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.