Gaya dorong melawan gaya hambat

Hambatan adalah harga yang harus dibayar untuk bergerak menembus udara. Insinyur pesawat membaginya menjadi dua jenis.

1. Hambatan parasit. Ini berasal dari bentuk dan permukaan: hambatan tekanan pada badan pesawat, ban, dan penyangga yang mendorong udara ke samping, serta gesekan kulit akibat udara yang bergesekan sepanjang permukaan. Hambatan ini berperilaku seperti gaya angkat: D_p = ½ρV²S × C_D0. Hambatan ini bertambah seiring kuadrat kelajuan.

2. Hambatan terimbas. Ini adalah harga yang harus dibayar untuk menghasilkan gaya angkat. Sayap dengan bentang terbatas mendorong udara ke bawah, dan udara berputar mengelilingi ujung sayap membentuk pusaran ujung sayap. Energi yang terbuang ini muncul sebagai gaya ke belakang: D_i = ½ρV²S × C_L² / (π e AR). Di sini, AR adalah rasio aspek (bentang² dibagi luas sayap; sayap panjang dan ramping memiliki AR tinggi), sedangkan e adalah faktor efisiensi yang nilainya di bawah 1.

Jika digabungkan, koefisien hambatan total adalah C_D = C_D0 + C_L² / (π e AR).

Angka contoh. Pesawat mainan memiliki C_D0 = 0,03, e = 0,8, dan AR = 7,5 (nilai untuk pembelajaran). Dalam penerbangan mendatar, L = W, sehingga C_L = 2W / (ρV²S) dan menjadi lebih kecil saat kelajuan meningkat. Artinya, hambatan terimbas berkurang seiring kelajuan (nilainya mengikuti 1/V²), sedangkan hambatan parasit bertambah seiring kelajuan (V²). Pesawat mainan ini menghasilkan:

• 25 m/s: hambatan parasit 184 N, hambatan terimbas 834 N, total sekitar 1.020 N. Penerbangan lambat didominasi hambatan terimbas.
• 36,5 m/s: hambatan parasit 392 N, hambatan terimbas 391 N, total sekitar 783 N. Ini adalah hambatan minimum.
• 50 m/s: hambatan parasit 735 N, hambatan terimbas 208 N, total sekitar 943 N.
• 80 m/s: hambatan parasit 1.882 N, hambatan terimbas 81 N, total sekitar 1.963 N. Penerbangan cepat didominasi hambatan parasit.

Gambarkan hambatan total terhadap kelajuan, dan kamu akan mendapatkan kurva berbentuk U. Di dasar U, hambatan terimbas dan hambatan parasit sama besar. Inilah kelajuan dengan L/D terbaik: pada 36,5 m/s, pesawat memiliki L/D = 9.810 / 783 ≈ 12,5. Untuk pesawat jet, kelajuan ini mendekati kelajuan yang menghasilkan jarak tempuh terjauh, meskipun kelajuan terbaik yang tepat juga bergantung pada mesin. Pilot pesawat layang terbang mendekati kelajuan ini agar bisa menempuh jarak sejauh mungkin untuk setiap meter tinggi yang hilang (World 6).

Kegunaan mesin. Dalam penerbangan stabil, gaya dorong harus sama dengan gaya hambat, jadi gaya dorong ditentukan oleh kurva gaya hambat. Pada L/D terbaik, pesawat mainan hanya membutuhkan sekitar 785 N gaya dorong untuk membawa berat 9.810 N. Terbang lebih lambat atau lebih cepat akan membuat gaya dorong yang dibutuhkan meningkat lagi.

Cara mengurangi gaya hambat. Bentuk yang mulus dan roda pendarat yang dapat ditarik masuk mengurangi gaya hambat parasit. Sayap yang lebih panjang dan lebih sempit (rasio aspek yang lebih tinggi) mengurangi gaya hambat induksi, karena D_i berbanding terbalik dengan AR. Itulah sebabnya pesawat layang memiliki sayap yang sangat panjang dan pesawat penumpang memiliki winglet (World 7). Mesin terbagi menjadi dua kelompok utama, baling-baling (yang mempercepat banyak udara sedikit saja) dan mesin jet (yang mempercepat lebih sedikit udara jauh lebih cepat). World 4 menjelaskan cara mesin jet menghasilkan gaya dorong.