Fisika Menjelaskan Desain Mobil

Gaya gesekan pada benda bergerak (gaya gesekan kinetik) berasal dari gesekan dua permukaan yang bersentuhan. Namun, gaya gesekan yang dialami benda bergerak tidak selalu dari dua permukaan yang bersentuhan. Tanpa ada permukaan yang bersentuhan pun gaya gesekan bisa muncul. Misalnya benda yang bergerak di udara mengalami gaya gesekan. Gaya gesekan tersebut muncul akibat gesekan permukaan benda dengan molekul udara. Benda yang bergerak dalam air juga mengalami gaya gesekan akibat akibat tumbukan permukaan benda dengan molekul air. Jadi, secara umum benda yang bergerak di dalam fluida (air dan udara) mengalami gaya gesekan yang berlawanan dengan arah gerak.

Artikel Lainnya: Fisika Menjawab

Desain Mobil

Fisika Menjelaskan Berbagai Fenomena

High Heels

Jarak Aman Berkendara

Menaksir Ketinggian Maksimum Gunung

Mengapa Batu Krikil diletakan di sekiar Rel Kereta Api

Mengapa Cicak/Tokek Menempel Kuat pada Dinding

Mengapa jendela Pesawat Berbentuk Oval

Mengapa Kendaraan Harus Memakai Shockbreaker 

Pondasi Cakar Ayam

Besarnya gaya gesekan antara benda dengan fluida yang dilewatinya bergantung pada kecepatan benda relatif terhadap fluida, bergantung pada penampang lintang benda yang menembus fluida, bergantung pada bentuk benda, dan bergantung pada sifat fluida yang dilewati. Secara umum, makin besar kecepatan benda maka gaya gesekan makin besar. Mobil yang bergerak dengan kecepatan tinggi mendapat gaya gesek oleh udara lebih besar daripada mobil yang bergerak dengan kecepatan rendah. Balok yang dilempar ke udara mendapat gaya hambat lebih besar dibandingkan dengan jarum yang memiliki massa yang sama dan dilempar dengan kecepatan yang sama (karena penampang jarum lebih kecil).

Besar gaya gesek pada benda yang bergerak dalam fluida memenuhi persamaan umum

fk	=	1	CD rAv2	(4.52)
		2

dengan

v adalah laju benda relatif terhadap fluida;

A luas penampang benda tegak lurus arah gerak;

r adalah massa jenis fluida;

CD adalah koefisien hambat yang di antaranya bergantung pada bentuk benda.

Gaya gesekan yang diberikan oleh persamaan (4.52) berperan besar dalam desain alat transportasi. Sebagai contoh, mengapa bentuk bagian depan mobil tampak seperti yang ada sekarang? Tampak pipih di di bagian depan dengan kemiringan dari depan ke belakang di sisi atas (Gambar 4.26). Mengapa bentuk depan mobil tidak seperti kotak saja, yaitu vertikal ke atas? Mengapa kemiringan dibuat di sisi atas dan bukan di sisi bawah?

Bagian depan mobil dirancang sedemikian rupa sehingga dihasilkan gaya gesekan dengan udara sekecil mungkin, namun mobil tetap stabil jika bergerak pada kecepatan tinggi. Bentuk yang pipih di depan dimaksudkan untuk mengurangi gaya gesekan oleh udara. Gaya gesekan yang kecil menyebabkan penghematan penggunaan bahan bakar. Bentuk yang miring dari depan ke belakang di sisi atas dimaksudkan untuk menghasilkan gaya tekan ke bawah oleh udara. Gaya tekan tersebut makin besar jika kecepatan mobil makin besar. Oleh karena itu mobil tetap stabil.

Desain bagian depan mobil menentukan nilai konstanta C_D. Mobil penumpang, bus, dan mobil balap memiliki nilai C_D yang berbeda. Mobil balap memiliki nilai C_D yang paling kecil. Mobil akan mudah mencapai kecepatan yang tinggi dan hemat bahan bakar jika memiliki nilai C_D kecil.

(Baca: Fisika Menjawab Mengapa Jendela Pesawat Berbentuk Oval)

Koefisien hambatan sejumlah mobil yang diproduksi hingga saat ini berkisar antara 0,24 sampai 0,40. Tabel 4.2 adalah daftar nilai koefisien hambatan sejumlah mobil yang telah diproduksi. Data yang diberikan biasanya bukan nilai koefisien hambatan itu sendiri tetapi perkalian koefisien hambatan dengan luas penampang efektif mobil, yaitu C_D A.

Tabel 4.2. Nilai koefisien hambatan oleh udara sejumlah mobil.

Mobil	CDA (m2)	Mobil	CDA (m2)
Mercedes Benz C-Class	0,24	Peugeot 307	0,31
Toyota Prius (2010)	0,25	Mazda 3 Hatchback	0,31
Hyundai Sonata Hybrid	0,25	Mazda RX-8	0,31
Audi A2	0,25	Lexus GX	0,35
Lexus LS 430	0,25	Kia Rio Sedan	0,31
Toyota Prius (2004-2009)	0,26	Honda Civic Sedan	0,31
Peugeot 405	0,31	Jaguard XKR	0,35
BMW Z4 M Coupe	0,35	Ford Tunderbird	0,35
Volkswagen Jetti	0,36	Audi A3	0,31
Audi A5	0,31	Subaru Forester	0,38
Suzuki Swift	0,32	Chrysler 300C	0,32
Honda Odyssey	0,39	Ford Escape Hybrid	0,40

Gaya gesekan roda dengan jalan. Dalam pembahasan tentang gesekan antara roda dengan jalan, seringkali sering diambil koefisien gesekan bernilai konstan. Namun, kenyatannya koefisien gesekan antara roda dan jalan tidak sellau konstan, tetapi bergantung pada laju. Seperti yang dibahas oleh J.D. Edmonds, Jr. [American Journal of Physics 48, 253 (1980)] berdasarkan informasi dari buku karya G.W. Lacy [Scientific Automobile Accident Reconstruction, New York (1977)]. Dari buku tersebut disimpulkan bahwa koefisien gesekan dapat didekati dengan rumus

 µ_k = 1- ((v-5mph)/(451mph))^1/3

dengan v dalam mph (mil/jam).

Persamaan (4.53) telah dibuktikan secara eksperimen untuk jangkauan kecepatan antara 5 mph – 80 mph. Gambar 4.27 memperlihatkan nilai koefisien gesekan kinetik sebagai fungsi laju pada jangkauan lanju antara 5 – 80 mph.

Gambar 4.28 Pembelokan udara ketika mobil bergerak. Udara membelok ke atas menyebabkan mobil mendapat gaya tekan ke arah bawah (gerrelt.nl)

Apa hubungan kestabilan mobil dengan kemiringan bagian depan di sisi sebelah atas? Ketika mobil bergerak maka udara di bagian depan mobil dibelokkan ke atas (Gambar 4.28). Pembelokan tersebut menyebabkan mobil mendapat gaya tekan oleh udara ke arah bawah dan gaya hambat ke arah belakang. Komponen arah vertikal ke bawah inilah yang menyebabkan mobil makin kuat mencengkeram jalan sehingga mobil tetap stabil (sulit untuk tergelincir atau terlempar).

(Baca: Fisika Menjawab Pondasi Cakar Ayam pada Bangunan)
Sumber : Mikhrajuddin Abdullah.2016. Fisika Dasar I. Bandung. Ganesha ITB

Subscribe to receive free email updates: