Kita sering
secara sekilas melihat pesawat yang sedang terbang di langit, namun tanpa
pemahaman tentang prinsip-prinsip apa saja yang terlibat pada pesawat untuk
dapat terbang. Mungkin terbersit rasa penasaran di benak kita aka bagaimana
bisa mesin-mesin yang berat tersebut melayang di udara? Apa yang membuat
pesawat tetap di udara dan tidak terjatuh? Dan pertanyaan-pertanyaan lain yang
serupa yang intinya adalah mengapa pesawat dapat terbang di udara? Untuk
menjawab pertanyaan ini, kita harus sedikit memasuki dunia mekanika fluida.
Para
ahli fisika mengklasifikasikan zat cair dan zat gas sebagai fluida atau cairan,
didasarkan pada fakta bahwa keduanya sama-sama dapat mengalir. Meskipun udara,
air dan oli mungkin tampak seperti zat yang sangat berbeda, ketiganya memiliki
prinsip dan hubungan matematika yang sama. Bahkan, tes aerodinamis dasar
kadang-kadang dilakukan di bawah air. Inti dari masalah adalah bahwa di angkasa
yang tampak kosong, sebenarnya terdapat lapisan cairan yang sangat besar. Dan
penggunaan aplikasi fisika yang tepat dapat memungkinkan bagi manusia untuk
bisa melintasinya.
Agar bisa terbang, pesawat harus
bisa memanfaatkan empat gaya aerodinamis dasar
yaitu lift (gaya angkat), weight (berat), thrust
(gaya tolak atau dorongan) dan drag (gaya gesek atau
hambatan). Anda dapat membayangkan keempat gaya tersebut sebagai empat lengan yang
menahan pesawat di udara, yang masing-masing menarik dari arah yang berlainan.
Dorongan dan Hambatan
Gaya tolak atau doronan baik yang disebabkan
oleh baling-baling atau mesin jet, adalah kekuatan aerodinamis yang mendorong
atau menarik pesawat maju melalui ruang. Kekuatan aerodinamis lawannya adalah gaya gesek atau hambatan
yang menghambat gerakan suatu benda melalui fluida (atau tidak bergerak dalam
fluida yang bergerak, seperti yang terjadi ketika anda menerbangkan
layang-layang).
Jika anda mengeluarkan tangan
anda keluar dari jendela mobil saat mobil bergerak, anda akan mengalami
demonstrasi sederhana dari hambatan ini. Jumlah gaya yang dibuat tangan anda tergantung pada
beberapa faktor, seperti ukuran tangan anda, kecepatan mobil dan kepadatan
udara. Jika anda memperlambat kecepatan mobil, anda akan merasakan bahwa
hambatan di tangan anda akan menurun.
Kita dapat melihat contoh lain
dari pengurangan gaya
gesek dengan udara ini saat kita menonton balap moto gp, atau balap motor
lainnya. Setiap kali para pembalap mendapatkan kesempatan, mereka akan
merapatkan badan mereka serapat mungkin dengan motornya. Dengan membuat diri
mereka menjadi "lebih kecil", gaya
gesek yang mereka ciptakan akan menurun, sehingga mereka dapat melaju dengan
lebih cepat melintasi
sirkuit balap.
Sebuah pesawat jet penumpang
selalu menarik roda pendaratannya setelah lepas landas untuk alasan yang sama,
yakni untuk mengurangi gesekan dengan udara. Sama seperti pembalap motor, para
pilot ingin membuat pesawat mereka sekecil mungkin. Selain itu, jumlah gesekan
yang dihasilkan oleh roda pendaratan dengan udara sangat besar, begitu besarnya
sehingga pada kecepatan jelajah, roda tersebut dapat langsung patah dan
terlepas dari pesawat.
Agar pesawat dapat terbang, gaya tolak harus sama atau lebih besar dari gaya gesek. Jika jumlah gaya gesek menjadi lebih besar dari jumlah gaya tolak, pesawat akan
melambat. Jika gaya tolak meningkat hingga lebih
besar dari gaya
gesek, maka pesawat akan melaju lebih cepat.
Berat dan Gaya Angkat
Berat merupakan gaya yang menarik pesawat ke arah Bumi.
Setiap benda di bumi memiliki berat, hasil dari gravitasi dan massa. Sebuah pesawat penumpang Boeing 747-8,
misalnya, memiliki berat lepas landas maksimum 487,5 ton.
Lawan dari berat adalah gaya angkat. Gaya angkat ini dicapai
melalui penggunaan sayap, yang juga dikenal sebagai airfoil. Seperti gaya gesek, gaya
angkat hanya ada pada fluida bergerak. Tidak masalah jika benda tersebut diam
dan cairan yang bergerak, atau jika cairan diam dan benda yang bergerak untuk
melaluinya. Yang penting adalah perbedaan relatif kecepatan antara benda dan
cairan.
Gaya angkat pada pesawat terjadi ketika udara
melewati sayap. Sayap membagi aliran udara dalam dua arah, ke atas sayap dan
turun di sepanjang bagian bawah sayap. Sayap dibentuk dan dimiringkan
sedemikian rupa sehingga udara yang mengalir di atas sayap bergerak lebih cepat
dari udara yang mengalir di bawahnya. (Klik next pada video di atas untuk
melihat ilustrasinya).
Ketika udara mengalir di sebuah
benda dan menemukan sebuah rintangan (seperti tonjolan atau peningkatan
mendadak pada sudut sayap), jalur udara akan menyempit dan kecepatan aliran
udara akan meningkat. Setelah melewati rintangan tersebut, jalurnya kembali
melebar dan aliran akan melambat lagi. Jika anda pernah menyiram tanaman dengan
menggunakan selang, anda dapat mengamati prinsip ini. Dengan sedikit menutupi
selang, anda mempersempit jalur aliran cairan, dan mempercepat laju air. Ketika
anda melepaskannya, aliran air kembali ke keadaan sebelumnya.
Ketika kecepatan udara
meningkat, tekanannya akan menurun. Jadi, udara yang bergerak lebih cepat di
atas sayap, tekanannya akan lebih rendah dibandingkan udara yang bergerak lebih
lambat di bawah sayap. Hasilnya adalah gaya
angkat ke atas dan pesawat pun dapat terbang melayang di udara. Dalam bidang
dinamika fluida, hal ini dikenal sebagai prinsip Bernoulli.