Mechanical Engineering: Energy Conversion

Pengertian Dasar Konversi Energi

Energy Conversion (Konversi Energi) merupakan salah satu disiplin ilmu dari bidang studi Teknik Mesin.

Konversi Energi dalam pengetahuan teknologi dan fisika dapat diartikan sebagai perubahan dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan (hukum kekekalan energi), tetapi dapat dikonversikan dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Seperti pada kendaraan bermotor, energi diubah dari energi yang berupa bahan bakar yang melalui proses pembakaran kemudian diubah menjadi energi mekanis/ gerak, sehingga motor dapat berjalan. Perubahan bentuk energi inilah yang disebut konversi. Sedangkan perpindahan energi disebabkan adanya perpindahan panas. Energi juga dapat dipindahkan dari suatu sistem ke sistem yang lain melalui gaya yang mengakibatkan pergeseran posisi benda. Untuk itulah energi dimanfaatkan untuk kebutuhan manusia melalui proses konversi dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya.

Ruang Lingkup Konversi Energi

1. Dasar Ilmu Konversi Energi

a. Besaran dan Satuan

b. Termodinamika Teknik

c. Kinematika dan Dimanika

d. Mekanika Fluida

e. Ilmu Perpindahan Panas

2. Klasifikasi Energi, Jenis Energi dan Bentuk Energi

3. Konversi Energi yang meliputi

a. Energi Mekanik

b. Energi Thermal

c. Energi Listrik

d. Energi Kimia

e. Energi Nuklir

f. Energi Elektromagnetik

Sistem Konversi Energi dalam Suatu Sistem Besaran dan Satuan
Energi dalam suatu sistem tertentu dapat diubah menjadi usaha, artinya kalau energi itu dimasukkan ke dalam sistem dan dapat mengembang untuk menghasilkan usaha. Sebagai contoh sistem konversi energi, apabila bahan bakar bensin (premium) yang dimasukkan ke dalam silinder mesin konversi energi jenis motor pembakaran dalam, misalnya sepeda motor. Energi (C8H18/iso-oktan atau nilai kalor) yang tersimpan sebagai ikatan atom dalam molekul bensin/premium dilepas pada waktu terjadi pembakaran dalam silinder, hasil pembakaran ini ditransfer menjadi energi panas/kalor. Energi
panas yang dihasilkan ini akan mendorong torak/piston yang ada dalam silinder, akibatnya torak/piston akan bergerak. Bergeraknya torak/piston terjadi transformasi energi, yaitu dari energi panas menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ditransfer menjadi energi mekanik yang menghasilkan usaha (kerja). Kerja yang merupakan hasil kemampuan dari sistem yang berguna bagi kepentingan manusia, yaitu dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain yang jauh jaraknya.

Macam-macam Energi
a. Energi Mekanik
    Energi yang tersimpan dalam energi kinetik atau energi potensial dan dapat ditransisi atau transfer untuk menghasilkan usaha/kerja.
b. Energi Listrik
    Energi yang berkaitan dengan akumulasi arus elektron dan bentuk transisi atau transfernya adalah aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatis dan merupakan energi yang berkaitan dengan medan listrik akibat terakumulasinya muatan elektron pada pelat-pelat kapasitor. Energi medan listrik ekivalen dengan energi medan elektromagnetis yang sama dengan energi yang berkaitan dengan medan magnet yang timbul akibat aliran elektron melalui kumparan induksi.
c. Energi Kimia
   Energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron di mana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis yang dinyatakan dalam kJ, BTU, atau kkal. Bila dalam reaksi kimia energinya terserap maka disebut dengan reaksi endotermis. Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.
d. Energi Nuklir
   Energi nuklir adalah energi dalam bentuk energi tersimpan yang dapat dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Satuan yang digunakan adalah juta-an elektron reaksi. Reaksi nuklir dapat terjadi pada peluluhan radioaktif, fisi, dan fusi.
e. Energi Termal (Panas)
    Merupakan bentuk energi dasar di mana dalam kata lain adalah semua energi yang dapat dikonversikan secara penuh menjadi energi panas. Sebaliknya, pengonversian dari energi termal ke energi lain dibatasi oleh hukum Thermodinamika II. Bentuk energi transisi dan energi termal
adalah energi panas (kalor), dapat pula dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor laten atau kalor sensibel yang berupa entalpi.

Sumber-Sumber Energi
a. Pendahuluan
Sumber energi merupakan tempat muncul atau timbulnya energi yang dapat dimanfaatkan untuk kehidupan manusia dipermukaan bumi. Sumber energi dapat dibedakan sebagai berikut:

1. Berasal dari bumi (terresterial),
2. Berasal dari luar bumi (extra terresterial),
3. Berdasarkan sifatnya.

Sumber energi dari bumi dapat dikategorikan jenis renewable atau non-depleted dan non-renewable atau depleted energy. Sumber energi yang renewable atau dapat didaur ulang, misalnya kayu, biomassa, biogas. Sumber energi dari luar bumi bersifat tidak habis atau non-depleted energy resource, misalnya energi surya dan energi sinar kosmis. Sedangkan energi yang sifatnya tidak bisa diperbaharui atau dapat habis (non-renewable atau depleted energy) adalah minyak bumi (mineral), baru bara, dan gas alam.

Konversi energi adalah perubahan bentuk energi dari yang satu menjadi bentuk energi lain.Hukum konservasi energi mengatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan (dibuat) ataupun di musnahkan akan tetapi dapat berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk lainnya.

Kategori Konversi Energi

1) Energi panas bumi (Geothermal Energy)

Adalah energi yang diekstraksi dari panas yang tersimpan di dalam bumi. Energi panas bumi ini berasal dari aktivitas tektonik di dalam bumi yang terjadi sejak planet ini diciptakan. Panas ini juga berasal dari panas matahari yang diserap oleh permukaan bumi. Energi ini telah dipergunakan untuk memanaskan (ruangan ketika musim dingin atau air) sejak peradaban Romawi, namun sekarang lebih populer untuk menghasilkan energi listrik. Sekitar 10 Giga Watt pembangkit listrik tenaga panas bumi telah dipasang di seluruh dunia pada tahun 2007, dan menyumbang sekitar 0.3% total energi listrik dunia.
Energi panas bumi cukup ekonomis dan ramah lingkungan, namun terbatas hanya pada dekat area perbatasan lapisan tektonik.

2) Konversi energi termal lautan

Konversi energi termal lautan (ocean thermal energy conversion OTEC) adalah metode untuk menghasilkan energi listrik menggunakan perbedaan temperatur yang berada di antara laut dalam dan perairan dekat permukaan untuk menjalankan mesin kalor. Seperti pada umumnya mesin kalor, efisiensi dan energi terbesar dihasilkan oleh perbedaan temperatur yang paling besar. Perbedaan temperatur antara laut dalam dan perairan permukaan umumnya semakin besar jika semakin dekat ke ekuator. Pada awalnya, tantangan perancangan OTEC adalah untuk menghasilkan energi yang sebesar-besarnya secara efisien dengan perbedaan temperatur yang sekecil-kecilnya.
Permukaan laut dipanaskan secara terus menerus dengan bantuan sinar matahari, dan lautan menutupi hampir 70% area permukaan bumi. Perbedaan temperatur ini menyimpan banyak energi matahari yang berpotensial bagi umat manusia untuk dipergunakan. Jika hal ini bisa dilakukan dengan cost effective dan dalam skala yang besar, OTEC mampu menyediakan sumber energi terbaharukan yang diperlukan untuk menutupi berbagai masalah energi.
Konsep mesin kalor adalah umum pada termodinamika, dan banyak energi yang berada di sekitar manusia dihasilkan oleh konsep ini. Mesin kalor adalah alat termodinamika yang diletakkan di antara reservoir temperatur tinggi dan reservoir temperatur rendah. Ketika kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, alat tersebut mengubah sebagian kalor menjadi kerja. Prinsip ini digunakan pada mesin uap dan mesin pembakaran dalam, sedangkan pada alat pendingin, konsep tersebut dibalik. Dibandingkan dengan menggunakan energi hasil pembakaran bahan bakar, energi yang dihasilkan OTEC didapat dengan memanfaatkan perbedaan temperatur lautan disebabkan oleh pemanasan oleh matahari.
Siklus kalor yang sesuai dengan OTEC adalah siklus Rankine, menggunakan turbin bertekanan rendah. Sistem dapat berupa siklus tertutup ataupun terbuka. Siklus tertutup menggunakan cairan khusus yang umumnya bekerja sebagai refrigeran, misalnya ammonia. Siklus terbuka menggunakan air yang dipanaskan sebagai cairan yang bekerja di dalam siklusnya.
Beberapa pakar energi berpendapat bahwa OTEC akan menjadi teknologi penghasil listrik yang sangat kompetitif di masa depan. OTEC dapat memproduksi listrik hingga skala gigawatt, dan dengan penggabungan dengan sistem elektrolisis, akan menghasilkan hidrogen cukup untuk menggantikan konsumsi bahan bakar fosil dunia. Tetapi, mengatur biaya adalah yang tersulit. Seluruh fasilitas OTEC membutuhkan peralatan khusus dan pipa panjang berdiameter besar yang ditenggelamkan hingga beberapa kilometer jauhnya dari permukaan untuk mendapatkan air dingin. Dan itu membutuhkan banyak biaya.

Prinsip Kerja

Berdasarkan lokasi

Daratan
Mengapung
Perairan dangkal

Berdasarkan sistem siklus yang digunakan

Siklus terbuka
Siklus tertutup
Siklus hybrid

Air laut yang dingin merupakan bagian utama dari tiga tipe siklus tersebut. Untuk mengoperasikannya, air laut yang dingin harus dipompa ke permukaan. Cara lainnya adalah dengan desalinasi air laut dekat dasar laut yang akan menyebabkan air laut itu mengalir ke atas karena perbedaan densitas.

Siklus tertutup

Diagram siklus tertutup OTEC Siklus tertutup menggunakan fluida dengan titik didih rendah, misalnya amonia, untuk memutar turbin dan menghasilkan listrik. Air hangat di permukaan dipompa ke penukar panas di mana fluida bertitik didih rendah dididihkan. Fluida yang mengalami perubahan wujud menjadi uap akan mengalami peningkatan tekanan. Uap bertekanan tinggi ini lalu dialirkan ke turbin untuk menghasilkan listrik. Uap tersebut lalu didinginkan kembali dengan air dingin dari laut dalam dan mengembun. Lalu fluida kembali melakukan siklusnya.

Siklus terbuka

Siklus terbuka menggunakan air laut untuk menghasilkan listrik. Air laut yang hangat dimasukkan ke dalam tangki bertekanan rendah sehingga menguap. Uap ini dugunakan untuk menggerakkan turbin. Air laut yang menguap meninggalkan mineral laut seperti garam dan lain sebagainya sehingga bermanfaat untuk menghasilkan air tawar untuk diminum dan irigasi.

Siklus hybrid

Siklus hybrid menggunakan keunggulan sistem siklus terbuka dan tertutup. Siklus hybrid menggunakan air laut yang dilekatakkan di tangki bertekanan rendah untuk dijaikan uap. Lalu uap tersebut digunakan untuk menguapkan fluida bertitik didih rendah (amonia atau yang lainnya). Uap air laut tersebut lalu dikondensasikan untuk menghasilkan air tawar desalinasi.

3) Sel bahan bakar (fuel cell)

Adalah sebuah alat elektrokimia yang mirip dengan baterai, tetapi berbeda karena dia dirancang untuk dapat diisi terus reaktannya yang terkonsumsi; yaitu dia memproduksi listrik dari penyediaan bahan bakar hidrogen dan oksigen dari luar. Hal ini berbeda dengan energi internal dari baterai. Sebagai tambahan, elektroda dalam baterai beraksi dan berganti pada saat baterai diisi atau dibuang energinya, sedangkan elektroda sel bahan bakar adalah katalitik dan relatif stabil.
Reaktan yang biasanya digunakan dalam sebuah sel bahan bakar adalah hidrogen di sisi anode dan oksigen di sisi kathoda (sebuah sel hidrogen). Biasanya, aliran reaktan mengalir masuk dan produk dari reaktan mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang dapat terus menerus dilakukan selam aliran tersebut dapat dijaga kelangsungannya.
Sel bahan bakar seringkali dianggap sangat menarik dalam aplikasi modern karena efisiensi tinggi dan penggunaan bebas-emisi, berlawanan dengan bahan bakar umum seperti methane atau gas alam yang menghasilkan karbon dioksida. Satu-satunya hasil produk dari bahan bakar yang beroperasi menggunakan hidrogen murni adalah uap air. Namun ada kekhawatiran dalam proses pembuatan hidrogen yang menggunakan banyak energi. Memproduksi hidrogen membutuhkan "carrier" hidrogen (Biasanya bahan bakar fosil, meskipun air dapat dijadikan alternatif), dan juga listrik, yang diproduksi oleh bahan bakar konvensional. Meskipun sumber energi alternatif seperti energi angin dan surya dapat juga digunakan, namun sekarang ini mereka sangat mahal.

4) Hidroelektrisitas

Hidroelektrisitas adalah satu bentuk tenaga hidro digunakan untuk memproduksi listrik. Kebanyakan tenaga hidroelektrik berasal dari energi potensial dari air yang dibendung dan menggerakkan turbin air dan generator. Bentuk yang kurang umum adalah memanfaatkan energi kinetik seperti tenaga ombak. Hidroelektrisitas adalah sumber energi terbaharui.

Di banyak bagian Kanada (provinsi British Columbia, Manitoba, Ontario, Quebec, dan Newfoundland and Labrador) hidroelektrisitas digunakan secara luas. Pusat tenaga yang dijalani oleh provinsi-provinsi ini disebut BC Hydro, [Manitoba Hydro], Hydro One (dulunya "Ontario Hydro"), Hydro-Québec, dan Newfoundland and Labrador Hydro. Hydro-Québec merupakan perusahaan penghasil listrik hydro terbesar dunia, dengan total listrik terpasang sebesar 31.512 MW (2005).

5) Energi angin

Karena matahari memanaskan permukaan bumi secara tidak merata, maka terbentuklah angin. Energi Kinetik dari angin dapat Digunakan untuk Menjalankan Turbin angin. Beberapa mampu memproduksi tenaga 5 MW. Keluaran tenaga Kubus adalah fungsi dari kecepatan angin, maka Turbin tersebut paling tidak membutuhkan angin dalam kisaran 5,5 m/d (20 km/j), dan dalam praktek sangat sedikit wilayah yang memiliki angin yang bertiup terus menerus. Namun begitu di daerah Pesisir atau daerah di ketinggian, angin yang cukup Tersedia KONSTAN.
Pada 2005 telah ada ribuan Turbin angin yang beroperasi di Beberapa bagian dunia, dengan perusahaan "utility" memiliki kapasitas total lebih dari 47.317MW. Merupakan kapasitas output maksimum yang memungkinkan dan tidak menghitung "load factor".
Ladang angin baru dan taman angin lepas pantai telah direncanakan dan dibuat di seluruh dunia. Ini merupakan cara Penyediaan listrik yang tumbuh dengan cepat di abad ke-21 dan menyediakan tambahan bagi stasiun pembangkit listrik utama. Kebanyakan yang Digunakan Turbin menghasilkan listrik sekitar 25% dari waktu (load factor 25%), tetapi beberapa Mencapai 35%. Load factor biasanya lebih tinggi pada musim dingin. Ini berarti bahwa 5 mW Turbin dapat memiliki output rata-rata 1,7 MW dalam kasus terbaik.
Angin global jangka panjang potensi teknis diyakini 5 kali konsumsi energi global saat ini atau 40 kali kebutuhan listrik saat ini. Ini membutuhkan 12,7% dari seluruh wilayah tanah, atau lahan yang luas dengan Kelas 3 atau potensi yang lebih besar pada ketinggian 80 meter. Ini mengasumsikan bahwa tanah ditutupi dengan 6 turbin angin besar per kilometer persegi. Pengalaman sumber daya lepas pantai berarti kecepatan angin ~ 90% lebih besar daripada tanah, sehingga sumber daya lepas pantai dapat berkontribusi secara substansial lebih banyak energi. Angka ini dapat juga meningkat dengan ketinggian lebih tinggi berbasis tanah atau turbin angin udara.
Ada perlawanan terhadap pembentukan tanah karena angin berbasis awalnya dengan persepsi mereka berisik dan berkontribusi untuk "polusi visual," yaitu, mereka dianggap eyesores. Banyak orang juga mengklaim bahwa turbin membunuh burung, dan bahwa mereka pada umumnya berbuat banyak untuk lingkungan.
Yang lain berpendapat bahwa mereka yang menemukan turbin itu, bagus. Bahwa turbin di laut yang tak terlihat oleh siapapun di pantai, yang mana mobil-mobillah yang setiap tahun membunuh lebih banyak burung sementara turbin terus berkembang.
Angin kekuatan berbeda-beda dan dengan demikian tidak dapat menjamin power secara berkelanjutan. Beberapa perkiraan menyarankan thpada angin 1.000 MW dari kapasitas pembangkitan dapat diandalkan hanya kekuatan 333MW yang berkesinambungan. Sementara ini mungkin berubah sejalan dengan perkembangan teknologi, advokat telah mengusulkan menggabungkan tenaga angin dengan sumber daya lain, atau penggunaan teknik penyimpanan energi, dengan ini dalam pikiran. Hal ini paling baik digunakan dalam konteks suatu sistem yang memiliki kapasitas cadangan signifikan seperti hidro, atau cadangan beban, seperti tanaman Desalination, untuk mengurangi dampak ekonomi dari variabilitas sumber daya.
Energi angin dapat diperbaharui.

6) Tenaga Udara

Udara Energi dapat Digunakan dalam bentuk gerak atau Perbedaan suhu. Udara Karena ribuan kali lebih berat dari udara, maka aliran udara yang pelan pun dapat menghasilkan sejumlah energi yang besar.
Ada banyak bentuk:

Hydroelectric energi, sebuah istilah yang biasanya disediakan untuk bendungan hidroelektrik.
Tidal daya, yang menangkap energi dari pasang-surut dalam arah horisontal. Pasang datang, meningkatkan waterlevels dalam baskom, dan pasang roll out. Air harus melalui sebuah turbin untuk keluar dari baskom.
Tidal stream kekuasaan, yang melakukan hal yang sama secara vertikal, menangkap aliran air seperti yang bergerak di seluruh dunia oleh pasang surut.
Gelombang daya, yang menggunakan energi dalam gelombang. Ombak besar biasanya akan memindahkan ponton s atas dan ke bawah.
Samudera konversi energi termal (OTEC), yang menggunakan perbedaan suhu antara permukaan yang lebih hangat dan laut yang sejuk (atau dingin) ceruk lebih rendah. Untuk tujuan ini, ia mempekerjakan seorang siklus mesin kalor.
Deep pendingin air danau, bukan secara teknis metode generasi energi, meskipun dapat menyimpan banyak energi di musim panas. Terendam menggunakan pipa sebagai heat sink untuk sistem kontrol iklim. Danau-bottom air sepanjang tahun konstan lokal sekitar 4 ° C.

Listrik tenaga air mungkin bukan pilihan utama untuk masa depan produksi energi di negara maju karena sebagian besar situs utama di negara ini dengan potensi pemanfaatan gravitasi dengan cara ini mungkin telah dieksploitasi atau tidak tersedia karena alasan lain seperti pertimbangan lingkungan. Membangun bendungan banjir sering melibatkan daerah yang luas lahan, perubahan habitat, dan sementara energi pembangkit tenaga listrik pada dasarnya tidak menghasilkan karbon dioksida, laporan baru-baru ini telah dikaitkan PLTA ke metana, yang membentuk membusuk terendam dari tanaman yang tumbuh di bagian-bagian kering dasar pada masa kekeringan. Metana adalah gas rumah kaca yang potensial.
Metode lain generasi energi (dan pendinginan) telah memiliki berbagai tingkat keberhasilan di lapangan. Gelombang dan badai keras untuk membuktikan kekuatan tekan, sementara OTEC belum diuji di lapangan skala besar.
Sebagian besar masyarakat umum menganggap energi tenaga air menjadi terbarukan.

7) Biomassa

Tumbuhan biasanya menggunakan fotosintesis untuk menyimpan tenaga surya, udara, dan CO₂. Bahan bakar bio adalah bahan bakar yang diperoleh dari biomassa - Organisme atau produk dari metabolisme mereka, seperti tai dari sapi. Dia Merupakan energi terbaharui. Biasanya bahan bakar bio dibakar untuk energi kimia Melepas Yang Tersimpan di dalamnya. Riset untuk mengubah bahan bakar bio menjadi listrik Menggunakan sel bahan bakar adalah bidang penelitian yang sangat aktif. Biomassa dapat Digunakan langsung sebagai bahan bakar atau untuk memproduksi bahan bakar bio cair. Biomass yang diproduksi dengan teknik pertanian, seperti biodiesel, etanol, dan bagasse (seringkali sebuah produk sampingan dari pengkultivasian Tebu) dapat dibakar dalam mesin Pembakaran dalam atau pendidih. Sebuah hambatan adalah seluruh biomass harus melalui proses Beberapa berikut: harus dikembangkan, dikumpulkan, dikeringkan, difermentasi dan dibakar. Seluruh langkah ini membutuhkan banyak sumber daya dan infrastruktur.

8) Biogas

Gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbon dioksida.
Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan maupun untuk menghasilkan listrik.
Komposisi biogas bervariasi tergantung dengan asal proses anaerobik yang terjadi. Gas landfill memiliki konsentrasi metana sekitar 50%, sedangkan sistem pengolahan limbah maju dapat menghasilkan biogas dengan 55-75%CH₄.

Komposisi biogas

Komponen	%
Metana (CH₄)	55-75
Karbon dioksida (CO₂)	25-45
Nitrogen (N₂)	0-0.3
Hidrogen (H₂)	1-5
Hidrogen sulfida (H₂S)	0-3
Oksigen (O₂)	0.1-0.5

Kandungan Energi

Nilai kalori dari 1 meter kubik Biogas sekitar 6.000 watt jam yang setara dengan setengah liter minyak diesel. Oleh karena itu Biogas sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan pengganti minyak tanah, LPG, butana, batu bara, maupun bahan-bahan lain yang berasal dari fosil.

9) Siloksan dan gas engines (mesin berbahan bakar gas)

Dalam beberapa kasus, gas landfill mengandung siloksan. Selama proses pembakaran, silikon yang terkandung dalam siloksan tersebut akan dilepaskan dan dapat bereaksi dengan oksigen bebas atau elemen-elemen lain yang terkandung dalam gas tersebut. Akibatnya akan terbentuk deposit (endapan) yang umumnya mengandung silika (

S i O 2

) atau silikat (

S i x O y

) , tetapi deposit tersebut dapat juga mengandung kalsium, sulfur belerang, zinc (seng), atau fosfor. Deposit-deposit ini (umumnya berwarna putih) dapat menebal hingga beberapa millimeter di dalam mesin serta sangat sulit dihilangkan baik secara kimiawi maupun secara mekanik.
Pada internal combustion engines (mesin dengan pembakaran internal), deposit pada piston dan kepala silinder bersifat sangat abrasif, hingga jumlah yang sedikit saja sudah cukup untuk merusak mesin hingga perlu perawatan total pada operasi 5.000 jam atau kurang. Kerusakan yang terjadi serupa dengan yang diakibatkan karbon yang timbul selama mesin diesel bekerja ringan. Deposit pada turbin dari turbocharger akan menurukan efisiensi charger tersebut.
Stirling engine lebih tahan terhadap siloksan, walaupun deposit pada tabungnya dapat mengurangi efisiensi^.

10) Mesin Konversi Energi

Mesin Kalor

Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik.
Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Pengetahuan dan Ilmu yang dipelajari dalam Bidang Keahlian Konversi Energi

1.Mekanika Fluida

Efek Bernoulli dalam mekanika fluida

Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.
Sebuah Fluida Newtonian didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk.
Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.

Persamaan pada fluida Newtonian

Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian adalah:

$\tau=\mu\frac{dv}{dx}$

di mana

τ

adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida

μ

adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas

$\frac{dv}{dx}$ adalah gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran

Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah

$\tau_{ij}=\mu\left(\frac{\partial v_i}{\partial x_j}+\frac{\partial v_j}{\partial x_i} \right)$

di mana

τ i j

adalah tegangan geser pada bidang

i t h

dengan arah

j t h

v i

adalah kecepatan pada arah

i t h

x j

adalah koordinat berarah

j t h

Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.

Asumsi Dasar

Seperti halnya model matematika pada umumnya, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar berkaitan dengan studi yang dilakukan. Asumsi-asumsi ini kemudian diterjemahkan ke dalam persamaan-persamaan matematis yang harus dipenuhi bila asumsi-asumsi yang telah dibuat berlaku.
Mekanika fluida mengasumsikan bahwa semua fluida mengikuti:

Hukum kekekalan massa
Hukum kekekalan momentum
Hipotesis kontinum, yang dijelaskan di bagian selanjutnya.

Kadang, akan lebih bermanfaat (dan realistis) bila diasumsikan suatu fluida bersifat inkompresibel. Maksudnya adalah densitas dari fluida tidak berubah ketika diberi tekanan. Cairan kadang-kadang dapat dimodelkan sebagai fluida inkompresibel sementara semua gas tidak bisa.
Selain itu, kadang-kadang viskositas dari suatu fluida dapat diasumsikan bernilai nol (fluida tidak viskos). Terkadang gas juga dapat diasumsikan bersifat tidak viskos. Jika suatu fluida bersifat viskos dan alirannya ditampung dalam suatu cara (seperti dalam pipa), maka aliran pada batas sistemnya mempunyai kecepatan nol. Untuk fluida yang viskos, jika batas sistemnya tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dengan batas sistem akan memberikan resultan kecepatan nol pada batas fluida.

Hipotesis kontinum

Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun demikian, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) pada orde geometris jarak antara molekul-molekul yang berlawanan di fluida. Properti tiap titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini, kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.
Hipotesis kontinum pada dasarnya hanyalah pendekatan. Sebagai akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat memberikan hasil dengan tingkat akurasi yang tidak diinginkan. Namun demikian, bila kondisi benar, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat.
Masalah akurasi ini biasa dipecahkan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan perlu menggunakan dinamika fluida konvensial atau mekanika statistik, angka Knudsen permasalahan harus dievaluasi. Angka Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari rata-rata panjang jalur bebas molekular terhadap suatu skala panjang fisik representatif tertentu. Skala panjang ini dapat berupa radius suatu benda dalam suatu fluida. Secara sederhana, angka Knudsen adalah berapa kali panjang diameter suatu partikel akan bergerak sebelum menabrak partikel lain.

Persamaan Navier-Stokes

Persamaan Navier-Stokes (dinamakan dari Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan pergerakan dari suatu fluida seperti cairan dan gas. Persamaan-persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum (percepatan) partikel-partikel fluida bergantung hanya kepada gaya viskos internal (mirip dengan gaya friksi) dan gaya viskos tekanan eksternal yang bekerja pada fluida. Oleh karena itu, persamaan Navier-Stokes menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada fluida.
Persamaan Navier-Stokes memiliki bentuk persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu fluida. Persaman seperti ini menggambarkan hubungan laju perubahan suatu variabel terhadap variabel lain. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol akan menghasilkan hubungan yang proposional antara percepatan (laju perubahan kecepatan) dan derivatif tekanan internal.
Untuk mendapatkan hasil dari suatu permasalahan fisika menggunakan persamaan Navier-Stokes, perlu digunakan ilmu kalkulus. Secara praktis, hanya kasus-kasus aliran sederhana yang dapat dipecahkan dengan cara ini. Kasus-kasus ini biasanya melibatkan aliran non-turbulen dan tunak (aliran yang tidak berubah terhadap waktu) yang memiliki nilai bilangan Reynold kecil.
Untuk kasus-kasus yang kompleks, seperti sistem udara global seperti El Niño atau daya angkat udara pada sayap, penyelesaian persamaan Navier-Stokes hingga saat ini hanya mampu diperoleh dengan bantuan komputer. Kasus-kasus mekanika fluida yang membutuhkan penyelesaian berbantuan komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu mekanika fluida komputasional

Bentuk umum persamaan

Bentuk umum persamaan Navier-Stokes untuk kekekalan momentum adalah :

$\rho\frac{D\mathbf{v}}{D t} = \nabla \cdot\mathbb{P} + \rho\mathbf{f}$

di mana

$ρ$ adalah densitas fluida,

$\frac{D}{D t}$ adalah derivatif substantif (dikenal juga dengan istilah derivatif dari material)

$\mathbf{v}$ adalah vektor kecepatan,
$f$ adalah vektor gaya benda, dan
$\mathbb{P}$ adalah tensor yang menyatakan gaya-gaya permukaan yang bekerja pada partikel fluida.

$\mathbb{P}$ adalah tensor yang simetris kecuali bila fluida tersusun dari derajat kebebasan yang berputar seperti vorteks. Secara umum, (dalam tiga dimensi) $\mathbb{P}$ memiliki bentuk persamaan:

$\mathbb{P} = \begin{pmatrix} \sigma_{xx} & \tau_{xy} & \tau_{xz} \\ \tau_{yx} & \sigma_{yy} & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} & \tau_{zy} & \sigma_{zz} \end{pmatrix}$

di mana

$σ$ adalah tegangan normal, dan
$τ$ adalah tegangan tangensial (tegangan geser).

Persamaan di atas sebenarnya merupakan sekumpulan tiga persamaan, satu persamaan untuk tiap dimensi. Dengan persamaan ini saja, masih belum memadai untuk menghasilkan hasil penyelesaian masalah. Persamaan yang dapat diselesaikan diperoleh dengan menambahkan persamaan kekekalan massa dan batas-batas kondisi ke dalam persamaan di atas.

Fluida Newtonian vs. non-Newtonian

Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk.
Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.

2. Energi Surya

Energi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi panas surya (matahari) melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Energi surya menjadi salah satu sumber pembangkit daya selain air, uap,angin, biogas, batu bara, dan minyak bumi.
Teknik pemanfaatan energi surya mulai muncul pada tahun 1839, ditemukan oleh A.C. Becquerel. Ia menggunakan kristal silikon untuk mengkonversi radiasi matahari, namun sampai tahun 1955 metode itu belum banyak dikembangkan. Selama kurun waktu lebih dari satu abad itu, sumber energi yang banyak digunakan adalah minyak bumi dan batu bara.
Upaya pengembangan kembali cara memanfaatkan energi surya baru muncul lagi pada tahun 1958. Sel silikon yang dipergunakan untuk mengubah energi surya menjadi sumber daya mulai diperhitungkan sebagai metode baru, karena dapat digunakan sebagai sumber daya bagi satelit angkasa luar

Penerapan energi surya

Energi surya telah banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa di antara aplikasi tersebut antara lain :

Pencahayaan bertenaga surya
Pemanasan bertenaga surya, untuk memanaskan air, memanaskan dan mendinginkan ruangan,
Desalinisasi dan desinfektisasi
Untuk memasak, dengan menggunakan kompor tenaga surya

4. Termodinamika Teknik

Termodinamika adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

sistem termodinamika

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik. Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

Sistem termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
- pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
- pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Keadaan termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa: “Jika dua benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka benda-benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lainnya”.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Secara matematik: Q = ΔU +W dimana, Q = kalor yang dipindahkan ΔU = perubahan energi dalam W = kerja yang dilakukan dalam satuan kalor Persamaan di atas bisa juga ditulis dalam bentuk diferensial: dQ = dU + dW

Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. “Ada batas tertentu dari jumlah energi mekanik, yang diperoleh dari sejumlah energi panas”. Hukum termodinamika ini telah dinyatakan oleh Claussius dalam bentuk yang sedikit berbeda: “adalah tidak mungkin bagi mesin yang bekerja sendiri bekerja dalam proses siklik, untuk mentransfer panas dari benda dengan temperatur lebih rendah ke benda dengan temperatur yang lebih tinggi, tanpa adanya bantuan pihak luar”. Atau dengan kata lain, panas tidak bisa mengalir dengan sendirinya dari benda dingin ke benda panas tanpa bantuan pihak eksternal. Hukum ini juga dinyatakan oleh Kelvin-Planck sebagai: “adalah tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam proses siklik yang tujuan tunggalnya untuk mengkonversi energi panas ke energi kerja”. Dengan kata lain, tidak ada mesin panas sebenarnya, bekerja dalam proses siklik, bisa merubah energi panas yang diberikan menjadi kerja mekanik. Artinya terjadi penurunan energi dalam proses menghasilkan kerja mekanik dari panas. Berdasarkan pernyataan ini, hukum kedua termodinamika kadang-kadang disebut sebagai hukum degradasi energi.

Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

4. Turbomachinery

Turbomachinery in mechanical engineering, describes machines that transfer energy between a rotor and a fluid, including both turbines and compressors. While a turbine transfers energy from a fluid to a rotor, a

Mounting of a steam turbine produced by Siemens, Germany

compressor transfers energy from a rotor to a fluid. The two types of machines are governed by the same basic relationships including Newton's second Law of Motion and Euler's energy equation for compressible fluids. Centrifugal pumps are also turbomachines that transfer energy from a rotor to a fluid, usually a liquid, while turbines and compressors usually work with a gas.

Classification

In general, the two kinds of turbomachines are encountered in practice. These are open and closed turbomachines. Open machines such as propellers, windmills, and unshrouded fans act on an infinite extent of fluid, whereas, closed machines operate on a finite quantity of fluid as it passes through a housing or casing.
Turbomachines are also categorized according to the type of flow. When the flow is parallel to the axis of rotation, they are called axial flow machines, and when flow is perpendicular to the axis of rotation, they are referred to as radial (or centrifugal) flow machines. There is also a third category, called mixed flow machines, where both radial and axial flow velocity components are present.
Turbomachines may be further classified into two additional categories: those that absorb energy to increase the fluid pressure, i.e. pumps, fans, and compressors, and those that produce energy such as turbines by expanding flow to lower pressures. Of particular interest are applications which contain pumps, fans, compressors and turbines. These components are essential in almost all mechanical equipment systems, such as power and refrigeration cycles.

Classification of fluid machinery in species and groups.

machine type → group ↓	machinery	combinations of power and machinery	engines
open turbomachine	propeller		wind turbines
hydraulic fluid machinery (≈ incompressible fluids)	centrifugal pumps turbopumps and fans	Fluid couplings and clutches (hydrodynamic gearbox); Voith Turbo-Transmissions; pump-turbines (in pumped-storage hydroelectricity)	water turbines
thermal turbomachinery (compressible fluid)	compressors	gas turbines (inlet of GT consists of a compressor)	steam turbines ← turbine jet engines

Dimensionless ratios to describe turbomachinery

The following dimensionless ratios are often used for the characterisation of fluid machines. They allow a comparison of flow machines with different dimensions and boundary conditions.

A pelton wheel turbine wheel being installed into power generation equipment

Pressure range ψ
Flow number φ (including delivery or volume number called)
Performance numbers λ
Run number σ
Diameter Number δ

5. Sistem Pembakaran dan Bahan Bakar

Teknik otomotif

Teknik otomotif adalah salah satu cabang ilmu teknik mesin yang mempelajari tentang bagaimana merancang, membuat dan mengembangkan alat-alat transportasi darat yang menggunakan mesin, terutama sepeda motor, mobil, bis dan truk. Teknik otomotif menggabungkan elemen-elemen pengetahuan mekanika, listrik, elektronik, keselamatan dan lingkungan serta matematika, fisika, kimia, biologi dan manajemen.
Cabang-cabang dari teknik otomotif meliputi :

Perencanaan (product atau design)
Pengembangan (development)
Produksi (manufacturing)
Perawatan (maintenance)

Di Indonesia saat ini cabang yang sangat berkembang adalah perawatan dan umumnya mengenai perawatan mobil dan sepeda motor.

Sistem dalam otomotif

Dalam teknik otomotif, menguasai sistem-sistem yang ada alat-alat transportasi darat merupakan suatu keharusan. Sistem tersebut terdiri beberapa sistem utama dan puluhan subsistem. Sistem tersebut dapat dikelompokkan :

Mesin (engine)
- Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine).
- Sistem bahan bakar (fuel system).
  - Tangki bahan bakar.
  - Pompa bahan bakar.
  - Karburator atau Sistem injeksi bahan bakar.
- Sistem pengapian (ignition system).
- Sistem pemasukan udara dalam ruang bakar (intake system).
- Sistem pembuangan udara hasil pembakaran (exhaust system).
- Sistem pendinginan (cooling system).
- Sistem pelumasan (lubricating system).
- Sistem keseimbangan roda (spooring balancing)
Pemindah daya (power train).
- Sistem transmisi (transmission system).
- Rangkaian penggerak (drive train).
  - Transfer case (untuk penggerak 4 roda)
  - Penggerak akhir (final drive)
  - Roda (wheel)
Sistem kemudi (steering system).
Sistem suspensi (suspension system).
Sistem rem (brake system)
Bodi.
Sistem listrik (electrical system)

Sistem bahan bakar

Sistem bahan bakar dalam teknik mesin adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menyimpan bahan bakar secara aman, menyalurkan bahan bakar ke mesin dan mengkabutkan bahan bakar agar bercampur dengan udara.
Komponen utama dalam sistem bahan bakar terdiri dari:

Tangki bahan bakar.
Saluran bahan bakar.
Penyaring bahan bakar.
Pompa bahan bakar.
Karburator atau sistem injeksi bahan bakar

Mesin bensin

Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya.
Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin. Hal ini disebut EFI.

Aplikasi

Mesin bensin sering digunakan dalam :

Sepeda motor.
Mobil.
Pesawat udara
Mesin untuk pemotong rumput
Mesin untuk speedboat dan sebagainya.

Desain

Tipe-tipe mesin bensin berdasarkan siklus proses pembakaran adalah :

Mesin satu tak, setiap langkah piston terjadi proses pembakaran.
Mesin dua tak, memerlukan dua langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
Mesin empat tak, memerlukan empat langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
Mesin enam tak, memerlukan enam langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
Mesin wankel (rotary engine/wankel engine). memerlukan satu putaran penuh rotor dalam satu siklus pembakaran.

Tiga syarat utama supaya mesin bensin dapat berkerja :

Kompresi ruang bakar yang cukup.
Komposisi campuran udara dan bahan bakar yang sesuai.
Pengapian yang tepat (besar percikan busi dan waktu penyalaan/timing ignition).

Sistem

Sistem-sistem dalam mesin bensin mencakup :

Sistem bahan bakar (fuel system).
Sistem pengapian (ignition system).
Sistem pemasukan udara dalam ruang bakar (intake system).
Sistem pembuangan udara hasil pembakaran (exhaust system).
Sistem katup (valve mechanism)
Sistem pelumasan (lubricating system)
Sistem pendinginan (cooling system).
Sistem penyalaan (starting system).

6. AC & Refrigerasi

Refrigerasi adalah suatu sistem yang memungkinkan untuk mengatur suhu sampai mencapai suhu di bawah suhu lingkungan. Penggunaan refrigerasi sangat dikenal pada sistem pendingin udara pada bangunan, transportasi, dan pengawetan suatu bahan makanan dan minuman. Penggunaan refrigerasi juga dapat ditemukan pada pabrik skala besar, contohnya, proses dehidrasi gas, aplikasi pada industri petroleum seperti pemurnian minyak pelumas, reaksi suhu rendah, dan proses pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap.
Refrigasi dicapai dengan melakukan penyerapan panas pada suhu rendah secara terus menerus, yang biasanya bisa dicapai dengan menguapkan suatu cairan secara kontinu. Uap yang terbentuk dapat kembali ke bentuk asalnya kembali, cairan, biasanya dengan dua cara. yang paling umum, uap itu hanya akan ditekan lalu diembunkan (memakai fin seperti pada kulkas). Cara lain, bisa diserap dengan cairan lain yang mudah menguap yang setelah itu diuapkan pada tekanan tinggi.

7. Perpindahan Panas

8. Aerodinamika Penerbangan

Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang

Dari beberapa hal, bagusnya kinerja penerbang dalam sebuah penerbangan bergantung pada kemampuan untuk merencanakan dan berkordinasi dengan penggunaan tenaga (power) dan kendali pesawat untuk mengubah gaya dari gaya dorong (thrust), gaya tahan (drag), gaya angkat (lift) dan berat pesawat (weight). Keseimbangan dari gaya-gaya tersebutlah yang harus dikendalikan oleh penerbang. Makin baik pemahaman dari gaya-gaya dan cara mengendalikannya, makin baik pula ketrampilan seorang penerbang.

Berikut ini hal-hal yang mendefinisikan gaya-gaya tersebut dalam sebuah penerbangan yang lurus dan datar, tidak berakselerasi (stright and level, unaccelerated).

1. Thrust

Thrust adalah gaya dorong, yang dihasilkan oleh mesin (powerplant)/baling-baling. Gaya ini kebalikan dari gaya tahan (drag). Sebagai aturan umum, thrust beraksi paralel dengan sumbu longitudinal. Tapi sebenarnya hal ini tidak selalu terjadi, seperti yang akan dijelaskan kemudian.

2. Drag

Drag adalah gaya ke belakang, menarik mundur, dan disebabkan oleh gangguan aliran udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag kebalikan dari thrust, dan beraksi kebelakang paralel dengan arah angin relatif (relative wind).

3. Weight

Gaya berat adalah kombinasi berat dari muatan pesawat itu sendiri, awak pesawat, bahan bakar, dan kargo atau bagasi. Weight menarik pesawat ke bawah karena gaya gravitasi. Weight melawan lift (gaya angkat) dan beraksi secara vertikal ke bawah melalui center of gravity dari pesawat.

4. Lift

Lift (gaya angkat) melawan gaya dari weight, dan dihasilkan oleh efek dinamis dari udara yang beraksi di sayap, dan beraksi tegak lurus pada arah penerbangan melalui center of lift dari sayap.

Hubungan yang benar antara gaya-gaya dalam penerbangan

Pada penerbangan yang stabil, jumlah dari gaya yang saling berlawanan adalah sama dengan nol. Tidak akan ada ketidakseimbangan dalam penerbangan yang stabil dan lurus (Hukum ketiga Newton). Hal ini berlaku pada penerbangan yang mendatar atau mendaki atau menurun. Hal ini tidak sama dengan mengatakan seluruh keempat gaya adalah sama. Secara sederhana semua gaya yang berlawanan adalah sama besar dan membatalkan efek dari masing-masing gaya. Seringkali hubungan antara keempat gaya ini diterangkan dengan salah atau digambarkan dengan sedemikian rupa sehingga menjadi kurang jelas. Perhatikan gambar berikut sebagai contoh. Pada ilustrasi di bagian atas, nilai dari semua vektor gaya terlihat sama. Keterangan biasa pada umumnya akan mengatakan (tanpa menyatakan bahwa thrust dan drag tidak sama nilainya dengan weight dan lift) bahwa thrust sama dengan drag dan lift sama dengan weight seperti yang diperlihatkan di ilustrasi di bawah. Pada dasarnya ini adalah pernyataan yang benar yang harus benar-benar dimengerti atau akan memberi pengertian yang menyesatkan. Harus dimengerti bahwa dalam penerbangan yang lurus dan mendatar (straight and level),-tidak berakselerasi-, adalah benar gaya lift/weight yang saling berlawanan adalah sama, tapi kedua gaya itu juga lebih besar dari gaya berlawanan thrust/drag yang juga sama nilainya diantara keduanya, bukan dibandingkan dengan lift/weight. Untuk kebenarannya, harus dikatakan bahwa dalam keadaan stabil (steady):

Jumlah gaya ke atas (tidak hanya lift) sama dengan jumlah gaya ke bawah (tidak hanya weight)
Jumlah gaya dorong (tidak hanya thrust) sama dengan jumlah gaya ke belakang (tidak hanya drag)

Perbaikan dari rumus lama yang mengatakan “thrust sama dengan drag dan lift sama dengan weight” ini juga mempertimbangkan fakta bahwa dalam climb/terbang mendaki, sebagian gaya thrust juga diarahkan ke atas, beraksi seperti gaya lift, dan sebagian gaya weight, karena arahnya yang ke belakang juga beraksi sebagai drag. Pada waktu melayang turun (glide) sebagian vektor gaya weight diarahkan ke depan, beraksi seperti gaya thrust. Dengan kata lain, jika kapan pun arah pesawat tidak horisontal maka lift, weight, thrust dan drag akan terbagi menjadi dua komponen.

Diskusi dari konsep sebelumnya sering diabaikan dalam teks, buku-buku atau manual aeronautika. Alasannya bukan karena tidak ada konsekwensinya, tapi karena mengabaikan diskusi ini maka ide utama dari hal gaya-gaya aerodinamika yang bekerja pada sebuah pesawat yang terbang dapat disampaikan tanpa harus mendalami teknisnya seorang ahli aerodinamika. Dalam kenyataannya mempertimbangkan hanya terbang datar/level flight, dan mendaki secara normal dan meluncur dengan mantap/steady, tetaplah benar bahwa gaya angkat sayap adalah gaya ke atas yang penting, dan berat/weight adalah gaya ke bawah yang sangat penting.

Seringnya, kesulitan yang dihadapi pada saat menerangkan gaya yang bekerja pada pesawat udara adalah masalah bahasa dan artinya. Contohnya, penerbang telah lama mempercayai bahwa pesawat mendaki karena kelebihan gaya angkat (excess lift). Hal ini tidak benar jika seseorang hanya memikirkan hubungannya dengan sayap saja. Tapi bagaimanapun hal ini benar, jika gaya angkat adalah penjumlahan total dari semua “gaya ke atas”. Tetapi ketika merujuk ke “gaya angkat dari thrust” definisi yang sebelumnya telah dibuat untuk gaya-gaya ini tidak berlaku lagi dan membuat lebih sulit. Hal yang tidak tepat dalam bahasa ini telah menjadi alasan untuk menggunakannya sebagai argumen, terutama dalam sektor akademik, bukannya untuk membuatnya lebih mudah sebagai penjelasan pada prinsip-prinsip dasar penerbangan. Meskipun gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang telah ditetapkan, masih diperlukan sebuah diskusi yang lebih detil tentang bagaimana penerbang menggunakannya untuk memproduksi penerbangan yang terkendali.

THRUST

Sebelum pesawat mulai bergerak, thrust harus digunakan. Pesawat akan tetap bergerak dan bertambah kecepatannya sampai thrust dan drag menjadi sama besar. Untuk menjaga kecepatan yang tetap maka thrust dan drag harus tetap sama, seperti halnya lift dan weight harus sama untuk mempertahankan ketinggian yang tetap dari pesawat. Jika dalam penerbangan yang datar (level), gaya thrust dikurangi, maka pesawat akan melambat. Selama thrust lebih kecil dari drag, maka pesawat akan terus melambat sampai kecepatan pesawat (airspeed) tidak sanggup lagi menahan pesawat di udara. Sebaliknya jika tenaga mesin ditambah, thrust akan menjadi lebih besar dari drag, pesawat terus menambah kecepatannya. Ketika drag sama dengan thrust, pesawat akan terbang dengan kecepatan yang tetap. Terbang straight dan level (lurus dan datar) dapat dipertahankan mulai dari terbang dengan kecepatan rendah sampai dengan kecepatan tinggi. Penerbang harus mengatur angle of attack dan thrust dalam semua jangkauan kecepatan (speed regim) jika pesawat harus ditahan di ketinggian tertentu (level flight).

Secara kasar jangkauan kecepatan ini dapat dikelompokkan dalam 3 daerah (regim), kecepatan rendah (low-speed), menjelajah (cruising flight), dan kecepatan tinggi (high-speed). Angle of attack haruslah cukup tinggi untuk menambah gaya angkat ketika kecepatannya rendah jika keseimbangan antara gaya angkat dan gaya berat harus dipertahankan. Gambar di bawah. Jika thrust dikurangi dan kecepatan berkurang maka gaya angkat akan lebih kecil dari berat/weight dan pesawat akan mulai turun dari ketinggiannya. Untuk menjaga ketinggian penerbang dapat menambah angle of attack sebesar yang diperlukan untuk menghasilkan gaya angkat yang sama dengan berat/weight dari pesawat, dan waktu pesawat mulai terbang lebih lambat pesawat akan mempertahankan ketinggiannya jika penerbang memberikan thrust dan angle of attack yang sesuai.

Ada keadaan menarik dalam penerbangan straight & level dalam kecepatan rendah,-relatif terhadap equilibrium gaya-gaya-, dengan keadaan hidung pesawat yang lebih tinggi, ada komponen vertikal dari thrust yang membantu mendukung pesawat. Untuk satu hal, beban di sayap cenderung untuk kurang dari yang diperkirakan. Kebanyakan penerbang akan mengetahui pesawat akan stall, -jika keadaan gaya yang lain adalah sama-, pada saat kecepatannya menjadi lebih rendah biarpun dengan power on (tenaga mesin) dibandingkan dengan power off (tenaga mesin idle)(Aliran udara melalui sayap dari baling-baling juga membantu). Bagaimanapun jika analisa kita hanya dibatasi dengan 4 gaya pada definisi umum yang “biasa”, seseorang bisa mengatakan bahwa pada straight & level slow speed, thrust adalah sama dengan drag dan lift sama dengan weight.

Pada waktu straight & level flight ketika thrust ditambahkan dan kecepatan bertambah, maka angle of attack harus dikurangi. Karena itu, jika perubahan dilakukan dengan kordinasi yang benar, maka pesawat akan tetap berada di ketinggian yang sama, tapi dengan kecepatan yang lebih besar jika hubungan antara thrust dan angle of attack disesuaikan.

Jika angle of attack tidak disesuaikan (dikurangi) dengan pertambahan thrust maka pesawat akan mendaki (climb). Tapi dengan mengurangi angle of attack, lift berubah, membuatnya sama dengan weight, dan jika dikerjakan dengan benar maka pesawat akan tetap dalam level flight (tidak mengubah ketinggian). Penerbangan yang datar (level flight) dengan sudut angle of attack yang sedikit negatif adalah mungkin dalam kecepatan yang sangat tinggi. Ini buktinya, bahwa level flight dapat dilakukan dengan berapa pun angle of attack di antara sudut stall dan sudut yang relatif negatif pada kecepatan yang sangat tinggi.

DRAG

Drag atau hambatan dalam penerbangan terdiri dari dua jenis: parasite drag dan induced drag. Yang pertama disebut parasite drag karena tidak ada fungsinya sama sekali untuk membantu pesawat untuk dapat terbang, sedangkan yang kedua disebut induced karena dihasilkan atau terbuat dari hasil kerja sayap yang membuat gaya angkat (lift).

Parasite drag sendiri terdiri dari dua komponen

form drag, yang terjadi karena gangguan pada aliran udara melalui badan pesawat, dan
skin friction, hambatan dari gesekan dengan kulit pesawat.

Dari kedua jenis parasite drag, form drag adalah yang paling mudah untuk dikurangi pada waktu merancang sebuah pesawat. Secara umum, makin streamline bentuk pesawat maka akan menghasilkan bentuk yang mengurangi parasite drag.

Skin friction adalah jenis parasite drag yang paling sullit untuk dikurangi. Tidak ada permukaan yang halus secara sempurna. Bahkan permukaan yang dibuat dengan mesin pada waktu diperiksa menggunakan alat/kaca pembesar, mempunyai permukaan kasar yang tidak rata. Permukaan yang kasar ini akan membelokkan aliran streamline udara pada permukaan, menghasilkan hamatan pada aliran yang lancar. Skin friction ini bisa dikurangi dengan memakai cat/finish glossy yang rata dan mengurangi kepala rivet yang menyembul keluar, permukaan yang kasar dan tidak rata.

Ada satu lagi elemen yang harus ditambahkan pada waktu membahas tentang parasite drag waktu merancang pesawat. Parasite drag menggabungkan efek dari form drag dan skin friction. Gabungan ini disebut interference drag. Jika dua benda diletakkan bersebelahan, maka turbulensi yang terjadi bisa mencapai 50-200 persen lebih besar dibandingkan jika kedua benda tersebut ditest secara terpisah.

Tiga elemen ini, form drag, skin friction dan interference drag semua dihitung untuk menentukan parasite drag pada sebuah pesawat.

Bentuk sebuah objek adalah faktor yang penting dalam parasite drag. Juga, Indicated Airspeed (kecepatan yang ditunjukkan oleh indikator) adalah sama pentingnya ketika kita berbicara tentang parasite drag.

Drag pada sebuah objek yang berdiri pada posisi yang tetap, relatif terhadap aliran udara yang diberikan, akan bertambah secara kuadrat dari kecepatan udaranya. Menambah kecepatan dua kali akan menambah drag empat kali, menambah kecepatan tiga kali akan menambah drag sembilan kali. Hubungan ini hanya berlaku pada kecepatan subsonik, di bawah kecepatan suara. Pada kecepatan yang sangat tinggi, rasio profil drag yang biasanya bertambah sejalan dengan pertambahan kecepatan, ternyata akan bertambah dengan lebih cepat lagi.

Jenis dasar kedua dari drag adalah induced drag. Seperti kita ketahui dalam fisika bahwa tidak ada sistem mekanik yang bisa 100 persen efisien. Maksudnya, apapun bentuknya dari sebuah sistem, maka sebuah usaha akan memerlukan usaha tambahan yang akan diserap atau hilang dalam sistem tersebut. Makin efisien sebuah sistem, makin sedikit kehilangan usaha ini.

Sifat aerodinamik sayap dalam penerbangan yang datar menghasilkan gaya angkat yang dibutuhkan, tapi ini hanya bisa didapat dengan beberapa penalti yang harus dibayar, yaitu induced drag. Induced drag pasti ada ketika sayap menghasilkan gaya angkat dan faktanya jenis drag ini tidak bisa dipisahkan dari produksi gaya angkat. Konsekwensinya, drag ini selalu muncul pada saat gaya angkat dihasilkan. Sayap pesawat menghasilkan gaya angkat dengan menggunakan energi dari aliran udara bebas. Ketika menghasilkan gaya angkat, tekanan di permukaan bawah sayap lebih besar dari di permukaan atas. Hasilnya udara akan cenderung untuk mengalir dari dari daerah tekanan tinggi dari ujung sayap (wingtip) ke tengah kepada daerah tekanan rendah di atas sayap. Di sekitar ujung sayap ada kecenderungan tekanan-tekanan ini untuk menjadi seimbang, sama kuat, menghasilkan aliran lateral keluar dari bagian bawah ke bagian atas sayap. Aliran lateral ini membuat kecepatan yang berputar ke udara di ujung sayap dan mengalir ke belakang sayap. Maka aliran di sekitar ujung sayap akan berbentuk dua vortex yang mengalir (trailing) di belakang pada waktu sayap bergerak maju.

Ketika pesawat dilihat dari ekornya, votex-vortex ini akan bersirkulasi kebalikan arah jarum jam di sekitar ujung sayap kanan dan searah jarum jam di ujung sayap kiri. Harus diingat arah dari putaran vortex-vortex ini yang bisa dilihat bahwa mereka menghasilkan aliran udara ke atas setelah melewati ujung sayap, dan aliran udara ke bawah di belakang trailing edge dari sayap. Aliran udara ke bawah ini sama sekali tidak dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat. Inilah sumber induced drag. Makin besar ukuran dan kekuatan vortex-vortex ini dan pada gilirannya komponen aliran udara ke bawah dari aliran udara yang melewati sayap, makin besar efek dari induced drag. Aliran udara ke bawah di atas ujung sayap ini mempunyai efek yang sama dengan membelokkan vektor gaya angkat ke belakang; karena itu gaya angkat akan agak berbelok ke belakang sejajar dengan arah udara (relatif wind) dan menghasilkan komponen lift yang arahnya ke belakang. Inilah induced drag.

Juga harus diingat untuk membuat tekanan negatif yang lebih besar di atas sayap, ujung depan sayap dapat diangkat untuk mendapatkan angle of attack yang lebih besar. Juga jika sebuah sayap yang asimetri mempunyai angle of attack nol, maka tidak akan ada perbedaan tekanan dan tidak ada aliran udara ke bawah, maka tidak ada induced drag. Pada kasus apapun, jika angle of attack bertambah maka induced drag akan bertambah secara proporsional.

Cara lain untuk menyatakan hal ini, makin kecil kecepatan pesawat makin besar angle of attack yang dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat yang sama dengan berat pesawat dan konsekwensinya makin besar induced drag ini. Besarnya induced drag ini bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat. Dari diskusi ini, dapat diketahui parasite drag bertambah sebanding dengan kecepatan kuadrat, dan induced drag bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat. Dapat dilihat pula bahwa jika kecepatan berkurang mendekati kecepatan stall, total drag akan menjadi besar sekali karena induced drag naik secara tajam. Sama juga bila pesawat mendekati kecepatan maksimumnya, total drag akan menjadi besar karena parasite drag naik secara tajam. Seperti pada gambar berikut, pada beberapa kecepatan total drag menjadi maksimum. Hal ini sangat penting untuk mendapatkan maksimum ketahanan dan jarak tempuh pesawat udara. Pada saat drag pada besaran minimumnya, tenaga yang dibutuhkan untuk melawan drag juga minimum.

Untuk mengerti efek dari lift dan drag di sebuah pesawat udara pada sebuah penerbangan keduanya harus digabungkan dan rasio lift/drag harus diperhatikan.

Dengan data-data lift dan drag yang tersedia pada bermacam-macam kecepatan pada saat pesawat terbang datar dan tidak berakselerasi, proporsi CL (Coefficient of Lift) dan CD (Coefficient of Drag) dapat dihitung pada setiap angle of attack tertentu. Hasil plotting untuk rasio lift/drag (L/D) pada angle of attack tertentu menunjukkan bahwa L/D bertambah ke maksimum kemudian berkurang pada koefisien lift dan angle of attack yang lebih besar seperti terlihat pada gambar. Perhatikan bahwa maksimum rasio lift/drag (L/D max) terjadi pada angle of attack dan koefisien yang tertentu. Jika pesawat beroperasi pada penerbangan yang stabil pada L/D max, maka total drag adalah minimum. Angle of attack apapun yang lebih kecil atau lebih besar dari yang ada di L/D max akan mengurangi rasio lift/drag dan konsekwensinya menambah total drag dari gaya angkat yang diberikan pada pesawat.

Lokasi dari center of gravity (CG) ditentukan oleh rancangan umum pada masing-masing jenis pesawat. Perancang pesawat menentukan sejauh apa center of pressure (CP) akan bergerak. Kemudian mereka akan menentukan center of gravity di depan center of pressure (CP) untuk kecepatan penerbangan yang terkait untuk membuat momen yang cukup untuk mempertahankan equilibrium penerbangan. Konfigurasi dari pesawat juga mempunyai efek yang besar pada rasio lift/drag. Sebuah pesawat layang dengan kinerja yang tinggi mungkin mempunyai rasio lift/drag yang sangat besar. Pesawat tempur supersonik mungkin punya lift/drag yang kecil pada penerbangan subsonik tapi yang menyebabkan hal ini adalah konfigurasi pesawat yang dibutuhkan pada saat terbang supersonik (dan L/D yang besar pada saat terbang dengan Mach number yang tinggi).

WEIGHT

Gravitasi adalah gaya tarik yang menarik semua benda ke pusat bumi. Center of gravity(CG) bisa dikatakan sebagai titik di mana semua berat pesawat terpusat. Pesawat akan seimbang di keadaan/attitude apapun jika pesawat terbang ditahan tepat di titik center of gravity. Center of gravity juga adalah sesuatu yang sangat penting karena posisinya sangat berpengaruh pada kestabilan sebuah pesawat terbang. Posisi dari center of gravity ditentukan oleh rancangan umum dari setiap pesawat terbang. Perancang pesawat menentukan seberapa jauh center of pressure (CP) akan berpindah. Kemudian mereka akan menjadikan titik center of gravity di depan center of pressure untuk kecepatan tertentu dari pesawat untuk mendapatkan kemampuan yang cukup untuk mengembalikan keadaan penerbangan yang equilibrium.

Weight mempunyai hubungan yang tetap dengan lift, dan thrust bersama drag. Hubungannya sederhana, tapi penting untuk mengerti aerodinamika penerbangan. Lift adalah gaya ke atas pada sayap yang beraksi tegak lurus pada arah angin relatif (relatif wind). Lift diperlukan untuk meniadakan berat pesawat (weight, yang disebabkan oleh gaya tarik bumi yang beraksi pada massa pesawat). Gaya berat (weight) ini beraksi ke bawah melalui center of gravity pesawat. Pada penerbangan yang datar dan stabil, ketika gaya angkat sama dengan weight, maka pesawat dalam keadaan equilibrium dan tidak mendapatkan atau mkehilangan ketinggian. Jika lift berkurang dibandingkan dengan weight maka pesawat akan kehilangan ketinggian. Ketika lift lebih besar dari weight maka ketinggian pesawat akan bertambah.

LIFT

Penerbang dapat mengendalikan lift. Jika penerbang menggerakkan roda kemudi ke depan atau belakang, maka angle of attack akan berubah. Jika angle of attack bertambah maka lift akan bertambah (jika faktor lain tetap konstan). Ketika pesawat mencapai angle of attack yang maksimum, maka lift akan hilang dengan cepat. Ini yang disebut dengan stalling angle of attack atau burble point.

Sebelum melangkah lebih lanjut dengan lift dan bagaimana lift bisa dikendalikan, kita harus menyelipkan tentang kecepatan. Bentuk dari sayap tidak bisa efektif kecuali sayap terus menerus “menyerang” udara baru. Jika pesawat harus tetap melayang, maka pesawat itu harus tetap bergerak. Lift sebanding dengan kuadrat dari kecepatan pesawat. Sebagai contoh, jika sebuah pesawat bergerak pada kecepatan 200 knots mempunyai lift empat kali lipat jika pesawat tersebut terbang pada kecepatan 100 knots, dengan syarat angle of attack dan faktor lain tetap konstan.

Dalam keadaan sebenarnya, pesawat tidak dapat terus menerus bergerak secara datar di sebuah ketinggian dan menjaga angle of attack yang sama jika kecepatan ditambah. Lift akan bertambah dan pesawat akan menanjak sebagai hasil dari pertambahan gaya angkat. Untuk menjaga agar lift dan weight menjadi sama, dan menjaga pesawat dalam keadaan lurus dan datar (straight and level) dalam keadaan equilibrium maka lift harus dikurangi pada saat kecepatannya ditambah. Normalnya hal ini dilakukan dengan mengurangi angle of attack, yaitu menurunkan hidung pesawat.

Sebaliknya, pada waktu pesawat dilambatkan, kecepatan yang berkurang membutuhkan pertambahan angle of attack untuk menjaga lift yang cukup untuk menahan pesawat. Ada batasan sebanyak apa angle of attack bisa ditambah untuk menghindari stall.

Kesimpulannya, bahwa untuk setiap angle of attack ada kecepatan/indicated airspeed tertentu untuk menjaga ketinggian dalam penerbangan yang mantap/steady, tidak berakselerasi pada saat semua faktor dalam keadaan konstan. (Ingat bahwa ini hanya benar pada saat terbang dengan mempertahankan ketinggian “level flight”). Karena sebuah airfoil akan selalu stall pada angle of attack yang sama, jika berat ditambahkan maka lift harus ditambah dan satu-satunya metode untuk melakukannya adalah dengan menaikkan kecepatan jika angle of attack ditahan pada nilai tertentu tepat di bawah “critical”/stalling angle of attack.

Lift dan drag juga berubah-ubah sesuai dengan kerapatan udara (density). Kerapatan udara dipengaruhi oleh beberapa faktor: tekanan, suhu, dan kelembaban. Ingat, pada ketinggian 18000 kaki, kerapatan udara hanyalah setengah dari kerapatan udara di permukaan laut. Jadi untuk menjaga lift di ketinggian yang lebih tinggi sebuah pesawat harus terbang dengan kecepatan sebenarnya (true airspeed) yang lebih tinggi pada nilai angle of attack berapa pun.

Lebih jauh lagi, udara yang lebih hangat akan kurang kerapatannya dibandingkan dengan udara dingin, dan udara lembab akan kurang kerapatannya dibandingkan dengan udara kering. Maka pada waktu udara panas dan lembab (humid) sebuah pesawat harus terbang dengan true airspeed yang lebih besar dengan angle of attack tertentu yang diberikan dibandingkan dengan terbang pada waktu udara dingin dan kering.

Jika faktor kerapatan berkurang dan total lift harus sama dengan total weight pada penerbangan tersebut, maka salah satu faktor harus ditambahkan. Faktor yang biasanya ditambahkan adalah kecepatan atau angle of attack, karena dua hal ini dapat dikendalikan langsung oleh penerbang.

Harus disadari juga bahwa lift berubah langsung terhadap wing area/lebar sayap, asal tidak ada perubahan pada bentuk luas sayap/planform. Jika sayap memiliki proporsi yang sama dan bagian airfoil, sebuah sayap dengan luas 200 kaki persegi membuat lift dua kali pada angle of attack yang sama dibandingkan dengan sayap yang memiliki luas 100 kaki persegi.

Seperti dapat dilihat dua faktor utama dari cara pandang penerbang yang dapat dikendalikan langsung dan akurat adalah lift dan kecepatan. Tentu penerbang juga dapat mengatur kerapatan udara dengan mengubah ketinggian terbang dan dapat mengendalikan luas sayap jika pesawat memiliki flaps dengan tipe yang dapat memperluas sayap. Tapi pada situasi umumnya, penerbang hanya mengendalikan lift dan kecepatan untuk menggerakkan pesawat. Cntohnya pada penerbangan straight & level, menjelajah pada ketinggian yang tetap, ketinggian dijaga dengan mengatur lift untuk mencocokkannya dengan kecepatan pesawat atau kecepatan jelajah, ketika menjaga keadaan equilibrium sewaktu lift sama dengan weight. Pada waktu melakukan approach untuk mendarat dan penerbang ingin mendapatkan kecepatan yang selambat mungkin, maka perlu untuk menambahkan lift ke maksimum untuk menjaga lift sama dengan weight dari pesawat tersebut.

WINGTIP VORTICES (vortex-vortex di ujung sayap)

Wingtip vortices

Aksi dari airfoil yang memberi gaya angkat pada pesawat juga menyebabkan drag. Sudah kita ketahui bahwa ketika sayap diterbangkan dengan angle of attack yang positif, ada perbedaan tekanan antara permukaan sayap atas dan permukaan sayap bawah, juga bahwa tekanan di atas sayap lebih kecil dari tekanan atmosfir dan tekanan di bawah sayap lebih besar atau sama dengan tekanan atmosfir.

Karena udara selalu bergerak dari tekanan yang tinggi ke tekanan yang rendah dan arah dari tahanan yang lebih kecil ke arah ujung sayap, maka ada arah gerakan udara di bawah sayap yang arahnya keluar dari badan pesawat (fuselage) ke sekitar ujung sayap. Aliran ini menghasilkan “tumpahan” di ujung sayap dan membuat putaran udara yang disebut “vortex”. lihat gambar. Pada waktu yang sama, udara di bagian atas permukaan sayap memiliki kecenderungan untuk mengalir ke arah fuselage dan keluar dari trailing edge. Aliran udara ini juga membentuk vortex di bagian dalam trailing edge sayap, tapi karena badan pesawat membatasi aliran udara ke dalam, vortex ini kurang signifikan. Konsekwensinya, penyimpangan dari arah aliran paling besar ada di ujung sayap (wingtip) di mana ada aliran paling kuat secara lateral yang tidak tertahan. Ketika udara berputar ke atas di sekitar wingtip, aliran tersebut bergabung dengan downwash dari sayap yang membentuk trailing vorte yang berputar cepat.

Vortex-vortex ini menambah drag karena energinya dipakai untuk membuat turbulensi udara.

Hal ini dapat dilihat kemudian bahwa kapanpun sayap membuat lift maka induced drag akan terjadi dan juga vortex di wingtip.

Ketika lift bertambah dengan pertambahan angle of attack, induced drag juga bertambah. Hal ini terjadi karena angle of attack bertambah dan terjadi perbedaan tekanan yang lebih besar di antara bagian atas dan bawah sayap dan aliran udara lateral yang lebih besar. Konsekwensinya adalah, kejadian di atas menyebabkan vortex yang berbahaya ini akan terjadi, dan menghasilkan turbulensi yang lebih besar dan juga induced drag yang lebih besar.

Intensitas atau kekuatan dari vortex yang ada di wingtip adalah sebanding dengan berat pesawat dan berbanding terbalik dengan wingspan dan kecepatan pesawat. Makin berat dan makin pelan sebuah pesawat, maka makin besar angle of attacknya dan makin kuat wingtip vorticesnya. Karena itu, pesawat akan menghasilkan wingtip vortices dengan kekuatan maksimum pada waktu ada dalam fase lepas landas, climb (menanjak) dan mendarat.

GROUND EFFECT

Pesawat dapat diterbangkan dengan ketinggian sedikit di atas daratan atau air dengan kecepatan yang lebih pelan daripada yang dibutuhkan untuk menerbangkannya di ketinggian yang lebih tinggi. Ini adalah hasil dari sebuah fenomena yang diketahui oleh penerbang biarpun tidak dimengerti bahkan oleh beberapa penerbang yang berpengalaman.

Ketika sebuah pesawat yang terbang beberapa kaki tingginya dari permukaan bumi, maka sebuah perbedaan terjadi dalam bentuk 3 dimensi di sekitar pesawat karena komponen vertikal dari aliran udara di sekeliling sayap tertahan oleh permukaan tanah. Hal ini mengubah arah semburan udara dari sayap yang ke atas (upwash), ke bawah (downwash) dan vortex dari wingtip.

Ground effect mengubah aliran udara

Efek ini yang terjadi karena adanya permukaan tanah/air disebut “ground effect”. “Ground effect” terjadi karena gangguan dari permukaan tanah atau air terhadap pola aliran udara di sekitar pesawat yang terbang.

Karakter aerodinamik dari permukaan ekor dan badan pesawat (fuselage) diubah oleh ground effect, sedangkan efek yang paling prinsip karena jarak yang dekat dengan permukaan adalah perubahan karakter aerodinamik dari sayap. Ketika sayap mengalami ground effect dan dijaga pada lift coefficient tertentu, maka ada konsekwensi penurunan dari upwash, downwash dan vortex di wingtip.

Induced drag adalah hasil dari kerja sayap yang mempertahankan pesawar dan sayap mengangkat pesawat dengan cara sederhana mengalihkan aliran udara ke bawah. Benar bahwa tekanan yang berkurang pada bagian atas dari airfoil adalah esensi dari lift, tapi ada juga satu hal yang mempunyai kontribusi seluruh efek menekan massa udara ke bawah. Makin banyak downwash, maka makin kuat sayap menekan massa udara ke bawah.

Pada jumlah angle of attack yang tinggi induced drag juga tinggi dan karena hal ini berhubungan dengan kecepatan terbang yang rendah/pelan (lower) maka bisa dikatakan bahwa induced drag mendominasi di kecepatan rendah.

Bagaimanapun pengurangan vortex di ujung sayap (wingtip) karena ground effects mengubah distribusi lift sepanjang sayap dan mengurangi angle of attack dan induced drag.

Maka dari itu sayap hanya membutuhkan angle of attack yang lebih kecil dalam ground effect untuk menghasilkan koefisien gaya angkat/ lift yang sama atan jika angle of attack yang sama dipertahankan maka koefisien lift akan bertambah.

Ground effect juga akan mengubah thrust yang dibutuhkan sesuai dengan kecepatan. Karena induced drag mendominasi di kecepatan rendah, pengurangan induced drag karena ground effect akan menyebabkan perubahan thrust yang dibutuhkan secara berarti (parasite + induced drag) pada kecepatan rendah.

Ground effect mengubah drag dan lift

Pengurangan pada aliran induksi (induced flow) karena ground effect menyebabkan pengurangan yang berarti pada induced drag tapi tidak ada efek langsung dengan parasite drag. Hasil dari pengurangan induced drag adalah thrust yang dibutuhkan pada kecepatan rendah akan berkurang.

Karena perbedaan pada upwash, downwash dan vortex di ujung sayap maka mungkin akan ada perubahan dalam error/ kesalahan karena posisi (instalasi) pada sistem kecepatan (airspeed) yang berhubungan dengan ground effect. Pada kejadian-kejadian biasanya ground effect akan menyebabkan pertambahan pada tekanan lokal/ local pressure di static source dan menghasilkan penunjukkan yang lebih kecil pada indikator kecepatan dan ketinggian. Juga pesawat bisa lepas landas pada kecepatan yang lebih rendah yang ditunjukkan indikator (indicated airspeed) daripada yang dibutuhkan pada keadaan normal.

Untuk mendapatkan hasil terbesar dari ground effect maka sayap harus berada cukup dekat dengan permukaan. Salah satu hasil langsung dari ground effect adalah variasi dari induced drag karena ketinggian sayap di atas permukaan pada koefisien lift yang konstan.

Pada waktu ketinggian sayap sama dengan panjangnya maka pengurangan induced drag hanyalah 1.4%. Tapi pada waktu ketinggian hanya ¼ dari panjang sayap, maka pengurangan induced drag adalah 23.5% dan ketika sayap berada pada ketinggian 1/10 dari panjang sayapnya, maka pengurangan induced drag mencapai 47.6%. Jadi pengurangan yang besar hanya terjadi pada saat sayap berada sangat dekat dengan permukaan. Karena variasi ini maka ground effect biasanya dirasakan ketika lepas landas atau sesaat sebelum menyentuh landasan pada waktu mendarat.

Pada fase lepas landas, ground effect menghasilkan beberapa hubungan yang penting. Pesawat yang meninggalkan ground effect mengalami hal kebalikan dari pesawat yang memasuki ground effect pada waktu mendarat, yaitu, pesawat yang meninggalkan fround effect akan:

memerlukan tambahan angle of attack untuk menjaga koefisien lift yang sama
mengalami pertambahan induced drag dan thrust yang dibutuhkan
mengalami pengurangan pada stabilitas dan momentum perubahan hidung pesawat ke atas (nose up)
menghasilkan pengurangan tekanan pada sumber static (static source) dan penambahan pada kecepatan pesawat.

Efek-efek umum ini seharusnya mengingatkan pada kemungkinan bahaya jika lepas landas sebelum mencapai kecepatan yang direkomendasikan untuk lepas landas (take off speed). Karena pengurangan drag pada ground effect maka pesawat sepertinya sanggup untuk take off di bawah take off speed.

Tapi pada waktu pesawat naik meninggalkan ground effect dengan kecepatan yang tidak cukup, maka makin besar induced drag akan menghasilkan kinerja mendaki yang marjinal (pas-pasan).

Pada kondisi ekstrim seperti gross weight yang besar, density altitude yang tinggi dan suhu yang tinggi, maka kurangnya kecepatan pada waktu take off memungkinkan pesawat untuk lepas landas tapi tidak memungkinkan pesawat untuk lepas dari ground effect. Pada kejadian ini mungkin pesawat awalnya lepas landas dengan kecepatan minim dan kemudian kembali ke landasan. Pada kejadian ini sangat penting untuk tidak memaksa pesawat untuk lepas landas dengan kecepatan yang minim, kecepatan yang direkomendasikan oleh pabrik pesawat adalah kecepatan yang dibutuhkan untuk mendapatkan kinerja menanjak yang memadai. Karena alasan inilah maka climb/menanjak yang sudah jelas harus terjadi sebelum menaikkan roda pendaratan/flaps.

Pada fase pendaratan, efek dari dekatnya permukaan ini juga harus dimengerti dan diwaspadai. Jika pesawat dibawa ke permukaan tanah dengan angle of attack yang konstan, pesawat akan mengalami penambahan koefisien lift dan pengurangan thrust dibutuhkan. Kemudian, efek mengapung/“floating” mungkin terjadi. Karena pengurangan drag dan perlambatan dengan “power off” dalam ground effect, kelebihan kecepatan pada waktu melakukan “flare” akan menjadi tambahan jarak karena “float”. Pada waktu pesawat mendekati titik pendaratan/ “touch down”, ground effect akan terasa pada waktu ketinggian pesawat kurang dari panjang sayap. Pada fase final dari “approach” ketika pesawat dekat dengan permukaan, diperlukan pengurangan setting power atau pengurangan thrust untuk membuat pesawat naik di atas glide path yang diinginkan.

Sumbu pesawat

Sumbu gerakan pesawat

Pada saat pesawat yang sedang terbang mengubah sikap (attitude) atau posisi, pesawat tersebut berputar pada salah satu sumbu atau lebih, dari 3 sumbu yang merupakan garis khayal yang melewati Center of Gravity dari pesawat. Sumbu-sumbu dari pesawat bisa dianggap sebagai poros khayal tempat pesawat berputar, seperti halnya poros/gandar tempat roda berputar. Di titik di mana ketiga poros bersilangan, masing-masing pada 90° terhadap kedua poros lainnya. Sumbu yang memanjang sepanjang badan pesawat dari hidung pesawat sampai ekor, adalah sumbu longitudinal. Sumbu yang memotong dari ujung sayap ke ujung sayap yang lainnya disebut sumbu lateral. Sumbu yang tegak melewati center of gravity, adalah sumbu vertikal.

Pergerakan pesawat pada sumbu longitudinal menyerupai gerakan mengguling kapal dari satu sisi ke sisi yang lain. Bahkan sebenarnya nama-nama yang aslinya digunakan dalam istilah yang berhubungan dengan transportasi kelautan. Istilah-istilah ini telah diserap dalam istilah-istilah aeronautika karena persamaan gerakan antara sebuah pesawat terbang dengan sebuah kapal laut.

Dalam adopsi dari istilah kelautan, gerakan pesawat pada sumbu longitudinalnya disebut “roll”/guling, gerakan pada sumbu lateral disebut “pitch”/angguk. Akhirnya, sebuah pesawat bergerak pada sumbu vertikal yang disebut “yaw”/belok, yaitu, gerakan horisontal (kiri dan kanan) dari hidung pesawat.

Ketiga gerakan pesawat itu (roll, pitch dan yaw) dikendalikan oleh tiga permukaan kendali. Roll dikendalikan oleh aileron/ kemudi guling, pitch dikendalikan oleh elevator, dan yaw dikendalikan kemudi/rudder. Penggunaan kendali ini akan diterangkan di bab 4 Kendali Terbang.

Machine Design

Energy Conversion

Berdasarkan lokasi

Berdasarkan sistem siklus yang digunakan

Siklus tertutup

Siklus terbuka

Siklus hybrid

5) Energi angin

9) Siloksan dan gas engines (mesin berbahan bakar gas)

1.Mekanika Fluida

Persamaan pada fluida Newtonian

Hipotesis kontinum

Persamaan Navier-Stokes

Bentuk umum persamaan

Fluida Newtonian vs. non-Newtonian

2. Energi Surya

Penerapan energi surya

4. Termodinamika Teknik

Sistem termodinamika

Keadaan termodinamika

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

4. Turbomachinery

Classification

Dimensionless ratios to describe turbomachinery

The following dimensionless ratios are often used for the characterisation of fluid machines. They allow a comparison of flow machines with different dimensions and boundary conditions.

Sistem dalam otomotif

Sistem bahan bakar

Desain

Sistem

6. AC & Refrigerasi

7. Perpindahan Panas

8. Aerodinamika Penerbangan

About This Blog

ARSIP BLOG

FOLLOWER