Turbulensi : Tantangan & Pentingnya bagi Indonesia

Semenjak jaman dahulu, manusia selalu bermimpi tentang terbang. Mulai dari legenda Yunani kuno Icarus, sang kuda terbang Pegasus, sampai cerita Griffin. Meluncur di angkasa, terbang ke awan bersama burung, melihat dunia dari sudut pandang yang berbeda merupakan hal yang sangat menakjubkan. Sudah tidak terhingga jumlahnya manusia yang mencoba terbang meniru burung, seperti memasang bulu di lengan hingga membuat sayap buatan dari kain. Namun untuk dapat terbang, diperlukan kemampuan untuk melayang dan kemudian mengontrolnya ketika di udara. Sesuatu yang terbukti sangat menantang bagi dunia pengetahuan klasik.

Setelah berbagai ragam percobaan yang gagal, barulah pada tahun 1903, dua bersaudara bernama Wilbur dan Orville Wright menjadi orang pertama yang menerbangkan pesawat dengan mesin. Pada saat itu pengertian tentang terbang masih relatif baru, orang tidak banyak mengerti apa yang terjadi di pemukaan sayap. Setahun setelah penerbangan yang sangat bersejarah tersebut, seorang ilmuwan Jerman yang bernama Ludwig Prandtl menemukan suatu fenomena alam aliran fluida (udara/aero atau air/hydro) yang sangat unik bernama “boundary layer”.

“Boundary layer” adalah keadaan dimana aliran fluida di dekat permukaan lebih pelan daripada aliran udara yang jauh dari permukaan. Kita bisa melihat fenomena ini di padang pasir. Pada saat angin berhembus kencang di padang pasir, dan menerbangkan pasir-pasirnya, akan terlihat bahwa pergerakan pasir di dekat permukaan lebih pelan daripada pergerakan pasir yang lebih tinggi dari permukaan. Perbedaan kecepatan ini dikarenakan “viscosity” atau kekentalan suatu fluida. Sebagai ilustrasi “viscosity” kita bisa melihat bahwa madu itu lebih kental atau lebih “viscous” daripada air.

Penemuan “boundary layer” ini sangat revolusioner dan memegang peranan penting dalam berbagai fenomena alam dan kehidupan kita sehari-hari. Dari “boundary layer” lahir yang namanya aliran turbulensi. Orang awam biasanya meng-asosiasikan turbulensi dengan guncangan pesawat ketika sedang terbang, tetapi sebenarnya turbulensi bukanlah pesawat yang terguncang. Turbelensi adalah keadaan dimana aliran fluida bergerak secara acak, tidak teratur, dan sangat energetik. Lawan dari turbulensi adalah “laminar”.

“Laminar” adalah keadaan dimana aliran suatu fluida sangat tenang, pelan dan teratur. Contoh perubahan dari “laminar” ke turbulent bisa dilihat pada asap rokok. Ketika seseorang merokok, dari ujung puntung rokok akan terlihat asap yang sangat tenang, teratur dan menarik. Aliran ini adalah “laminar”. Tetapi setelah aliran “laminar”, akan berubah menjadi turbulent. Gejala ini walaupun terlihat umum, tetapi ini merupakan fenomena fisika yang sangat kompleks. Turbulensi semacam ini adalah fenomena alam yang ada dimana-mana, mulai putaran angin di gunung, aliran air di sungai, badai tornado, hingga gas pembentuk planet Bumi ini.

perubahan laminar ke turbulent

perubahan laminar ke turbulent

Tanpa adanya turbulensi di alam, dunia ini akan sangat berbeda. Dalam suatu wawancara dengan televisi nasional Australia ABC, Prof Ivan Marusic dari University of Melbourne, yang merupakan salah satu ahli paling ternama di bidang “fluid mechanic” memaparkan bahwa tanpa turbulensi, manusia mungkin tidak akan ada. Sebagai ilustrasi, di Melbourne terdapat sungai yang membelah kota, bernama Yarra River. Aliran sungai Yarra River sangat pelan dan tenang. Apabila tidak ada turbulensi, maka kecepatan sungainya akan mencapai 27000 Km/jam. Dengan kecepatan setinggi itu, bahkan besi sekalipun akan terpotong-potong, dan bisa dipastikan kita tidak akan bisa hidup karena sangatlah sulit membendung dan mengambil manfaatnya dari sungai tersebut.

berbagai fenomena turbulensi di alam

berbagai fenomena turbulensi di alam

Pada aplikasi teknik, turbulensi bisa dilihat di pompa air, aliran udara di permukaan sayap pesawat, aliran air di permukaan kapal selam, kincir angin atau kapal laut. Salah satu kegunaan utama aliran turbulensi adalah sebagai “heat mixer”. Turbulensi merupakan pembawa dan pencampur panas yang sangat baik dan efisien. Sebagai contohnya adalah kompor minyak dan kompor gas. Ketika kita memanaskan air dengan jumlah volume yang sama di kompor minyak, maka akan cenderung memakan waktu sangat lama untuk mencapai air mendidih. Sebaliknya dengan kompor gas akan bisa memanaskan air lebih cepat. Ini dikarenakan tekanan gas dari kompor mentransfer panas lebih cepat. Contoh lain lagi sebagai bahan perbandingan adalah alat Las. Kita bisa lihat dan dengar dari suaranya, bahwa tekanan udara dari Las sangat tinggi, ini dikarenakan aliran turbulensi dari gas tersebut. Fenomena “heat mixer” ini memiliki banyak kegunaan pada mesin jet, turbin tenaga, dan mesin mobil.

turbulensi di aplikasi teknik

turbulensi di aplikasi teknik

Walaupun fenomena turbulensi sangat menakjubkan dan berguna bagi kehidupan manusia, turbulensi memiliki efek yang merugikan, yaitu gaya gesek atau gaya hambatan (drag) atau lebih tepatnya disebut “skin friction drag”. Di bidang aerodinamika dan hydrodinamika terdapat dua tipe “drag”, yaitu “skin friction drag” dan “pressure drag”. Diantara dua tipe ini, “pressure drag” lebih mudah dipahami. “Pressure drag” terjadi karena bentuk benda, dan ini bisa diatasi dengan mengubah bentuk benda menjadi lebih aerodinamis (di udara) atau hydrodinamis (di air). Contoh aplikasi yang lebih aerodinamis adalah pada desain mobil balap F1. Apabila kita bandingkan antara mobil F1 Ferrari tahun 1970-an dan tahun 2000-an, terlihat jelas bahwa desain aerodinamik F1 tahun 2000-an lebih baik. Desain mobil balap F1 bisa dikatakan kebalikan dari pesawat. Apabila desain Aerodinamik pesawat adalah agar pesawat dapat memiliki daya angkat yang baik, mobil balap F1 didesain untuk memiliki gaya tekan ke bawah yang lebih baik. Contoh lain lagi, perubahan aerodinamik untuk mengurangi “pressure drag” adalah di pesawat. Di jaman tahun 1940-an, pesawat moncongnya cenderung bulat dan sayapnya horizontal lurus, seperti pesawat P51 mustang misalnya, sementara pesawat tempur modern seperti F-16 Falcon ujungnya lancip dan sayap biasanya lebih ditarik kebelakang untuk mengurangi “pressure drag”.

Perbandingan desain Ferrari tahun 1970 dan 2008

Perbandingan desain Ferrari tahun 1970 dan 2008

P51 mustang dan F-16 falcon

P51 mustang dan F-16 falcon

Disisi lain, “Skin friction drag” lebih susah dipahami dan diatasi. “Skin friction drag” terjadi karena adanya aliran turbulensi atau “turbulence” di permukaan benda (permukaan sayap, kapal, dan kapal selam). Hukum Fisika menuntut adanya “skin friction drag”, walaupun semulus apapun permukaan suatu benda, gaya gesek ini akan hadir. Apabila dipikir secara logika, mungkin akan tidak masuk akal, dari dahulu kita selalu berpikir apabila kita mendorong sebuah kotak peti di jalan kasar dan di atas es maka akan lebih mudah di atas es. Tetapi tidak demikian dengan fluida, walaupun di atas kaca ataupun es sekalipun, aliran udara ataupun air akan mengalami “skin friction drag”. “Skin friction drag” yang diakibatkan oleh “turbulence” ini memakan energi yang sangat tinggi bagi kendaraan, terutama pesawat terbang. Diperkirakan 10 persen dari bahan bakar yang dipergunakan oleh pesawat terbuang sia-sia untuk melawan gaya gesek yang diakibatkan oleh turbulensi. Menurut Prof Ivan Marusic dari Melbourne University, apabila kita bisa menghemat 10% tersebut dari seluruh pesawat di dunia, maka akan menghemat tagihan bahan bakar bensin sebesar $15 milyar per tahun.

Tantangan bagi ilmuwan sekarang adalah bagaimana caranya mengatasi hal ini. Ini berarti secara otomatis untuk mengatasi hal ini kita harus mengerti tentang turbulensi terlebih dahulu. Namun sayangnya, turbulensi sampai sekarang masih merupakan fenomena alam yang susah dimengerti, dan merupakan satu-satunya ilmu Fisika Klasik dimana umat manusia masih belum bisa menerangkan fenomena ini secara penuh. Bahkan untuk menghitung dengan menggunakan komputer, diperkirakan baru 200 tahun di masa mendatang manusia akan memiliki komputer yang cukup kuat untuk menghitung turbulensi.

Saat ini di berbagai belahan dunia, berbagai institusi terbaik berusaha mengerti aliran turbulensi, namun dikarenakan tingkat kompleksitas yang tinggi dan diperlukannya terowongan udara atau terowongan air yang besar, sensor yang super sensitif, laser dan komputer yang super kuat, membuat hanya sedikit institusi yang memiliki kemampuan untuk melakukan penyelidikan turbulensi, terutama turbulensi dengan skala yang tinggi.

Saat ini tercatat hanya beberapa universitas besar dan tradisional seperti Princeton, Cambridge, University of Melbourne, Stanford, KTH (Kungliga Tekniska högskolan), University of Bologna, Universidad Politecnica de Madrid, serta TU Berlin, yang melakukan banyak riset di bidang turbulensi skala tinggi. Selain universitas tersebut, berbagai institusi terkemuka seperti Boeing, Airbus, NASA, JAXA atau ESA berlomba untuk mengerti turbulensi.

Melihat betapa pentingnya mengerti aliran turbulensi, semenjak tahun 1960, Walter Basset Aerodynamic Laboratorium Melbourne University, tempat penulis menimba ilmu, telah melakukan investasi dalam mempelajari turbulensi. Dari laboratorium ini telah lahir banyak professor dan peneliti legendaris yang tersebar di berbagai institusi dunia seperti Caltech, Cambridge, Princeton atau NASA. Di Laboratorium ini terdapat terowongan angin Boundary Layer terbesar didunia.

Penulis berpendapat bahwa Indonesia perlu melakukan investasi di bidang ini bekerjasama dengan Melbourne University. Australia dan Indonesia adalah negara besar yang sangat bergantung pada penerbangan. Selain penerbangan, sebagai negara kepulauan, Indonesia juga bergantung pada perkapalan. Dengan pertumbuhan ekonomi berkisar 7% per tahun maka jumlah kelas menengah Indonesia akan diprediksikan meningkat. Kelas menengah ini cenderung memiliki daya beli dan konsumsi yang tinggi serta kebutuhan travelling maupun bisnis di tingkat nasional dan internasional. Sebagai buktinya, baru-baru ini Boeing mencatat bahwa pembelian yang dilakukan oleh Lion Air dan Garuda Indonesia adalah pembelian terbesar dalam satu periode oleh suatu negara dalam sejarah Boeing. Selain itu, pertumbuhan ekonomi juga akan meningkatkan penggunaan kapal laut baik untuk transportasi, industri, maupun rekreasi. Dengan tingginya jumlah penggunaan transportasi udara dan laut, yang notabene sangat reseptif terhadap “skin friction drag”, bisa dipastikan akan tingginya jumlah bahan bakar bensin yang terbuang sia-sia karena “skin friction drag”.

Boundary Layer Wind Tunnel terbesar di dunia (Melbourne University)

Boundary Layer Wind Tunnel terbesar di dunia (Melbourne University)

Negara Indonesia perlu memulai penelitian untuk meminimalkan hal ini. Pemerintah Australia sendiri dengan jelas memahami tantangan tersebut dimasa depan dan telah menginvestasikan jutaan dollar untuk menyelidiki dan mengatasi hal ini di University of Melbourne. Melihat dekatnya jarak antara Indonesia dan Australia, serta kemiripan dalam menghadapi masalah ini, maka merupakan keputusan yang logis apabila institusi seperti ITB, BPPT, atau LIPI bekerjasama dengan Australia.

Melihat betapa menakjubkannya jumlah institusi terkenal kelas dunia yang berusaha mengerti turbulensi namun masih belum dapat menemukannya, banyak kalangan menanyakan, apakah ada saat dimana manusia dapat mengerti fenomena unik ini. Fenomena yang bagi manusia dialami sehari-hari namun belum ada penjelasan secara pasti. Ilmuwan di berbagai belahan dunia masih terus mempelajari fenomena ini. Apabila kita dapat mengerti, mengontrol dan memprediksinya, bisa dipastikan kita akan dapat menghemat energi dari gaya gesek, memaksimalkan desain pesawat, mesin jet, kapal selam ataupun mobil balap.

Lebih jauh lagi dapat disebutkan bahwa mengerti turbulensi dapat merevolusioner cara insinyur ataupun ilmuwan dalam mendesain pesawat generasi selanjutnya. Werner Heisenberg, pemenang nobel fisika dan ahli “quantum mechanic” pernah menyimpulkan betapa kompleksnya turbulensi dengan sangat elegan. “When I meet God, I am going to ask him two questions: Why relativity? And why turbulence? I really believe he will have an answer for the first.”

Lain kali ketika pembaca sedang duduk di pesawat dan melihat sayap diluar dan membayangkan betapa menakjubkannya pesawat terbang ini, harap di ingat bahwa kita masih belum sepenuhnya mengerti keajaiban dari terbang. Masih banyak misteri yang menunggu di masa depan, dan desain pesawat masa depan tentunya akan sangat menarik untuk di lihat.

Referensi

  • Smits.A.J. (2000). A Physical Introduction to fluid Mechanics. John Wiley & Sons. United States.
  • Fox. R.W, McDonald.A. T. (1998). Introduction to Fluid Mechanics. Wiley & Sons. United States.
  • Milne-Thomson.L.M (1966). Theoretical Aerodynamics. Great Britain. Macmilan.
  • Davidson.P.A (2005). Turbulence an Introduction for Scientists and Engineers. Oxford.

Bagus Nugroho

Bagus NugrohoBagus Nugroho, adalah peneliti muda jenius yang juga Ketua PPI Australia (2012-2013). Bagus saat ini sedang menempuh pendidikan Doktor Fluid Mechanics – Mechanical Engineering pada University of Melbourne, Australia & pada saat yang sama, ia juga mengikuti program Master (Ecology) Extension School, Harvard University. Sederet gelar akademis juga telah diraih, antara lain : Tahun 2011, Postgraduate Certificate (Nanotechnology) Department of Continuing Education, University of Oxford. Tahun 2008, program double degree – Bachelor of Engineering (Mechanical-Honours) Mechanical Engineering, University of Melbourne dan Bachelor of Science (Physics) School of Physics, University of Melbourne. 

3 Responses to Turbulensi : Tantangan & Pentingnya bagi Indonesia

  1. yeah, turbulence make me confuse.

  2. yogiabdulmuis

    bagaimana cara membuat turbin angin untuk pengujian pada wind tunnel, menggunakan 3 buah sudu dengan sudu yang bisa diatur sudu-sudu nya,

  3. tapi turbulensi di pesawat terbang menyeramkan efeknya… meskipun begitu ternyata bayak manfaatnya ya

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *