Aerodinamika Untuk Mobil

AERODINAMIKA UNTUK MOBIL

Abstraksi.

Aerodinamika untuk mobil menjadi aspek yang sangat diperhatikan dalam desain bodi mobil, sehingga mobil yang dihasilkan dapat mengoptimalkan engine power untuk menjadi daya dorong dan traksi mobil, hemat bahan bakar dan terjaminnya stabilitas mobil. Semakin cepat jalannya mobil, secara umum akan meningkatkan gaya aerodinamika yang terjadi pada mobil meliputi gaya hambat (drag force)  aerodinamik, gaya angkat (lift force)  aerodinamik dan gaya samping  (side force)  aerodinamik. Melalui pengujian langsung model atau mobil aslinya pada terowongan angin (wind tunnel) akan diperoleh nilai gaya aerodinamika tersebut (F_D,F_L, F_L), kecepatan angin (V_A) dan sudut arah angin (β_A). Selanjutnya dari nilai besaran yang telah didapatkan dari terowongan angin tersebut dapat dihitung besaran Coeffisien of Drag (C_D), Coeffisien of Lift (C_L) dan Coeffisien of Side (C_S). Bagian  depan  mobil merupakan bagian bodi mobil yang sangat menentukan besarnya gaya hambat (drag force), demikian juga bagian  atap mobil  dapat diperbaiki  aerodinamikanya dengan mendesain  atap  berbentuk  konvex  agar memudahkan  aliran  udara  mengalir  ke belakang. Stabilitas mobil juga sangat ditentukan oleh gaya yang terjadi pada  bagian  belakang  mobil, maka dibuat lebih lancip bahkan dipasang spoiler juga dipasang sayap (wing), sehingga semaikn cepat mobil gaya angkat yang timbul dan pusaran atau turbulensi (vortek) dapat dieliminir. Reduksi drag pada  bagian  samping mobil  dapat dilakukan  dengan mendesain  kelengkungan  bagian  samping  (convexity). Bagian bawah  mobil  juga  akan  meningkatkan nilai drag pada mobil.  Reduksi drag  dapat  dilakukan dengan  cara  mempersempit dan memperhalus  bagian  bawah mobil.

Kata kunci : aerodinamika, gaya hambat, gaya angkat, gaya samping dan bodi mobil.

A.  Pendahuluan

Aerodinamika biasanya dikaitkan dengan teknologi pesawat terbang. Bentuk bodi pesawat terbang modern yang streamline, landai, halus dan tidak ada penampang yang frontal serta dengan bentuk sayap pesawat airfoil  yang landai adalah penerapan ilmu aerodinamika pada pesawat. Untuk dapat terbang maka pesawat harus dijalankan dengan kencang di landasan beberapa ratus meter dan baru dapat mengangkasa. Dengan semakin cepatnya pesawat di landasan, maka gaya angkat (lift force) yang ditimbulkan oleh udara yang diterjang bodi pesawat akan semakin tinggi, maka bodi pesawat semakin terangkat ke udara dan dengan ditunjang oleh gaya dorong pesawat, maka pesawat akan mampu mengudara sampai puluhan kilometer dengan daya jelajah puluhan ribu kilometer. Sebaliknya supaya pesawat dapat turun lagi ke landasan, maka selain mengurangi gaya dorong pesawat juga mengurangi gaya angkat (lift force) yang terjadi dengan cara merubah posisi sebagian komponen sayap.

  

 Bagaimana penerapan ilmu aerodinamika untuk mobil?

 Sebenarnya penerapan ilmu aerodinamika untuk mobil sudah berlangsung lama, khususnya pada mobil balap yang berkecepatan tinggi, seperti mobil balap formula 1 (F 1) yang memiliki kecepatan sampai sekitar 300 km/jam. Dengan bentuk bodi mobil balap mirip dengan bodi pesawat, dengan bentuk bodi yang streamline dan landai maka gaya hambat udara diminimalisir, sehingga traksi mobil tidak banyak terkurangi gaya hambat udara dan juga pemakaian bahan bakar menjadi lebih irit. Selain itu, dengan bentukbodi yang aerodinamis, gaya samping dan momen yang terjadi pada mobil terkendali lebih baik, sehingga stabilitas mobil tetap baik dan aman saat mobil berkecepatan tinggi seperti pada perubahan kecepatan, pengereman, jalan belok, jalan naik-turun dan berbagai manuver lainnya. Yang membedakan dengan pesawat, kecepatan mobil semakin cepat maka gaya angkat yang terjadi pada bodi mobil harus diminimalisir sehingga ban selalu menapak kuat pada jalan. Jika beberapa milimeter saja ban mobil terangkat dari jalan, maka perilaku mobil tidak dapat dikendalikan, khususnya rem dan kemudi tidak dapat mengendalikan mobil, sangat berbahaya dan dapat terjadi kecelakaan.

A.  Gaya Aerodinamika Pada Mobil

Gaya aerodinamika yang terjadi pada mobil secara  umum  terdapat tiga, yaitu : gaya hambat (drag force)  aerodinamik  [F_D], gaya angkat (lift force)  aerodinamik  [F_L] dan gaya samping  (side force)  aerodinamik  [F_S]. Gaya gaya tersebut bekerja pada titik yang disebut dengan "Center  of Pressure"  (C_p). Besarnya gaya yang terjadi tersebut (F_D,F_L, F_L), kecepatan angin (V_A) dan sudut arah angin (β_A) diperoleh melalui pengujian langsung model atau mobil aslinya pada terowongan angin (wind tunnel). Nilai besaran yang telah didapatkan dari terowongan angin selanjutnya dihitung untuk menghasilkan Coeffisien of Drag (C_D), Coeffisien of Lift (C_L) dan Coeffisien of Side (C_S).

1.     Gaya  Hambat  (Drag force)  Aerodinamik

Gaya  hambat  adalah  gaya udara yang  berlawanan  arah  dengan  arah  gerak  maju mobil, sehingga menghambat traksi mobil.  Secara umum gaya hambat (drag force)  dikenal melalui angka Coeffisien of Drag (C_D) Nilai C_D semakin kecil maka aerodinamika bodi mobil semakin baik, karena gaya hambat yang timbul semakin rendah. 

a.  Hambatan Bentuk. Bentuk  bodi mobil  yang  kompleks  menyebabkan  terjadinya  distribusi tekanan  di sepanjang  permukaan  bodi mobil.  Saat mobil berjalan terjadi  perbedaan  tekanan  antara  bagian  depan mobil  dan  bagian belakang  mobil,  tekanan  positif  bekerja pada  bagian  depan  mobil  dan tekanan  negatif di bagian  belakang mobil, sehingga gaya udara yang bekerja   pada  bagian  depan  mobil  lebih tinggi daripada gaya pada bagian  belakang mobil, akibatnya  timbul gaya drag  yang  bekerja berlawanan dengan  arah  gerak  mobil dan menghambat gerak mobil.

 b.Hambatan  Pusaran/Turbulensi (Vortex). Pada bagian  belakang mobil terjadi perbedaan  tekanan  antara  bagian  atas  dan  bagian  bawah mobil,  menyebabkan  terjadinya gerakan  aliran  udara dari  permukaan bawah  menuju ke  permukaan  atas mobil  yang  berupa  pusaran atau turbulensi  (vortex). Timbulnya  vortex  pada  mobil  juga  akan menghambat  gerak  laju mobil yang  disebabkan  adanya  pengaruh  gaya  angkat  vertikal  pada bodi mobil  yang  sedang  bergerak secara  horisontal.  Vortex  yang  terjadi  akan  mengubah  arah  lift  yang semula  tegak  lurus  terhadap jalan  menjadi  miring ke belakang.

c.    Hambatan  Tonjolan. Adanya  tonjolan  profil  tertentu  pada bagian  permukaan  bodi mobil seperti  kaca  spion, pegangan  pintu,  antena dan  aksesori lainnya juga mengakibatkan gaya hambat. Oleh karena itu maka komponen tersebut biasanya bentuknya dibuat mendekati bulat dan halus supaya udara yang lewat semakin lancar dan berarti mengurangi hambatan.

d.  Hambatan  Aliran  Dalam. Hambatan aliran dalam ini berupa hambatan oleh  aliran  udara yang mengalir  melalui sistem  pendingin mesin yaitu radiator.

Hambatan-hambatan tersebut diatas semuanya tidak dapat dihindarkan, tetapi penerapan ilmu aerodinamika akan meminimalisir hambatan yang ada. Pada kenyataannya  hanya hambatan  bentuk  dan  hambatan  pusar yang  paling besar  pengaruhnya  terhadap  gaya  hambat  secara keseluruhan.

2. Gaya  Angkat  (Lift force)  Aerodinamik

 Perbedaan  bentuk antara  permukaan  atas  dan  bagian bawah  mobil menyebabkan aliran  udara  pada  permukaan  atas lebih  cepat  daripada  aliran udara  pada permukaan bawah,  sehingga  tekanan  pada permukaan  atas  mobil  lebih  rendah  daripada tekanan  permukaan bawah.

 Faktor lain  adalah  kekasaran  bagian  permukaan  bawah  mobil yang  disebabkan oleh  profil  mesin  dan  komponen  lain  yang  memperlambat  aliran  dibawah  sehingga memperbesar  tekanan  aliran  permukaan  bawah. Karena  itu  tekanan  yang  bekerja  pada bagian bawah  mobil secara  umum  lebih  besar  dari  tekanan  yang  bekerja pada bigian atas  mobil sehingga menimbulkan  terbentuknya  gaya  angkat  (lift force) karena  adanya  desakan aliran  udara dari  permukaan bawah  ke permukaan atas mobil.

 Gaya  ini  bekerja dalam  arah vertikal  dan  biasanya  arah ke atas ditandai  sebagai arah  positif  dan  ke  bawah sebagai  arah negatif.

 3. Gaya  Samping (Side force)

 Jika ada  gerakan  angin yang tidak sejajar  dengan  arah  gerak  mobil sehingga  membentuk sudut tertentu terhadap  lintasan  mobil, maka akan terjadi gaya samping. Gaya  samping  bekerja  dalam  arah  horisontal  dan  transversal  sehingga  bersifat mendorong  mobil ke  samping.  Gaya  samping  juga  terjadi  pada kondisi mobil berbelok.  Bodi mobil yang semakin aerodinamis akan mengeliminir terjadinya gaya samping, sehingga stabilitas mobil lebih terkendali dengan baik.

 B.  Bentuk Bodi Mobil

 1.    Bagian  depan  mobil merupakan bagian bodi mobil yang sangat menentukan besarnya gaya hambat (drag force). Bagian  depan  mobilterdiri dari  spoiler atau bemper, kap mesin, windscreen dan kaca depan.  Komponen ini berhadapan langsung dengan aliran udara. Semakin cepat jalannya mobil, hambatan udara yang ditimbulkannya akan semakin besar. Aspek aerodinamika pada bagian hidung atau moncong mobil sangat dipertimbangkan setelah kebutuhan udara untuk pendinginan mesin yaitu khususnya radiator dan udara untuk mendinginkan rem depan terpenuhi. Secara umum bagian  depan  mobil termasuk kaca depan dibuat landai pada bagian atas dan samping serta bagian bawah sedekat mungkin dengan jalan, sehingga udara semaksimal mungkin melewati bagian depan atas dan seminimal mungkin yang melewati bawah bodi mobil sehingga gaya angkat mobil yang timbul semakin rendah.

 2.  Bagian  atap mobil. Bagian  atap mobil  dapat diperbaiki  dengan mendesain  atap  berbentuk  konvex  agar memudahkan  aliran  udara  mengalir  ke belakang.  Jika  konveksitas  diperbesar,  Coeffisien of Drag (C_D) dapat  diperkecil.  Jika  bentuk konvex  didesain sehingga menyebabkan  pertambahan  luas  frontal  area maka aerodinamik  drag  juga  meningkat.  Jika  tinggi  atap  asli  dibiarkan  konstan  maka  kaca depan  dan belakang  harus  dibuat  melengkung sehingga  efek konveksitas dapat  tercapai.

 3.Bagian belakang  mobil. Stabilitas mobil juga sangat ditentukan oleh gaya yang terjadi pada  bagian  belakang  mobil, oleh karena itu maka pada bagian belakang mobil dibuat lebih lancip dan pada mobil balap selain dipasang spoiler juga dipasang sayap (wing), sehingga semaikn cepat mobil gaya angkat yang timbul dan pusaran atau turbulensi (vortek) dapat dieliminir.

 4.Bagian  samping  mobil. Reduksi drag pada  bagian  samping mobil  dapat dilakukan  dengan mendesain  kelengkungan  bagian  samping  (convexity).

 5.Bagian bawah  mobil. Kekasaran  bagian bawah  mobil  juga  akan  meningkatkan nilai drag pada mobil.  Reduksi drag  dapat  dilakukan dengan  cara  memperhalus  bagian  bawah mobil. Selain itu jarak yang semakin pendek antara bodi bagian bawah dengan permukaan jalan akan menghasilkan gaya angkat mobil yang semakin kecil.

 6.Komponen  bodi. Komponen  bodi seperti jendela,  atap,  dan  lampu  depan  mobil  mempunyai pengaruh penting  terhadap  besarnya  koefisien  hambat  aerodrnamik  (C_D). Dengan jendela mobil yang terbuka, atap mobil yang terbuka dan lampu depan yang juga terbuka akan meningkatkan gaya hambat atau Coeffisien of Drag (C_D) meningkat.

 C.  Simpulan

 Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan bahwa semakin cepat jalannya mobil  maka gaya-gaya aerodinamika terhadap mobil semakin besar, yaitu : gaya hambat (drag force)  aerodinamik  [F_D], gaya angkat (lift force)  aerodinamik  [F_L] dan gaya samping  (side force)  aerodinamik  [F_S]. Oleh karena itu maka mobil yang berkecepatan tinggi diatas 80 km/jam, terutama mobil balap yang mencapai kecepatan sekitar 300 km/jam, penerapan ilmu aerodinamika untuk mobil mutlak diperlukan sehingga kecepatan mobil optimal, pemakaian bahan bakar efisien dan stabilitas jalannya mobil terkendali secara aman dengan baik.

 Referensi :

 1.    Nyoman Sutantra & Bambang Sampurno, Teknologi Otomotif, Penerbit Guna Widya, Surabaya, 2010.

 2.    Wolf-Heinrich Hucho, Aerodynamik des Automobils, Vogel-Verlag, Würzburg, Germany, 1981.