Sumbu Gerakan pesawat

Telah kita pahami bagaimana bentuk kekuatan Tuhan menahan burung-burung dan pesawat terbang untuk dapat mengudara dan tidak jatuh ke tanah. Manusia tidak hanya menginginkan untuk sekadar dapat terbang di udara, lebih jauh dari itu manusia menginginkan untuk dapat melakukan perjalanan ke mana saja yang mereka ingini dengan bebas terbang diangkasa sebagai mana burung bebas pergi dan hinggap dimana mereka suka.

Oleh sebab itu haruslah ada sistim kemudi yang dapat mengendalikan terbangnya pesawat sesuai dengan yang diinginkan oleh penerbang. Burung mengendalikan arah terbangnya, berbelok kekiri dan kekanan, menanjak keatas dan menukik kebawah dengan mengubah bentuk dan posisi sayapnya, begitu pula manusia membuat pesawat terbang dilengkapi dengan bidang-bidang kemudi dibagian sayap dan ekor pesawat yang dapat bergerak/ berubah posisi nya sehingga menghasilkan efek terhadap bergeraknya pesawat diudara.   

Pergerakan pesawat untuk dapat terbang bebas pada dasarnya adalah terbang menanjak (climbing), terbang menurun (descents), terbang berbelok (turns) dan kombinasinya.

Untuk melakukan pergerakan diatas ada tiga gerakan dasar pesawat :

Berguling (rolling)
adalah gerakan pesawat terhadap sumbu putar yang disebut longitudinal axis yaitu garis hayal sepanjang pesawat dari ujung hidung depan pesawat hingga belakang ekor pesawat.

Mengangguk (Pitching)
adalah gerakan pesawat terhadap sumbu putar yang disebut lateral axis yaitu garis hayal yang menghubungkan ujung sayap kanan ke ujung sayap kiri.

Memutar (Yawing)
adalah gerakan pesawat terhadap sumbu vertical yaitu garis hayal vertical yang melalui titik berat pesawat.
 

BIDANG-BIDANG KEMUDI

Aileron
Bidang kemudi di belakang ujung sayap kiri dan kanan yang dapat bergerak kebawah dan keatas yang saling berlawanan antara kiri dan kanan.
Pergerakan bidang kemudi aileron akan menyebabkan pesawat melakukan rolling (memutar pesawat terhadap sumbu longitudinal).

Elevator
Bidang kemudi dibagian belakang horizontal stabilizer kiri dan kanan yang dapat bergerak keatas dan kebawah bersamaan.
Pergerakan bidang kemudi elevator akan menyebabkan pesawat melakukan pitching (memutar pesawat terhadap sumbu lateral).

Rudder
Bidang kemudi di ekor pesawat dibelakang vertical fin (sirip vertical) yang dapat bergerak kekanan dan kekiri.
Pergerakan bidang kemudi rudder akan menyebabkan pesawat melakukan yawing (memutar pesawat terhadap sumbu vertical).

Gerakan Pitching
Tongkat kemudi di kokpit dihubungkan melalui kawat atau hidrolik  ke bidang kemudi elevator. Dengan memutar tongkat kemudi , pilot dapat merubah posisi dari elevator. Ketika tongkat kemudi didorong kedepan, elevator akan bergerak kebawah. Dengan turunnya elevator akan menambah gaya angkat pada horizontal stabilizer dan ekor pesawat bergerak naik dan hidung pesawat akan bergerak turun

Ketika tongkat kemudi ditarik kebelakang, elevator akan bergerak keatas. Dengan naiknya  elevator akan mengurangi gaya angkat atau menghasilkan gaya kebawah pada horizontal stabilizer dan ekor pesawat bergerak turun dan hidung pesawat akan bergerak naik.

Gerakan rolling
Tongkat kemudi di kokpit dihubungkan melalui kawat atau hidrolik  ke bidang kemudi aileron . Dengan memutar tongkat kemudi , pilot dapat merubah posisi dari aileron. Ketika tongkat kemudi diputar kekanan, aileron kanan akan bergerak naik dan aileron kiri akan turun. Dengan naiknya aileron kanan, sayap kanan akan kekurangan sedikit gaya angkat dan dengan turunnya aileron kiri sayap kiri akan bertambah sedikit gaya angkat yang menyebabkan pesawat berguling kekanan.

Gerakan Yawing
Pedal  di kokpit dihubungkan melalui kawat atau hidrolik  ke bidang kemudi ruder .
Ketika pedal kanan diinjak kedepan, rudder akan bergerak kekanan. Dengan posisi rudder kekanan, ekor pesawat akan bergerak ke kekiri dan hidung pesawat akan bergerak kekanan.
Ketika pedal kiri diinjak kedepan, rudder akan bergerak kekiri. Dengan posisi rudder kekiri, ekor pesawat akan bergerak ke kekanan dan hidung pesawat akan bergerak kekiri.

Climb
Terbang menanjak , untuk melakukan climbing diperlukan kombinasi penambahan power mesin dengan pergerakan elevator keatas (pitching up).

Descent
Terbang menurun, untruk melakukan descent diperlukan kombinasi pengurangan power mesin dan pengaturan posisi elevator untuk mempertahankan kecepatan yang diinginkan.

Turn
Terbang berbelok dilakukan pada saat menanjak, menurun dan juga pada terbang mendatar untuk merubah arah terbang. Oleh sebab itu pada saat melakukan turning diperlukan kombinasi pergerakan dari elevator, rudder dan aileron yang terkordinasi dengan baik.

1.Tekanan Atmosfir
Meskipun banyak sekali macamnya tekanan, diskusi ini terutama berisi tentang tekanan atmosfir. Tekanan atmosfir ini adalah faktor penting dari perubahan cuaca, membantu mengangkat pesawat, dan menggerakkan beberapa instrumen penerbangan penting dalam pesawat udara.
Instrumen-instrumen ini adalah altimeter (penunjuk ketinggian), indikator airspeed (kecepatan udara), indikator rate-of-climb (kecepatan menanjak), dan penunjuk tekanan manifold.
Meskipun udara sangat ringan, tapi memiliki massa dan dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Maka, udara juga seperti halnya benda lain, memiliki berat dan memiliki gaya. Karena udara merupakan zat cair, maka gaya yang dimilikinya bekerja secara sama-rata ke semua arah, dan efek gayanya pada udara disebut tekanan (pressure). Pada kondisi baku di permukaan laut, rata-rata tekanan yang diterima pada tubuh manusia oleh atmosfir adalah sekitar 14,7 pon/inci. Kepadatan udara mempunyai efek yang berarti pada kemampuan pesawat terbang.
Jika udara berkurang kepadatannya maka akan berakibat berkurangnya:
1. tenaga, karena mesin mendapatkan udara yang lebih sedikit,
2. thrust (gaya dorong) karena efisiensi baling-baling menjadi berkurang pada udara tipis,
3. lift (gaya angkat) karena udara tipis memberikan gaya yang lebih sedikit pada airfoil.
2.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).
3.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).
4.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.
5.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.
6.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.
Sumbu putar pesawat (axis)

  

Sumbu putar pesawat, vertikal, longitudinal dan lateral
Gambar dari : http://www.start-flying.com/newsite/controlling_aircraft.htm

Pesawat terbang mempunyai tiga sumbu putar, yaitu vertikal, longitudinal dan lateral. Gerakan pesawat pada sumbu vertikal disebut yaw. Dan gerakan pada sumbu lateral disebut pitch. Sedangkan gerakan pada sumbu longitudinal disebut roll.
Masing-masing gerakan ini dikontrol oleh sistem kendali terbang (flight control systems) dari  pesawat, yaitu ruder, aileron dan elevator.  Untuk lebih jelas bisa dilihat pada tiga gambar dibawah :

Gerakan pesawat pada ketiga sumbunya
Gambar dari : http://www.langleyflyingschool.com/Pages/Attitudes%20and%20Movements.html

Prinsip kerja gyrosope
Gyroscope adalah alat yang digunakan untuk mengukur atau mempertahankan orientasi berdasarkan prinsip momentum angular. Pada prinsipnya mechanical gyroscope adalah sebuah piringan (rotor) yang berputar pada sumbu (axis) yang mampu bergerak ke beberapa arah.

Gyroscope
Gambar dari : http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope

Bagian dari gyroscope terdiri dari sebuah piringan (rotor) yang berputar pada sumbu putar (spin axis). Sumbu putar ini terpasang pada suatu kerangka yang disebut gimbal (inner-most gimbal). Inner-most gimbal terpasang pada inner gimbal. Dan inner gimbal terpasang pada outer gimbal yang merupakan kerangka terluar.
Dengan memiliki tiga gimbal maka  gyroscope mempunyai kemampuan untuk berputar pada tiga sumbu putar (3 degree of rotational freedom).  Walaupun gyroscopee mempunyai 3 degree of rotational freedom, namun rotor akan selalu tetap berada pada posisinya, selama dia berputar. Saat ketiga kerangka gimbal berputar, rotor tidak mengikuti putarannya.

Gerak Gyroscope
Gambar dari : http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope

Perputaran gimbal (kerangka luar) tidak merubah posisi dari rotor. Prinsip inilah yang kemudian dimanfaatkan dalam intrumen pesawat terbang untuk mendeteksi gerak yaw, roll dan pitch pesawat. Instrumen yang yang memanfaatkan gyroscope adalah :
5. Attitude Indicator

Attitude indicator
Gambar dari : FAA instrument flying handbook (FAA-H-8083-15A) chapter 3

Attitude indicator (dikenal juga sebagai artificial horizon) menunjukkan attitude pesawat terhadap horizon. Atitude indicator menggunakan gyroscope yang mempunyai 2 gimbal. Sehingga mempunyai dalam dua sumbu putar yang  dapat mendeteksi gerak pesawat pitch dan roll dai pesawat.
Dengan instrument ini pilot dapat mengetahui apakah pesawat dalam kondisi level atau apakah pesawat dalam posisi nose up atau nose down.
Dalam attitude indicator terdapat simbol pesawat dalam warna kuning, setengah bagian atas menunjukkan langit (warna biru) dan setengah bagian bawah menunjukkan daratan (warna coklat). Apabila pesawat dalam posisi level terhadap horizon, maka simbol pesawat (kuning) akan sama dengan horizon (garis putih).
Penunjukkan attitude indicator terhadap posisi pesawat dapat dilihat pada gambar dibawah:

Penunjukkan attitude indicator terhadap posisi pesawat
Gambar dari : http://www.flightlearnings.com/attitude-indicator/941

6. Heading Indicator

Heading indicator
Gambar dari : FAA instrument flying handbook (FAA-H-8083-15A) chapter 3

Heading indicator menunjukkan simpangan dari arah yang dituju pesawat terhadap utara. Heading indicator menggunakan gyroscope yang mempunyai 2 gimbal. Berbeda dengan attitude indicator, sumbu putar rotor gyroscope untuk heading indicator adalah sumbu horizontal. Penunjukkan heading indicator dalam satuan derajat.
7. Turn indicator ( turn coordinator)

Turn coordinator
Gambar dari : FAA instrument flying handbook (FAA-H-8083-15A) chapter 3

Turn indicator menunjukkan arah belok (turn) dari pesawat  dan kecepatannya. Instrumen ini dapat mendeteksi gerakan pesawat dalam sumbu vertical (yaw)  juga dalam sumbu longitudinal (roll). Karena dalam penerbangan normal, pesawat yang akan membelok (turn) akan bergerak roll terlebih dahulu.
Dalam instrumen ini juga terdapat inclinometer, yang berfungsi untuk menunjukkan “kualitas” gerak belok pesawat.
Ada dua kondisi yang bisa ditunjukkan, yaitu slipping dan skidding.
Slip terjadi apabila  rate of turn is too slow for the angle of bank. Yaitu apabila gerak yaw pesawat terlalu lambat jika dibandingkan sudut gerak roll.
Skid akan terjadi apabila the rate of turn is too fast for the angle of bank. Yaitu apabila gerak yaw pesawat terlalu cepat jika dibandingkan sudut gerak roll.

Penunjukkan turn coordinator
Gambar dari : http://www.flightlearnings.com/turn-indicators/936/