [Km/jam]

FD = 803.52 [N]

FL = 1116 [N]

D = 1345.09 [KN]

Dari hasil diatas dapat disimpulkan bahwa penggunaan F-Duct tidak berbahaya

selama terjadi kondisi :

Angle of attack tidak berubah secara tiba-tiba karena akan berpengaruh

pada nilai downforce.

Posisi spoiler tidak berubah secara tiba- tiba karena akan berpengaruh

pada nilai force drag nya dan force lift nya.

1.8. Kesimpulan

Dari bahasan diatas kita bisa simpulkan bahwa :

Angle of attack tidak berubah secara tiba-tiba karena akan berpengaruh

pada nilai downforce.

Posisi spoiler tidak berubah secara tiba- tiba karena akan berpengaruh

pada nilai force drag nya dan force lift nya.

1.9. Daftar Pustaka

http://otosport.otomotifnet.com

http://www.racecar-engineering.com

Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2