prinsip aerodinamika

Tugas1 Aerodinamika

o Udara itu apa? Karakteristik udara? dan apa yang anda ketahui tentang warna angin atau warna udara?

o Prinsip teardrop ?

o Uraikan tentang koefisien aerodinamika, nilai CD (coefisien of drag)!

A. Pengertian udara dan lapisan atmosfer

Udara adalah campuran berbagai macam gas yang tidak berwarna dan tidak berbau yang memenuhi ruang di atas bumi.Lapisan udara yang menyelubungi bumi disebut atmosfer. Atmosfer dibagi menjadi 4 lapisan sebagai berikut:

a. Troposfer, yaitu lapisan udara paling bawah.

Tinggi lapisan troposfer kurang lebih 12 km. di dalam troposfer terdapat kandungan uap air yang sangat banyak.

b. Stratosfer, adalah lapisan udara di atas troposfer.

Pada lapisan stratosfer terdapat ozon yang berfungsi menyerap panas sinar matahari.Lapisan ozon mempunyai daya serap yang kuat sehingga panas yang diterima bumi berkurang.

c. Mesosfer, yaitu lapisan udara yang terletak di atas lapisan stratosfer.

Lapisan ini berperan sebagai pemantul gelombang radio.Karena itulah, lapisan ini sangat bermanfaat dalam bidang komunikasi.

d. Termosfer, yaitu lapisan udara yang paling atas.

Lapisan udara ini mengandung ion (muatan listrik). Makin ke atas makin banyak terjadi ionisasi.Ionisasi terjadi sejak matahari terbit. Makin tinggi kedudukan matahari, makinbesar intensitasnya.Pada waktu sore ionisasi semakin berkurang.

Udara sebagai sumber daya alam perlu diketahui unsur-unsurnya. Unsur-unsur udara yang kadarnya tetap dan jumlahnya banyak adalah zat lemas (N2) sebanyak 28%, zat asam (O2) sebanyak 21%, argon (Ar) sebanyak 0,9%, asam arang (CO2) sebanyak 0,03%, sedangkan unsur lain-lain (krypton, neon, xenon, hidrogen, dan kalium) sebesar 0,07%.

Udara merujuk kepada campuran gas yang terdapat pada permukaan bumi. Udara bumi yang kering mengandungi 78% nitrogen, 21% oksigen, dan 1% uap air, karbon dioksida, dan gas-gas lain. Kandungan elemen senyawa gas dan partikel dalam udara akan berubah-ubah dengan ketinggian dari permukaan tanah. Demikian juga massanya, akan berkurang seiring dengan ketinggian. Semakin dekat dengan lapisan troposfer, maka udara semakin tipis, sehingga melewati batas gravitasi bumi, maka udara akan hampa sama sekali.

Apabila makhluk hidup bernapas, kandungan oksigen berkurang, sementara kandungan karbon dioksida bertambah.Ketika tumbuhan menjalani sistemfotosintesa, oksigen kembali dibebaskan.

Di antara gas-gas yang membentuk udara adalah seperti berikut :

· Helium

· Nitrogen

· Oksigen

· Karbon dioksida

komposisi yang lebih detailnya:

· Nitrogen : Kadar terbanyak yaitu 78,08 %

· Oksigen : 20,95 %

· Argon (Ar) : 0,934 %

· Karbon Dioksida : 0,0314 %

· Neon (Ne) : 0,00182 %

· Helium (He) : 0,000524 %

· Kripton (Kr) : 0,000114 %

· Hidrogen : 0,00005 %

· Xenon (Xe) : 0,000008 %

· Gas-gas lainnya (CO, NO dll) : Kadarnya kurang dari 0,002 %

KARAKTERISTIK UDARA

Karakteristik udara dapat diidentifikasikan sebagai berikut :

• Udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah .

• Volume udara tidak tetap.

• Udara dapat dikompresi (dipadatkan) .

• Berat jenis udara 1,3 kg/m3

• Udara tidak berwarna

• Mudah bergerak

• Dapat ditekan

• Dapat berkembang dan menghasilkan tekanan

• Merupakan benda transparan untuk beberapa radiasi

• Jumlah beratnya diseluruh atmosfir diperkirakan sebesar 46x1014 ton. Sekitar separuh dari berat udara ini berada dibawah ketinggian 6.000 meter (18.000 feet), atau lebih dari 99 % diantaranya berada dalam ketinggian sampai 30 Km

1. Kegunaan Udara

a. Udara diperlukan untuk pembakaran.

b. Udara dapat membantu pekerjaan manusia, contohnya kincir angin, ban dalam kendaraan.

c. Perantara menyampaikan suara tenaga angin dimanfaatkan untuk menggerakkan perahu layar, menggerakkan baling-baling.

Sekarang studi aerodinamika tidak dibatasi hanya untuk aliran udara, tapi juga sejumlah faktor lain seperti metode baru yang dikembangkan untuk mendapatkan informasi yang lebih besar. Cat khusus sensitif tekanan sekarang digunakan dalam terowongan angin untuk menunjukkan grafis tingkat tekanan udara pada kendaraan, Dua gambar yang berbeda diperoleh, satu di normal ruang tekanan udara (angin-off) dan yang kedua di mana terowongan angin sedang berjalan (angin-on) di tes pada kecepatan yang diinginkan. Perbedaan-perbedaan dalam warna, dari angin-angin, digunakan untuk menghitung tekanan permukaan.

Sebuah lampu biru menerangi mobil yang akan diuji yang memiliki cat tekanan-sensitif diterapkan pada jendela sisi pengemudi. Mobil dan lampu berada di terowongan angin di Ford Motor Company Dearborn Proving Ground. Peneliti Ford telah mengembangkan teknik, cat komputerisasi tekanan-sensitif yang mengukur aliran udara di atas mobil, Sebuah kamera digital dekat lampu biru menangkap informasi ini dan dimasukkan ke dalam komputer, yang menampilkan berbagai tekanan sebagai warna yang berbeda secara dramatis pada monitor.

FRONT END

Frontal pressure disebabkan oleh tekanan udara untuk aliran di sekitar bagian depan mobil. Seperti jutaan molekul udara mendekati grill depan mobil, mereka mulai untuk menekan, dengan demikian meningkatkan tekanan udara di depan mobil. Pada saat yang sama, molekul udara yang mengalir sepanjang sisi mobil yang pada tekanan atmosfer, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan molekul di bagian depan mobil. Molekul kompresi udara secara alami mencari jalan keluar dari zona tekanan tinggi di depan mobil, dan mereka menemukannya di sekitar sisi, atas dan bawah mobil. Perbaikan di depan dapat dilakukan dengan memastikan 'ujung depan dibuat dengan halus, kurva kontinu yang berasal dari garis bemper depan'. Membuat sudut lebih raked (mis. tidak tegak) 'cenderung mengurangi tekanan di dasar layar, dan untuk menurunkan drag'. Banyak perbaikan dilakukan dengan membuat layar lebih landai yang berarti sudut yang lembut di bagian atas ketika bertemu atap, menjaga arus tetap landai. hasil yang sama dapat dicapai melalui atap yang dibuat melengkung.

Grafik ini jelas menunjukkan bahwa gaya drag berbanding lurus ke daerah frontal. (hasil uji terowongan angin)

B. URGENSI ERGONOMI DAN AERODINAMIKA DESAIN KENDARAAN

Sederhananya, ergonomi suatu cabang imu untuk mendesain kenyamanan manusia dalam beraktifitas baik yang menggunakan alat ataupun tidak. Dalam konteks kendaraan bermotor, maka ergonomi digunakan untuk mendesain senyaman mungkin pas kita berkendara. Yang sering kita ketahui mungkin titik segitiga seat kendaraan; pijakan kaki, posisi duduk, dan jarak handle stang dengan tangan.

Padahal ergonomi aspeknya tidak sebatas itu, penempatan panel motor untuk mudah dilihat, kemudahan pengoperasian tombol aksesori kendaraan, pemasangan spion, penempatan muffler, penambahan behel, semua tadi termasuk bentuk ergonomi. Desain secara umum kendaraan atau motor-pun dapat dikatakan sebagai bentuk ergonomi, tetapi dalam aspek psikologi.

Dalam varian motor bisa ditemui penyesuain yang dilakukan pabrikan, didasarkan dengan karakter manusianya. Sebagai contoh karakter orang eropa yang tinggi gede desain seat motornya juga punya toleransi yang lebih besar dibanding motor buat orang asia. Contoh lagi motor model touring dengan motor balap juga beda ergonominya, touring yang cenderung tegak dan mbaplang dibuat untuk ketahanan tubuh kalo nempuh jarak jauh. Sedang balap dibuat bungkuk agar bisa menyesuaikan dengan kontur motor guna mengurangi gesekan angin fenomena modifikasi,

mungkin kita sering liat dijalan bentuk modifikasi ekstrem pada motor. sebagai contoh vespa stang tinggi atau terlalu mbaplang, cafe racer yang gitu nunduk, atau yang lainnya. memang dari segi kepuasan mungkin iya, tapi apakah kita lalu mengorbankan tubuh kita dengan ngrasa pegel tiap habis berkendara, the choice is yours.

Aerodinamika

terinspirasi dari fenomena teardrop yaitu ilmu yang mempelajari tentang sifat dan karakteristik udara serta gas lainnya dalam keadaan bergerak. Inti dari definisi diatas adalah aliran udara. Dalam desain kendaraan, terutama motor balap, aerodinamika berfungsi untuk membelah udara, mengatur seminimal mungkin bidang singgung motor dengan friksi yang terjadi. Sehingga motor atau mobil didesain sependek atau seramping mungkin untuk mengurangi gesekan angin. Kalau tidak diatur, resistensi udara besar, motor bisa terjadi floating atau ngaber. Kasus terburuk bisa rekans amati pada mobil yang terbalik karena tekanan bawah bemper lebih besar dibanding yang diatasnya. Atau pas kita naik motor bersimpangan dengan bis yang ngebut, aliran udaranya bisa bikin ngaber

C. PRINSIP TEAR DROP ( T-DROP )

Aerodinamika bagi sebuah mobil atau pesawat terbang sangatlah penting, karena hal ini berpengaruh terhadap; topspeed, kestabilan dan konsumsi bahan bakar.

Bentuk alami (natural shape) yang paling aerodinamik adalah tetes air hujan.Hal ini bisa fahami bahwa air adalah zat yang sangat mudah berubah bentuk, ketika jatuh dari langit air akan menghadapi gaya gesek dan tekanan dari udara yang dilewatinya. Kamudaian air akan merubah bentuknya sehiingga mendapatkan gaya perlawanan (udara) sekecil mungkin. Selain tetesan air hujan, ada lagi bentuk yang lain yaitu perenang tercepat ikan lumba-lumba dan dan penyergap tercepat burung hantu.

Gambar profil Tear drop

Kemudian dirancanglah bentuk (shape) mobil, pesawat terbang dan kendaraan lain yg berkecepatan tinggi, dengan mengadopsi bentuk tetes air tersebut. Dan aliran udara yang mengalir disekitar benda yang bergerak seperti tampak pada gambar berikut:

Bentuk seperti ini adalah ketika dilihat dari atas, dan bentuk yang paling atas adalah yg paling baik. Hal ini karena bentuk tersebut meniadikan turbulen di bagian belakang yang pada akhirnya akan mengurangi koefisien drag, Sedangkan bentuk dari sampingnya adalah seperti

Turbulen terjadi karena terjadi kekosongan udara dibagian belakang secara tiba-tiba, sehingga udara disekitar kendaraan akan tersedot untuk mengisinya, dan hal ini akan meningkatkan koefisien drag yang pada akhirnya menurunkan topspeed dan meningkatkan konsumsi bensin. Dengan bentuk yang meruncing dibelakan akan meminimalisasi turbulen, yang pada akhirnya akan meminimalkan koefisien drag. Perhatikan gambar berikut, terlihat pengaruh dari “buntut” yang meruncing terhadap koefisien drag.

Bentuk tetesan air ini sangat berpengaruh terhadap pencapaian topspeed yang maksimal, seperti yang diadopsi oleh mobil dan pesawat terbang.

D. KOEFISIEN AERODINAMIKA/COEFISIEN OF DRAG (CD)

Koefisien hambatan (Drag Coefficient) adalah besaran dimensi yang digunakan untuk mengukur drag atau hambatan dari obyek dalam lingkungan fluida seperti udara atau air. Hal ini digunakan dalam persamaan drag, di mana koefisien drag yang lebih rendah menunjukkan objek memiliki hambatan aerodinamis atau hidrodinamik lebih kecil. Koefisien hambatan selalu dikaitkan dengan luas permukaan tertentu.

Gaya hambatan bentuk diterangkan sebagai distribusi tekanan pada bentuk mobil dan oleh karena itu disebut gaya tahan bentuk (form drag). Seperti diterangkan Hadi Winarto (1991 : 66) bahwa :“Untuk suatu benda tertentu, perbandingan relatif harga gaya tahan bentuk terhadap gaya tahan gesekan kulit ditentukan oleh bentuk benda tersebut. Benda yang gaya tahan bentuknya jauh lebih besar dari gesekan kulit disebut benda berbentuk tumpul atau benda tumpul (bluff body). Sebaliknya bila gaya tahan gesekan kulit jauh lebih besar dari gaya tahan bentuk maka benda tersebut dikatakan berbentuk semulus arus (streamline Body)”.

Dari gambar di samping , tidak ada nilai Cd = 1. Sebuah sama dengan 1 akan diperoleh dalam kasus di mana semua cairan mendekati objek dibawa untuk beristirahat, membangun tekanan stagnasi di atas permukaan depan secara keseluruhan.

Diagram Cd dengan Re

Dari persamaan Cd di atas , maka kita dapat menentukan besarnya nilai gaya drag yang bekerja pada permukaan geometri yang dilewatinya.

Berikut adalah simulasinya :

Dalam simulasi ini, terdapat sebuah cube yang memiliki perbandingan a/b berbeda - beda pada sebuah aliran laminar udara. menggunakan Re < 2100

Berbandingan a dan b dimensi :

a/b = 1 dalam referensi bernilai 1.05 (cube)
a/b > 1 dalam referensi bernilai 0.82 (long)
a/b < 1 dalam referensi bernilai 1.15 (short)

Dalam aerodinamika dikenal beberapa gaya yang bekerja pada sebuah benda atau aerofoil seperti dikemukakan Djoeli Satrijo (1999 : 53) menyatakan bahwa : “Tahanan aerodinamik, gaya angkat aerodinamika, dan momen angguk aerodinamik memiliki pengaruh yang bermakna pada unjuk kerja kendaraan pada kecepatan sedang dan tinggi. Peningkatan penekanan pada hemat bahan bakar dan pada hemat energi telah memacu keterkaitan baru dalam memperbaiki unjuk kerja aerodinamika pada kendaraan jalan raya”.

Sebagaimana lazimnya benda yang bergerak di udara, akan dipengaruhi oleh gaya-gaya dan momen aerodinamika, maka benda yang bergerak di darat juga akan dipengaruhi oleh gaya dan momen aerodinamika ditambah gaya-gaya karena pengaruh permukaan jalan (gaya hambatan gulung) dan gaya hambatan mekanis pada transmisi. Untuk mengurangi kerugian daya karena gaya hambatan aerodinamika, diantaranya adalah dengan membuat bentuk kendaraan mengikuti kaidah pelancapan (streamlining).

Unjuk kerja kendaraan sangat dipengaruhi oleh tiga hal seperti dikemukakan oleh J.Y Wong dalam bukunya Theory Of Ground Vehicle yang diterjemahkan oleh Djoeli Satrijo (1999 : 54) bahwa tahanan aerodinamika dari kendaraan ditentukan dari tiga sumber :

1. Bentuk drag yang disebabkan oleh turbulensi bagian belakang kendaraan merupakan suatu fungsi bentuk dari badan kendaraan, khususnya bentuk dari bagian belakang. Komponen tersebut selalu merupakan bagian yang paling bermakna dari tahanan aerodinamik.

2. Gesekan kulit yang disebabkan oleh gaya geser yang timbul pada permukaan-permukaan luar kendaraan melalui aliran udara. Untuk permukaan akhir yang lazim pada mobil penumpang, komponan ini mendekati 10 % dari tahanan aerodinamik total.

3. Tahanan akibat udara melalui sistem radiator atau interior dari kendaraan untuk tujuan pendinginan atau ventilasi. Hal ini bergantung pada rencana saluran.

Hambatan udara kendaraan (D) diungkapkan dengan persamaan (Clancy,1975).