Bagaimana pesawat bisa tetap berada di udara? Apakah Anda merenungkan pertanyaan tersebut saat terbang atau tidak, ini tetap menjadi topik yang menarik dan kompleks. Berikut sekilas tentang fisika yang terkait dengan penerbangan pesawat, serta sekilas kesalahpahaman seputar subjek tersebut.

Pertama, bayangkan sebuah pesawat—pesawat komersial, seperti jet angkut Boeing atau Airbus—yang terbang dengan stabil di angkasa. Pelarian itu melibatkan keseimbangan kekuatan lawan. “Sayap menghasilkan gaya angkat, dan gaya angkat melawan berat pesawat,” kata Holger Babinsky, profesor aerodinamika di Universitas Cambridge.

“Gaya angkat [atau ke atas] harus sama dengan, atau lebih besar dari, berat pesawat—itulah yang membuatnya tetap di udara,” kata William Crossley, kepala Sekolah Aeronautika dan Astronautika di Universitas Purdue.

Sementara itu, mesin pesawat memberikan daya dorong yang diperlukan untuk melawan hambatan yang dialami akibat gesekan udara di sekitarnya. “Saat Anda terbang ke depan, Anda harus memiliki daya dorong yang cukup untuk setidaknya menyamai gaya hambatnya— gaya hambatnya bisa lebih tinggi daripada gaya hambatnya jika Anda berakselerasi; gayanya bisa lebih rendah daripada gaya hambatnya jika Anda melambat—tetapi dalam penerbangan yang stabil dan datar, daya dorongnya sama dengan gaya hambatnya,” catat Crossley.

Memahami bagaimana sayap pesawat menghasilkan gaya angkat sedikit lebih rumit. “Media, secara umum, selalu mencari penjelasan yang cepat dan sederhana,” kata Babinsky. “Saya pikir itu membuat kita terlibat masalah.” Salah satu penjelasan populer, yang salah, berbunyi seperti ini: Udara yang bergerak di atas sayap yang melengkung harus menempuh jarak yang lebih jauh daripada udara yang bergerak di bawahnya, dan oleh karena itu, ia bergerak semakin cepat agar tetap mengikuti udara. bagian bawah—seolah-olah dua partikel udara, satu berada di atas sayap dan satu lagi berada di bawah, harus tetap terhubung secara ajaib. NASA bahkan memiliki halaman web yang didedikasikan untuk gagasan ini, yang menamakannya sebagai “teori airfoil yang salah”.

Jadi bagaimana cara berpikir yang benar tentang hal itu?

Mengulurkan tangan

Salah satu cara yang sangat sederhana untuk mulai memikirkan topik tersebut adalah dengan membayangkan Anda sedang duduk di kursi penumpang mobil. Rentangkan lengan Anda ke samping, ke arah angin yang datang, dengan telapak tangan menghadap ke bawah, ibu jari ke depan, dan tangan pada dasarnya sejajar dengan lantai. (Jika Anda melakukan ini dalam kehidupan nyata, harap berhati-hati.) Sekarang, miringkan tangan Anda sedikit ke atas di bagian depan, sehingga angin mengenai bagian bawah tangan Anda; proses memiringkan tangan ke atas mendekati konsep penting dengan sayap yang disebut sudut serangnya.

“Anda dapat dengan jelas merasakan gaya angkatnya,” kata Babinsky. Dalam skenario sederhana ini, udara mengenai bagian bawah tangan Anda, dibelokkan ke bawah, dan dalam pengertian Newton (lihat hukum tiga), tangan Anda didorong ke atas.

Ikuti kurvanya

Namun sayap, tentu saja, tidak berbentuk seperti tangan Anda, dan ada beberapa faktor tambahan yang perlu dipertimbangkan. Dua hal penting yang perlu diingat mengenai sayap adalah bahwa bagian depan sayap—tepi terdepan—melengkung, dan secara keseluruhan, sayap juga berbentuk yang disebut airfoil jika Anda melihatnya dari penampang melintang.

Tepi depan sayap yang melengkung penting karena aliran udara cenderung “mengikuti permukaan melengkung,” kata Babinsky. Dia bilang dia suka mendemonstrasikan konsep ini dengan mengarahkan pengering rambut ke ujung ember yang bulat. Aliran udara tersebut akan menempel pada permukaan ember yang melengkung dan berbelok, bahkan berpotensi mematikan lilin di sisi lain yang terhalang ember. Berikut adalah video lama menawan yang tampaknya menunjukkan gagasan yang sama. “Setelah aliran menempel pada permukaan lengkung, aliran tersebut akan tetap melekat—[walaupun] aliran tersebut tidak akan melekat selamanya,” catatnya.

Dengan sayap—dan bayangkan sayapnya agak miring ke atas, seperti tangan Anda keluar dari jendela mobil—yang terjadi adalah udara bertemu dengan tepi depan yang membulat. “Di permukaan atas, udara akan menempel, dan membengkok, dan mengikuti kejadian tersebut, sudut serang tersebut, dengan sangat baik,” katanya.

Jaga agar tekanan tetap rendah

Pada akhirnya, yang terjadi adalah udara yang bergerak di atas sayap menempel pada permukaan melengkung dan berputar, atau mengalir ke bawah: terbentuk area bertekanan rendah, dan udara juga bergerak lebih cepat. Sedangkan udara yang menerpa bagian bawah sayap, seperti angin yang menerpa tangan saat menjulur ke luar jendela mobil, sehingga menimbulkan area bertekanan tinggi. Voila: sayap memiliki area bertekanan rendah di atasnya, dan bertekanan lebih tinggi di bawahnya. “Perbedaan antara kedua tekanan tersebut memberi kita dorongan,” kata Babinsky.

Babinsky mencatat bahwa lebih banyak pekerjaan yang dilakukan oleh area bertekanan rendah di atas sayap daripada area bertekanan tinggi di bawah sayap. Anda dapat membayangkan sayap sebagai membelokkan aliran udara ke bawah baik di bagian atas maupun bawah. Di permukaan bawah sayap, defleksi aliran “sebenarnya lebih kecil dibandingkan defleksi aliran di permukaan atas,” ujarnya. “Pada sebagian besar airfoil, aturan praktis yang sangat kasar adalah bahwa dua pertiga gaya angkat dihasilkan di sana [di permukaan atas], terkadang bahkan lebih,” kata Babinksy.

Bisakah kamu menyatukan semuanya untukku untuk yang terakhir kalinya?

Tentu! Gloria Yamauchi, seorang insinyur luar angkasa di Pusat Penelitian Ames NASA, menyatakan demikian. “Jadi kita punya pesawat terbang yang terbang di udara; udara mendekati sayap; itu diputar oleh sayap di ujung depan,” katanya. (Yang dimaksud dengan “berputar” adalah perubahan arah, seperti cara mobil melaju di jalan yang memaksa udara mengubah arah untuk mengelilinginya.) “Kecepatan udara berubah ketika melewati permukaan sayap, di atas dan di bawah."

“Kecepatan di atas sayap, secara umum, lebih besar daripada kecepatan di bawah sayap,” lanjutnya, “dan itu berarti tekanan di atas sayap lebih rendah daripada tekanan di bawah sayap, dan perbedaan tekanan tersebut menghasilkan gaya angkat ke atas.”