Distribusi Tekanan Permukaan
Distribusi Tekanan Permukaan. Angkat dapat ditentukan dari Persamaan 9.2 jika distribusi tekanan dan gaya gesekan dinding di sekitar seluruh tubuh diketahui. Seperti yang diindikasikan di Bagian 9.1, data tersebut biasanya tidak diketahui. Biasanya, angkat dinyatakan dalam bentuk koefisien angkat,
koefisien angkat diperoleh dari eksperimen, analisis lanjutan, atau pertimbangan numerik. Koefisien angkat adalah fungsi dari parameter tak berdimensi yang sesuai dan, seperti koefisien drag, dapat ditulis sebagai
Bilangan Froude, Fr, penting hanya jika ada permukaan bebas yang hadir, seperti pada "sayap" bawah air yang digunakan untuk mendukung kapal permukaan hidrofoil berkecepatan tinggi. Seringkali, kekasaran permukaan, 𝜀, relatif tidak penting dalam hal angkat - lebih berpengaruh pada drag. Bilangan Mach, Ma, penting untuk aliran subsonik dan supersonik berkecepatan tinggi (yaitu, Ma ≥ 0,82), dan efek bilangan Reynolds sering tidak besar. Parameter yang paling penting yang memengaruhi koefisien angkat adalah bentuk objek. Upaya besar telah dilakukan untuk merancang perangkat penghasil angkat dengan bentuk optimal. Kami akan menekankan efek bentuk terhadap angkat - efek dari parameter tak berdimensi lainnya dapat ditemukan dalam literatur (Refs. 13, 14, dan 292).
Kebanyakan perangkat penghasil angkat yang umum digunakan (misalnya, airfoil, kipas, spoiler pada mobil, dll.) beroperasi dalam rentang bilangan Reynolds yang besar di mana aliran memiliki karakter lapisan batas, dengan efek viskos terbatas pada lapisan batas dan daerah bangun belakang. Untuk kasus seperti ini, gaya gesek dinding, τw , memberikan sedikit kontribusi terhadap angkat. Sebagian besar angkat berasal dari distribusi tekanan permukaan. Distribusi tekanan tipikal pada mobil yang bergerak ditunjukkan dalam Gambar 9.31. Distribusi ini, sebagian besar, konsisten dengan analisis persamaan Bernoulli yang sederhana. Lokasi dengan aliran berkecepatan tinggi (misalnya, di atas atap dan kap mobil) memiliki tekanan rendah, sementara lokasi dengan aliran berkecepatan rendah (misalnya, pada grill dan kaca depan) memiliki tekanan tinggi. Mudah dipercaya bahwa efek terintegrasi dari distribusi tekanan ini akan memberikan gaya ke atas bersih.
Untuk benda yang beroperasi dalam rezim bilangan Reynolds sangat rendah (misalnya, Re ≤ 12), efek viskos penting, dan kontribusi gaya gesek terhadap angkat mungkin sama pentingnya dengan tekanan. Situasi seperti ini termasuk penerbangan serangga kecil dan renang organisme mikroskopis. Pentingnya relatif τw dan p dalam pembangkitan angkat dalam aliran bilangan Reynolds besar yang khas ditunjukkan dalam Contoh 9.14.
Sebuah perangkat khas yang dirancang untuk menghasilkan angkat melakukannya dengan menghasilkan distribusi tekanan yang berbeda di permukaan atas dan bawah. Untuk aliran bilangan Reynolds besar, distribusi tekanan ini biasanya langsung berbanding lurus dengan tekanan dinamis, ρU2 /2, dengan efek viskositas menjadi penting secara sekunder. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan oleh gambar di samping, untuk airfoil yang diberikan, angkatnya berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan udara. Dua airfoil yang digunakan untuk menghasilkan angkat ditunjukkan pada Gambar 9.32. Jelas airfoil simetris tidak dapat menghasilkan angkat kecuali sudut serang, α, tidak nol. Karena asimetri airfoil yang tidak simetris, distribusi tekanan di permukaan atas dan bawah berbeda, dan sebuah angkat dihasilkan bahkan dengan α=0. Tentu saja, akan ada nilai tertentu dari α (kurang dari nol untuk kasus ini) di mana angkatnya nol. Untuk situasi ini, distribusi tekanan di permukaan atas dan bawah berbeda, tetapi gaya tekanan hasil (terintegrasi) mereka akan sama dan berlawanan.
Karena sebagian besar airfoil tipis, adalah kebiasaan untuk menggunakan luas planform, A=bc, dalam definisi koefisien angkat. Di sini b adalah panjang airfoil dan c adalah panjang korda—panjang dari leading edge ke trailing edge seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9.32. Koefisien angkat yang didefinisikan demikian memiliki nilai sekitar satu. Artinya, gaya angkat berada pada urutan tekanan dinamis kali luas planform sayap, ℒ= (ρU/2) A. Beban sayap, yang didefinisikan sebagai angkat rata-rata per unit area sayap, ℒ/A, oleh karena itu, meningkat dengan kecepatan. Sebagai contoh, beban sayap dari
Beban sayap untuk pesawat 1903 Wright Flyer adalah 1,5 lb/ft², sementara untuk pesawat Boeing 747 saat ini adalah 150 lb/ft². Beban sayap untuk seekor lebah bumblebee sekitar 1 lb/ft². Data koefisien angkat dan drag tipikal sebagai fungsi sudut serang, α, dan rasio aspek, AR, ditunjukkan pada Gambar 9.33a dan 9.33b. Rasio aspek didefinisikan sebagai rasio kuadrat panjang sayap terhadap luas planform, AR= Ab2 . Jika panjang korda, c, konstan sepanjang panjang sayap (sayap berbentuk persegi panjang), ini berkurang menjadi AR= Ab⋅c.
Secara umum, koefisien angkat meningkat dan koefisien drag berkurang dengan peningkatan rasio aspek. Sayap yang panjang lebih efisien karena kerugian ujung sayapnya relatif lebih kecil daripada sayap yang pendek. Peningkatan drag akibat panjang terbatasnya sayap (yang dikenal sebagai drag induksi) sering disebut sebagai drag yang diinduksi. Ini disebabkan oleh interaksi struktur aliran yang berputar kompleks di dekat ujung sayap dan aliran bebas. Pesawat yang mampu terbang dengan baik dan burung yang sangat efisien dalam terbang seperti albatros dan burung camar memiliki sayap yang panjang dan sempit. Namun, sayap tersebut memiliki inersia yang cukup besar yang menghambat manuver cepat. Oleh karena itu, pesawat tempur atau akrobatik yang sangat mudah manuver dan burung seperti elang memiliki sayap dengan rasio aspek yang kecil.
Meskipun efek viskos dan gaya geser dinding memberikan sedikit kontribusi pada penghasilan angkat langsung, mereka memainkan peran yang sangat penting dalam desain dan penggunaan perangkat pengangkat. Hal ini karena pemisahan lapisan batas yang diinduksi viskositas yang dapat terjadi pada tubuh yang tidak berbentuk aliran, seperti airfoil yang memiliki sudut serang terlalu besar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.33, hingga titik tertentu, koefisien angkat meningkat cukup stabil dengan sudut serang. Jika sudut serang terlalu besar, lapisan batas di permukaan atas terpisah, aliran di atas sayap mengembangkan wilayah gelombang yang lebar dan turbulent, angkat berkurang, dan drag meningkat. Kondisi ini, seperti yang ditunjukkan oleh gambar di samping, disebut stall. Kondisi seperti itu sangat berbahaya jika terjadi saat pesawat terbang di ketinggian rendah di mana tidak cukup waktu dan ketinggian untuk pulih dari stall.
Pada banyak perangkat penghasil angkat, kuantitas penting adalah rasio angkat terhadap drag yang dihasilkan, ℒ/𝒟= CD/CL . Informasi seperti ini sering disajikan dalam bentuk CL/CD versus α, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.34a, atau dalam polar angkat-drag dari CL versus CD dengan α sebagai parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.34b. Sudut serang paling efisien (yaitu, CL/CD terbesar) dapat ditemukan dengan menarik garis tangen ke kurva CL × CD dari asal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.34b. Airfoil kinerja tinggi menghasilkan angkat yang mungkin 100 atau lebih kali lebih besar dari drag mereka. Ini berarti bahwa dalam udara diam mereka dapat meluncur sejauh 100 m untuk setiap penurunan ketinggian 1 m.
Seperti yang telah diindikasikan di atas, angkat dan drag pada sebuah airfoil dapat diubah dengan mengubah sudut serang. Ini sebenarnya mewakili perubahan bentuk objek. Perubahan bentuk lainnya dapat digunakan untuk mengubah angkat dan drag ketika diperlukan. Pada pesawat modern, umumnya digunakan flap di tepi depan dan belakang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.35. Untuk menghasilkan angkat yang diperlukan selama prosedur pendaratan dan lepas landas pada kecepatan relatif rendah, bentuk airfoil diubah dengan memperpanjang flap khusus di bagian depan dan/atau belakang sayap. Penggunaan flap secara signifikan meningkatkan angkat, meskipun ini menyebabkan peningkatan drag (airfoil dalam konfigurasi "kotor"). Peningkatan drag ini tidak terlalu menjadi perhatian selama operasi pendaratan dan lepas landas - penurunan kecepatan pendaratan atau lepas landas lebih penting daripada peningkatan sementara dalam drag. Selama penerbangan normal dengan flap ditarik kembali (konfigurasi "bersih"), drag relatif kecil, dan gaya angkat yang dibutuhkan dicapai dengan koefisien angkat yang lebih kecil dan tekanan dinamis yang lebih besar (kecepatan yang lebih tinggi).
Berbagai informasi tentang angkat dan drag untuk airfoil dapat ditemukan dalam buku-buku aerodinamika standar (Ref. 13, 14, 292).
