Pengangkatan Airfoil: Prinsip Bernoulli Atas Sayap
1 · Memprediksi
Udara mengalir lebih cepat di bagian atas airfoil yang melengkung dibandingkan di bawahnya. Menurut prinsip Bernoulli, permukaan manakah yang memiliki tekanan lebih rendah — dan apa pengaruhnya bagi sayap?
- Permukaan atas memiliki tekanan yang lebih rendah, sehingga menciptakan gaya ke atas (angkat).
- Permukaan bawah memiliki tekanan yang lebih rendah, sehingga mendorong sayap ke bawah.
- Kedua permukaan mempunyai tekanan yang sama, sehingga tidak ada gaya total.
2 · Pengaturan
- Buka preset sayap (airfoil) dan tekan Reset. Udara mengalir melintasi penampang airfoil; jalur permukaan atas lebih sempit daripada jalur bawah, sehingga udara melaju lebih cepat di bagian atas.
- Aktifkan pembacaan kecepatan permukaan tertinggi dan perbedaan tekanan.
- Tetapkan luas penampang bawah dan atas serta kecepatan udara masuk untuk setiap percobaan, dan catat pembacaan kecepatan tertinggi dan perbedaan tekanan.
3 · Kumpulkan Data
| Area jalur bawah A₁ (m²) | Area jalur teratas A₂ (m²) | Kecepatan udara masuk v₁ (m/s) | Kecepatan permukaan atas v₂ (m/s) | Perbedaan tekanan ΔP (atas − bawah) (Pa) |
|---|---|---|---|---|
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 22.00 | ||
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 30.00 | ||
| 6.00e-4 | 4.00e-4 | 25.00 |
Plot perbedaan tekanan ΔP (sumbu y) terhadap kecepatan permukaan atas v₂ (sumbu x) untuk tiga percobaan Anda.
4 · Analisis
- Untuk satu percobaan, hitung v₂ = A₁v₁/A₂ dari kontinuitas, kemudian ΔP = P_atas − P_bawah = ½ρ_air(v₁² − v₂²) menggunakan densitas udara 1.225 kg/m³. Bandingkan keduanya dengan pembacaan — ΔP negatif karena udara yang lebih cepat di bagian atas berada pada tekanan yang lebih rendah di sana, dan itulah yang mengangkat sayap.
- Perbedaan tekanan di sini jauh lebih kecil dalam Pa dibandingkan pada percobaan fluida-venturi untuk kecepatan yang sama. Jelaskan alasannya dengan menggunakan nilai massa jenis dalam persamaan Bernoulli.
5 · Perluas
- Model ini (kontinuitas + Bernoulli) menjelaskan sebagian bagaimana sayap menghasilkan gaya angkat, namun gaya angkat aerodinamis sebenarnya juga sangat bergantung pada sudut serang sayap, dan tidak mensyaratkan unsur udara di atas dan di bawah sayap tiba di tepi belakang (trailing edge) secara bersamaan. Mengapa cerita sederhana 'waktu transit sama' tentang gaya angkat bisa menyesatkan?
- Kepadatan udara menurun pada ketinggian. Dengan menggunakan ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), jelaskan mengapa sebuah sayap perlu bergerak lebih cepat melalui udara tipis di ketinggian untuk menghasilkan gaya angkat yang sama seperti di permukaan laut.
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Persamaan Kontinuitas
Untuk fluida tak mampat, laju aliran (luas × kecepatan) kekal sepanjang garis arus: A₁v₁ = A₂v₂. Jalur yang lebih sempit di atas airfoil memaksa udara di sana bergerak lebih cepat.
Persamaan Bernoulli (udara)
Sepanjang garis arus horizontal, P + ½ρv² tetap konstan. Udara yang bergerak lebih cepat di bagian atas sayap memiliki tekanan yang lebih rendah daripada udara yang lebih lambat di bawahnya — perbedaan tekanan yang berkontribusi terhadap gaya angkat.
Fluida
138 Lembar Kerja Laboratorium Fisika Gratis yang Bisa Dicetak