Benarkah Teori Bernoulli?

Pipa venturi adalah salah satu alat yang prinsip kerjanya penerapan hukum Bernoulli. Hukum Bernoulli menyatakan bahwa semakin tinggi kecepatan aliran suatu fluida (mis: udara) maka tekanan fluida tersebut akan berkurang. Demikian juga bila kecepatan aliran fluida tersebut berkurang, maka tekanannya akan semakin bertambah.

Apakah hukum Bernoulli tersebut benar?

Bila terjadi angin topan yg bisa menerbangkan mobil atau merobohkan rumah yg ditabrak angin tersebut apakah itu karena tekanan angin yg mengecil karena kecepatannya? Kok kelihatannya tidak mungkin. Apa tidak sebaliknya, tekanan lebih besar bila angin bertiup semakin cepat?

Pada gambar pipa venturi di atas terlihat pada pengukur tekanan yg terletah di bagian tengah pipa (bag. pipa yg sempit/kec. udara tinggi) tekanan memang lebih kecil. Tapi benarkah tekanan udara di tempat tersebut lebih kecil?

Ada beberapa hal yang perlu mejadi perhatian untuk menjelaskan kondisi yang sebenarnya:

1. Boundary Layer
Kecepatan aliran suatu fluida makin ke tepi semakin berkurang dan bahkan sampai nol pada bagian fluida yang menempel pada tepian batas aliran fluida. Hal ini yang disebut "Boundary Layer" (Lapisan Batas). Dengan dasar teori tersebut berarti tidak bisa disamakan kecepatan fluida di seluruh bagian fluida (tengah dan pinggir). Bila alat ukur tekanan ditempatkan di tepian aliran fluida, maka bukan berarti tekanan yang diukur sudah mewakili tekanan seluruh bagian aliran fluida.
Lalu bagaimana bila alat ukur tekanan ditempatkan di tengah aliran fluida? Batas antara alat ukur dengan fluida yang diukur kecepatannya akan membentuk boundary layer baru, sehingga hasil pengukuran juga tidak akan mewakili tekanan seluruh bagian fluida.

2. Alat Ukur Tekanan
Pada ilustrasi pengukuran tekanan pada pipa venturi di atas, benarkah tekanan yang diukur adalah fluida dengan kecepatann tinggi yang mengalir di dalam pipa venturi? Jawabnya tidak. Tekanan yang diukur adalah tekanan fluida yang terdapat pada ujung alat ukur. Hasil pengukurannya menunjukkan bahwa fluida yang berada di ujung alat ukur mempunyai tekanan yang rendah. Mengapa demikian? Hal ini disebabkan karena adanya friksi antara fluida yang berada di pinggir pipa yang mempunyai kecepatan rendah dengan fluida yang berada di tengah yang mempunyai kecepatan tinggi. Hal ini mengakibatkan molekul fluida yang berada di pinggir pipa tertarik mengikuti molekul fluida yang berada di tengah yang mempunyai kecepatan yang tinggi. Dengan demikian molekul udara di pinggir lebih renggang dan tekanannya menjadi berkurang. Molekul udara yang berada di ujung alat ukur tekanan pun menjadi lebih renggang dan tekanan fluida di ujung alat ukur itulah yang diukur oleh alat ukur tekanan tersebut.

Jadi menurut pendapat saya ada kekeliruan dalam hukum Bernoulli tersebut. Pada kenyataannya fluida yang mengalir dengan kecepatan lebih tinggi mempunyai kekuatan tekan yang lebih tinggi juga dan bukan kekuatan hisap yang menunjukkan adanya tekanan yang turun. Lalu bagaimana dengan rumus-rumus matematika yang dipergunakan untuk menjelaskan teori Bernoulli tersebut? Kita harapkan akan muncul penjelasan secara matematis di kelak kemudian hari. Lalu bagaimana juga dengan teori-teori lain yang berlandaskan pada prinsip hukum Bernoulli tersebut (misalnya Teori Lift pd sayap pesawat)? Teori tersebut juga masih banyak diperdebatkan oleh para ahli, sehingga ada beberapa teori yang muncul.

Demikian pendapat saya, semoga dapat menjadi bahan diskusi yang bermanfaat untuk perkembangan ilmu pengetahuan.


Gatot Sudewo, ST.

Teori Gaya Angkat Sayap "Longer Path" / "Equal Transit Time"

Teori “Longer Path” / "Equal Transit Time" adalah teori gaya angkat pesawat (Lift) yang banyak dianut oleh orang Indonesia bahkan para praktisi penerbangan di Indonesia. Teori ini banyak diajarkan di sekolah-sekolah umum di Indonesia bahkan sampai ke sekolah-sekolah penerbangan. Hal tersebut disebabkan karena teori ini dianggap lebih mudah untuk menjelaskan bagaimana gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut terjadi 

Teori “Longer Path” / "Equal Transit Time" mengatakan bahwa aliran udara pada bagian atas sayap menempuh jarak yang lebih jauh dari aliran uadara di bagian bawah. Ini berarti aliran udara di bagian atas sayap mengalir lebih cepat dari bagian bawah. Sesuai teori Bernoulli, aliran udara yang lebih cepat pada bagian atas  tersebut menghasilkan tekanan udara yang lebih rendah dibandingkan bagian bawah sayap, sehingga menciptakan gaya angkat.

Ada beberapa kesalahan pada teori “longger path” ini :

Pertama :

Saat partikel udara berpisah, satu melewati bagian atas sayap yang lebih panjang, sementara yang lain melewati bagian bawah sayap yang lebih pendek. Tidak ada yang bisa menjamin bahwa molekul udara tersebut akan bertemu di akhir perjalanan (trailing edge). Kenyataannya sesuai dengan pengujian dalam wind tunel, molekul udara tersebut tidak bertemu kembali.

Kedua :

Teori longger path tersebut tidak berlaku pada sayap dengan airfoil datar atapun pada sayap pesawat dengan airfoil simetris, karena pada airfoil datar dan airfoil simetris bagian atas dan bawah sayap memiliki panjang yang sama. Tapi kenyataannya pada sayap dengan airfoil datar maupun simetris tetap bisa timbul gaya angkat.

Ketiga :

Kalaupun kita bisa menerima bahwa aliran udara di bagian atas sayap mempunyai kecepatan lebih tinggi dari aliran udara di bagian bawah sayap dan mengaplikasikan teori Bernoulli untuk menjelaskan hal tersebut, maka gaya angkat yang ditimbulkan tidak cukup besar untuk bisa mengangkat pesawat. Hal ini disebabkan karena dari bentuk airfoil sayap yang ada sekarang perbedaan jarak antara bagian atas dan bawah tidak terlalu banyak, sehingga bila diterapkan teori Bernoulli perbedaan tekanan yang dihasilkan tidak besar.

Gaya Angkat (Lift) Sayap karena Kelembaman (Inersia) Udara dan Kerapatan (Densitas/Viskositas) Udara

Ada beberapa teori mengenai gaya angkat pada sayap pesawat terbang. Teori-teori tersebut antara lain teori Skipping Stone, teori Ventury dan teori Longer Path/Equal Transit. Dari teori tersebut yang sangat populer adalah teori "Longer Path/Equal Transit" yang diyakini kebenarannya dan dipakai di sekolah-sekolah, bahkan di sekolah penerbang utk menjelaskan fenomena gaya angkat pada sayap pesawat. Tapi ternyata para ahli masih memperdebatkan kebenaran teori-teori tersebut.

Pihak Nasa dalam website-nya juga mengulas teori-teori tersebut dan cenderung menganggap teori-teori tersebut salah. Nasa sendiri menyebutkan teori "Lift from Flow Turning" merupakan teori yang benar. Tapi benarkah tidak ada kemungkinan penjelasan lain yang dapat menjelaskan mengenai adanya fenomena gaya angkat pada sayap pesawat? Saya akan mencoba belajar memahami adanya fenomena gaya angkat pada sayap pesawat dari sisi lain.

Benda bergerak dengan kecepatan tinggi melintasi lapisan udara :
 
Molekul udara di depan benda tersebut terpisah ke samping kiri, kanan, atas dan bawah benda. Setelah dilewati benda tsb, udara berusaha kembali ke tempat semula membentuk kerapatan udara seperti sebelum dilintasi benda tersebut di belakang lintasan benda. Tapi karena udara mempunyai sifat kelembaman/inersia, maka udara tersebut membutuhkan waktu untuk kembali mengisi ruang yang ditinggalkannya dan membentuk kerapatan sesuai kerapatan sebelumnya. Hal tersebut mengakibatkan terjadinya ruang/kolom udara dengan tekanan rendah secara sesaat karena kerapatan udara kecil (belum kembali ke kerapatan semula).

Lift pesawat karena adanya kelembaman/inersia udara.

Bila airfoil melintas pada lapisan udara, maka molekul udara akan terpisah di depan leading edge dan mengalir melalui bagian atas dan bawah airfoil menuju trailing edge. Karena adanya kelembaman/inersia udara, maka udara yang melewati bagian atas airfoil tidak segera kembali seluruhnya untuk mengisi ruang yang ditinggalkan dan membentuk kerapatan awal seperti sebelum dilewati airfoil. Hal ini mengakibatkan terjadi kolom udara dengan kerapatan rendah, sehingga terjadi udara bertekanan rendah di atas airfoil tersebut. Semakin tinggi kecepatan airfoil, maka kolom udara bertekanan rendah di atas airfoil tersebut semakin besar serta tekanan yang semakin kecil. Karena tekanan udara di atas airfoil lebih rendah dari tekanan udara di bawah airfoil, maka terjadi gaya angkat pada airfoil tersebut.

Airfoil dengan angle of attact tinggi
 
Untuk bagian atas air foil, penjelasan sama dg air foil dg AoA rendah. Hanya bedanya bila AoA tinggi, maka tekanan udara di atas air foil yang dihasilkan akan lebih rendah, sehingga gaya angkat lebih besar. (catatan : sebelum terjadi turbulensi yg berakibat meningkatnya drag)

Untuk bagian bawah airfoil, udara yg mengalir dari depan yang dilintasi air foil tidak segera/secara cepat meninggalkan ruang tersebut (karena adanya kelembaman/inersia udara) sehingga kerapatan udara di bagian bawah airfoil tinggi dan tekanan udara tinggi.

Dengan tekanan udara di atas airfoil yg bertambah rendah, ditambah tekanan udara di bawah airfoil bertambah tinggi, maka gaya angkat pada sayap pesawat dengan AoA tinggi akan bertambah besar. (sebelum terjadi stall)

Airfoil datar
 
Pada bagian atas air foil, udara yang dilintasi airfoil tidak segera/dengan cepat diisi oleh udara di atasnya (karena kelembaman/inersia udara) sehingga kerapatan udara di atas airfoil rendah dan tekanan udara rendah.

Untuk bagian bawah airfoil, udara yg mengalir dari depan yang dilintasi air foil tidak segera/secara cepat meninggalkan ruang tersebut (karena adanya kelembaman/inersia udara) sehingga kerapatan udara di bagian bawah airfoil tinggi dan tekanan udara tinggi.

Dengan tekanan udara di atas airfoil yg rendah dan di bawah airfoil tinggi, maka timbul gaya angkat pada sayap.

Gaya angkat (lift) pada bola yg berputar (Spinning Ball)
 
Pada permukaan bola yg berputar (menurut arah anak panah) terjagi friksi antara aliran udara dg permukaan bola di bagian depan bola, shg partikel udara terseret ke atas oleh perputaran bola. Kemudian partikel udara terlepas (terlempar) dari pengaruh friksi dg permukaan bola. Karena kelembaman (inersia) udara, maka udara tdk segera mengisi ruang yg ditinggalkan, sehingga kerapatan (densitas/viskositas) udara rendah dan tekanan udara rendah. Akibatnya bola terangkat ke atas (lift).

Demikian pendapat saya mengenai penjelasan timbulnya gaya angkat (lift) pada sayap pesawat. Semoga bisa menjadi  sudut pandang lain dalam menguraikan timbulnya lift tersebut dan menjadi bahan diskusi yang bermanfaat.

(Gatot Sudewo, ST.)

Jejak kondensasi (Contrail)

Kita sering kali melihat pesawat terbang yang terbang dengan ketinggian sangat tinggi, di belakang lintasan pesawat terbang tersebut terlihat ada garis putih yang panjang dan bisa terus kelihatan dalam waktu yang cukup lama. Apa sebenarnya garis putih itu dan bagaimana garis itu bisa terbentuk?

Menurut penjelasan yang saya baca di Wikipedia, garis putih tersebut adalah Jakon (Jejak Kondensasi) atau dalam bahasa Inggris disebut Contrail (Condensation Trail) atau jejak uap air. Jakon adalah jejak uap air terkondensasi yang muncul dari sisa pembakaran mesin pesawat. Jejak kondensasi dapat terlihat dalam waktu beberapa detik atau menit, atau bahkan berjam-jam, bergantung pada kondisi atmosfer.

Sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Jejak_kondensasi

Efek Venturi

Bagi yang suka utak-atik sepeda motor atau mobil, tentu mengenal salah satu perangkat di sepeda motor/mobil yang disebut karburator, yaitu alat untuk mengabutkan bahan bakar dan dicampur dengan udara, kemudian dimasukkan ke ruang bakar untuk dibakar dan menghasilkan putaran motor. Cara kerja dari karburator tersebut adalah dengan memanfaatkan efek venturi. Bagaimanakah terjadinya efek venturi tersebut?

Menurut Wikipedia, efek venturi adalah penurunan tekanan fluida yang terjadi ketika fluida tersebut bergerak melalui pipa menyempit. Kecepatan fluida dipaksa meningkat untuk mempertahankan debit fluida yang sedang bergerak tersebut, sementara tekanan pada bagian sempit ini harus turun akibat pemindahan energi potensial tekanan menjadi energi kinetik.

Tekanan di "1" lebih tinggi daripada di "2" karena laju Fluida di "1" lebih rendah daripada di "2".

  

Sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Efek_Venturi