GAYA HAMBAT (FD)

Sebuah benda yang bergerak melalui gas atau cairan mengalami sebuah gaya yang arahnya berlawanan dengan gerakan benda tersebut. Kecepatan terminal dicapai saat gaya hambat sebanding dengan magnitud (magnitudo) tapi arahnya berlawanan dengan gaya yang mendorong benda. Di gambar ini tampak sebuah bola dalam aliran Stokes, pada bilangan Reynolds yang sangat rendah.

Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang terkadang disebut hambatan fluida atau seretan) adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida ( cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. Bagi sebuah benda padat yang bergerak melalui sebuah fluida, gaya hambat merupakan komponen dari aerodinamika gaya resultan atau gaya dinamika fluida yang bekerja dalam arahnya pergerakan. Komponen tegak lurus terhadap arah pergerakan ini dianggap sebagai gaya angkat. Dengan begitu gaya hambat berlawanan dengan arah pergerakan benda, dan dalam sebuah kendaraan yang digerakkan mesin diatasi dengan gaya dorong.

Dalam mekanika orbit, tergantung pada situasi, hambatan atmosfer bisa dianggap sebagai ketidak efesiensian yang membutuhkan pengeluaran energi tambahan dalam peluncuran objek angkasa luar.Tipe-tipe gaya hambat pada umumnya terbagi menjadi kategori berikut ini: gaya hambat parasit, terdiri dari  seretan bentuk,  gesekan permukaan,  seretan interferensi,  gaya hambat imbas, dan  gaya hambat gelombang (aerodinamika) atau hambatan gelombang (hidrodinamika kapal).Frase gaya hambat parasit sering digunakan dalam aerodinmika, gaya hambat sayap angkat pada umumnya lebih kecil dari gaya angkat. Aliran fluida di sekeliling bagian benda yang curam pada umumnya mendominasi, dan lalu menciptakan gaya hambat. Lebih jauh lagi, gaya hambat imbas baru relevan ketika ada sayap atau badan angkat, dan dengan begitu biasanya

didiskusikan baik dalam perspektif aviasinya gaya hambat, atau dalam desainnya semi-planing atau badan kapal. Gaya hambat gelombang berlangsung saat sebuah benda padat bergerak melalui sebuah fluida atau mendekati kecepatan suara dalam fluida itu — atau dalam kasus dimana sebuah permukaan fluida yang bergerak bebas bergelombang permukaan menyebar dari objek, misalnya saja dari sebuah kapal. 

Untuk kecepatan yang tinggi — atau lebih tepatnya, pada bilangan Reynolds yang tinggi — gaya hambat keseluruhannya sebuah benda dikarakterisasikan oleh sebuah bilangan tak berdimensi yang disebut koefisien hambatan. Mengumpamakan sebuah koefisien hambatan yang lebih-atau-kurang konstan, seretan akan bervariasi sebagai kuadratnya kecepatan. Dengan begitu, tenaga resultan yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat ini akan bervariasi sebagai pangkat tiganya kecepatan. Persamaan standar untuk gaya hambat adalah satu setengah koefisiennya seretan dikali dengan massa jenis fluida, luas dari item tertentu, dan kuadratnya kecepatan.Hambatan angin merupakan istilah orang awam yang digunakan untuk mendeskripsikan gaya hambat. Penggunaannya seringkali tak jelas, dan biasanya digunakan dalam sebuah makna perbandingan (sebagai misal, kok bulutangkis memiliki hambatan angin yang lebih tinggi dari bola squash).

HAL-HAL YANG MEMPENGARUHI GAYA HAMBAT

a.         Gaya hambatGaya yang timbul akibat adanya tekanan fluida dari depan. Gaya ini di hitung berdasarkan seberapa jauh sebuah benda terebut bergeser ke belakang.

b.         Kecepatan Untuk bisa menghasilkan gaya drag maka dibutuhkan kecepatan sebuah objek terhadap fluida yang dilaluinya.

c.         Kerapatan udaraTanpa udara tak kan ada gaya hambat, ini dapat dilihat pada formulasi gaya hambat, jika kerapatan udara nol maka gaya hambat pun nol.

d.        Bentuk atau luas penampangBentuk atau luas penampang berpengaruh pada  gayahambat, bentuk yang baik secara aerodinamik akan mengasilkan koefisien gaya hambat yang baik juga. Jika bentuknya jelek, maka bisa-bisa hambatnya besa

Daya

Rumus daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat aerodinamis adalah:

Perlu diketahui bahwa daya yang dibutuhkan untuk mendorong sebuah objek melalui sebuah fluida meningkat sebagai pangkat tiganya kecepatan. Sebuah modil yang sedang melaju di jalan raya dengan kecepatan 80km/jam (50 mph) hanya membutuhkan 10 tenaga kuda (7,5 kW) untuk mengatasi gaya hambat udara, tapi bila mobil itu melaju secepat 160 km/jam (100 mph) dibutuhkan 80 tenaga kuda (60 kW). to overcome air drag, but that same car at 100 mph (160 km/h) requires 80 hp (60 kW). Dengan penggandaan kecepatan gaya hambat membesar empat kali lipat per rumus. Pengerahan daya empat kali pada sebuah jarak yang tetap menghasilkan usaha empat kali lipat. Karena daya adalah tingkat usaha yang sedang dilakukan, maka empat kali usaha yang dilakukan dalam setengah waktu membutuhkan delapan kali daya.

Perlu ditekankan disini bahwa persamaan gaya hambat merupakan sebuah perkiraan, dan belum tentu memberikan perkiraan yang tepat dalam setiap kasus. Jadi berhati-hatilah saat sedang membuat asumsi dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas.

Kecepatan objek yang sedang jatuh [sunting]

Kecepatan sebagai sebuah fungsi waktu untuk sebuah objek yang sedang jatuh melalui sebuah perantara yang tidak bermassa jenis kasarannya merupakan fungsi yang melibatkan fungsi hiperbolik:

Dengan kata lain, kecepatan secara asimtotik yang mencapai sebuah nilai maksimal disebut kecepatan terminal:

Bagi sebuah objek berbentuk kentang dengan diameter rata-rata d dan massa jenis ρobj, maka kecepatan terminalnya adalah

Untuk berbagai objek yang massa jenisnya mirip air (tetesan air hujan, hujan es, objek yang hidup — hewan, burung, serangga, dll.) yang sedang jatuh di udara dekat permukaan Bumi pada permukaan laut, maka kira-kira kecepatan terminalnya sama dengan

Sebagai contoh, untuk tubuh manusia (  ~ 0.6 m)   ~ 70 m/detik, untuk hewan kecil seperti kucing (  ~ 0.2 m)   ~ 40 m/detik, untuk burung kecil (  ~ 0.05 m)   ~ 20 m/detik, untuk serangga (  ~ 0.01 m)   ~ 9 m/detik, untuk setetes kabut (  ~ 0.0001 m)   ~ 0.9 m/detik, untuk serbuk sari atau bakteri (  ~ 0.00001 m)   ~ 0.3 m/detik dan seterusnya. Kecepatan terminal (kecepatan akhir) yang sesungguhnya dari objek yang sangat kecil (serbuk sari, dll.) bahkan lebih kecil dikarenakan viskositasnya udara.

Kecepatan terminal lebih tinggi untuk berbagai makhluk yang berukuran lebih besar, dan dengan begitu lebih mematikan. Seekor tikus yang jatuh dengan kecepatan terminalnya punya kemungkinan lebih besar tetap hidup saat jatuh ke tanah daripada seorang manusia yang jatuh pada kecepatan terminalnya. Hewan kecil seperti jangkrik yang bertubrukan pada kecepatan terminalnya kemungkinan takkan menderita luka. Hal ini menjelaskan penyebab tetap hidupnya binatang-binatang yang kecil yang jatuh dari tempat yang sangat tinggi.

Bilangan Reynolds yang sangat rendah — gaya hambat Stokes 

Persamaan untuk tahanan kekentalan atau gaya hambat linear cocok untuk partikel atau objek berukuran kecil yang sedang bergerak melalui sebuah fluida pada kecepatan yang relatif pelan dimana tidak terdapat turbulen (contohnya bilangan Reynolds yang rendah,  ).[5] Dalam kasus ini, gaya hambat kira-kira sebanding dengan kecepatan, tapi arahnya berlawanan. Persamaan untuk tahanan kekentalan adalah:[6]

dimana:

adalah sebuah konstanta yang tergantung pada sifat-sifat fluida serta dimensi objek, dan

adalah kecepatan objek.

Saat sebuah objek jatuh dari tumpuan, kecepatannya akan menjadi

yang secara asimtotik mendekati kecepatan terminal  . Untuk sebuah   tertentu, objek yang lebih berat jatuh lebih cepat.

Untuk kasus spesial dimana objek berbentuk bola yang kecil bergerak perlahan-lahan melalui sebuah zalir (fluida) kental (dan dengan begitu pada bilangan Reynolds yang kecil), George Gabriel Stokes membuat sebuah rumus untuk tetapan gaya hambat,

dimana:

adalah radius Stokesnya partikel, dan   adalah viskositas fluida.

Sebagai contoh, bayangkan sebuah bola kecil berjari-jari   = 0,5 mikrometer (diameter = 1.0 µm) yang sedang bergerak melalui air pada kecepatan   10 µm/s. Menggunakan 10−3 Pa·s sebagaiviskositas air dalam satuan SI, ditemukan bahwa gaya hambatnya 0,09 pN. Ini mengenai gaya hambat yang dialami bakteri yang berenang di air.

Gaya hambat dalam aerodinamika

Gaya hambat parasit

Gaya hambat parasit (yang juga disebut gaya seret parasit atau seretan parasit) merupakan gaya hambat yang disebabkan oleh pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida. Gaya hambat parasit tersusun dari begitu banyak komponen, yang terbesar adalah seretan bentuk. Gesekan permukaan serta seretan interferensi juga merupakan komponen utamanya gaya hambat parasit Dalam ilmu penerbangan, gaya hambat imbas cenderung lebih besar pada kecepatan yang lebih pelan karena dibutuhkan sudut serang yang tinggi untuk mempertahankan gaya angkat, menciptakan lebih banyak lagi seretan. Namun, ketika kecepatan meningkat sehingga gaya hambat imbas berkurang, gaya hambat parasit malah meningkat sebab fluida mengalir lebih cepat di sekeliling objek yang menonjol sekaligus meningkatkan gaya hambat maupun gaya gesek. Bahkan pada kecepatan yang lebih tinggi dalam transonik, gaya hambat gelombang masuk dalam perhitungan. Setiap bentuk gaya hambat itu mengalami perubahan proporsi terhadap satu sama lain berdasarkan pada kecepatan. Dengan begitu kurva gaya hambat total gabungan memperlihatkan nilai yang minimal pada sejumlah kecepatan udara – pesawat yang terbang pada kecepatan ini akan berada pada atau mendekati efisiensi tertingginya. Pilot akan menggunakan kecepatan ini untuk memaksimalkan ketahanan (konsumsi fuel minimal), atau memaksimalkan jarak luncur ketika terjadi kerusakan pada mesin.

Gaya hambat imbas

Dalam aerodinamika, gaya hambat imbas atau gaya seret vortek merupakan sebuah gaya hambat yang terjadi saat sebuah badan angkat atau sayap menghasilkangaya angkat dalam jangka waktu terbatas. Sedangkan parameter lainnya tetap sama, sudut serangan dan gaya hambat imbas yang meningkat.

Gaya hambat gelombang dalam transonik dan aliran supersonik

Bentuk umum dari persamaan kecepatan tinggi berlaku lumayan baik bahkan pada kecepatan yang mendekati atau melebihi kecepatan suara, namun, faktor Cd berubah dengan kecepatan, dalam sebuah cara yang tergantung pada sifat objek.

Pada umumnya, di atas Mach 0.85 koefisien hambatan meningkat sampai sebuah nilai beberapa kali lipat lebih tinggi pada Mach 1.0, dan lalu menurun lagi pada kecepatan yang lebih tinggi, cenderung pada sebuah nilai mungkin 30% lebih tinggi daripada kecepatan subsonik. Hal ini disebabkan oleh terciptanya gelombang kejut yang menghasilkan gaya hambat gelombang

KOEFISIEN GAYA HAMBAT (CD)

Cd (Drag koefisien atau koefisien drag) adalah istilah aerodinamis yang menggambarkan kemampuan mobil untuk memotong melalui udara dan bentuk mobil akhirnya akan mempengaruhi kecepatan tertinggi secara keseluruhan. Semakin rendah tingkat Cd, semakin rendah drag dan efisiensi lebih aerodinamis dari desain mobil (ini difokuskan pada pengurangan drag dan tidak downforce).

Jika kita melihat “drag nilai koefisien” diagram di bawah, kita dapat melihat dampak yang bentuk yang berbeda terhadap aliran udara di atas mereka. Sosok CD rendah bentuk yang lebih ramping ini dan juga peningkatan efisiensi aerodinamis nya. Dibutuhkan tenaga BHP mesin yang semakin meningkat untuk mengatasi hambatan udara, ini efektif jatah 1:4, yang berarti diperlukan didukung adalah mantan berpotensi kuadrat dengan kecepatan target.

Batas lapisan:

Kita juga dapat melihat bahwa aliran udara yang membuat kontak dengan bentuk yang bergerak menciptakan lapisan batas, yang mengelilingi objek. Molekul udara melekat pada permukaan benda melalui gesekan untuk gelar, meskipun ini adalah variabel karena bahan objek yang berbeda. Aliran udara lebih jauh adalah dari objek, semakin sedikit efeknya, maka mobil biasanya mungkin memiliki lapisan batas dari beberapa 20-25mm (0,78-0,98 inci).

Arus Pemisahan:

Kita bisa melihat dengan diagram bahwa lapisan batas udara di beberapa titik mulai melepaskan diri dari objek, sebagai objek pukulan di udara, ini disebut pemisahan aliran. Tergantung pada bentuk objek, kita dapat melihat bahwa aliran udara yang lebih bergolak keluar objek, semakin objek menderita tarik sebagai hasilnya.

Drag:

Ini adalah gaya yang bekerja dalam berlawanan dengan arah gerakan objek. Meskipun ini merupakan pandangan sederhana dan ada banyak faktor lain yang terlibat dan jenis drag. Kami untuk ilustrasi contoh ini hanya perlu tahu bahwa udara turbulen mengisi celah yang ditinggalkan itu, menciptakan drag.

TUGAS

MEKANIKA FLUIDA II

NAMA : BELLA GUSTI ISLANDI

NPM : G1C011043

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BENGKULU

2013