Tugas Besar Mekanika Fluida Putra Natalegawa 1260314592 FT-UI Judul : F-Duct Pada Mobil Formula 1

1. ANALISA ALIRAN UDARA PADA F-DUCT SEBAGAI SALAH
SATU SISTEM TRANSFER FLUIDA MOBIL FORMULA 1
DISUSUN UNTUK MELENGKAPI TUGAS PERORANGAN MATA
KULIAH MEKANIKA FLUIDA DASAR
Disusun Oleh :
Nama : Putra Natalegawa
NPM : 1206314592
Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
2012

2. 1.1. Pendahuluan
F- Duct adalah salah satu system transfer fluida pada mobil balap F1. Sistem
ini pertama kali digunakan oleh tim balap Mc Laren. Kemudian disusul oleh tim
balap Ferrari, dan beberapa tim lain. Namun pada tahun 2011 system ini telah
dilarang karena dianggap membahayakan pengendara dan memungkinkan
merubah karakteristik aerodinamika mobil.
Sistem F-Duct ini sangat mudah dikenali dengan adanya corong berbentuk
corong berbentuk persegi pada body depan mobil. Sebetulnya itu adalah saluran
yang akan menyalurkan udara dari depan ke sayap belakang mobil.
Gambar 1.1. F-Duct Pada Mobil McLaren Mercedes
F-Duct pada tim balap McLaren dapat dikendalikan oleh pengemudi dengan
cara membuka atau menutup katup yang berada di kokpit. Di trek yang berkelok-
kelok katup dibuka sehingga angin yang menghantam sayap belakang menjadi
Lebih banyak, sehingga downforce menjadi lebih besar.
Gambar 1.2. Skema udara yang di alirkan F-Duct pada Spoiler Belakang
Ketika memasuki trek lurus maka katup ditutup sehingga sebagian udara
langsung keluar di belakang dan beban angin pada sayap belakang pun berkurang,
sehinggga Downforce yang timbul menjadi berkurang dan kecepatan mobil bisa
bertambah 5 -8 [Km/jam] di trek lurus. (http://otosport.otomotifnet.com)
Hal ini menarik untuk diperdalam, mengapa FIA (Fédération Internationale
de l'Automobile) sebuah organisasi yang menaungi balapan Formula 1, melarang
para peserta untuk menggunakan perangkat ini.

3. 1.2. Latar Belakang
Awal tahun 2010 tim Mclaren Mercedes memperkenalkan sistem transfer
fluida ini, dan diikuti oleh Team pabrikan lain seperti Renault dan Ferrari. Sistem
ini bisa dikontrol dari cockpit oleh seorang driver. Seorang driver dapat
menentukan kapan posisi F-Duct ini menutup dan dibuka, hal tersebut bergantung
pada kondisi trek balapan dan tentunya insting dari pembalap itu sendiri.
Seperti yang telah dijelaskan bahwa sistem kerja F-Duck ini
mempertimbangkan kecepatan mobil yang begitu besar. Rata-rata mobil Formula
1 memiliki Top Speed 310-325 [Km/Jam] bahkan, di tahun 2004 rata2 kecepatan
mobil F1 saat di trek adalah 315km/jam.
Namun di circuit tertentu seperti circuit Gilles-Villeneuve Kanada pernah
dicatat kecepatan maksimal mencapai 325km/jam, circuit Indianapolis top speed
nya 335 km/jam dan di sirkuit Monza Italia pada trek lurus top speed bisa
mencapai 360 km/jam. Pada tahun 2004 di Grand Prix Italia pembalap BMW
Williams F1 Antônio Pizzonia menorehkan record top speed 369.9 km/jam. Bisa
dibayangkan bahwa (http://sportscarforums.com)
Bisa dibayangkan betapa besarnya kecepatan fluida gas (udara) yang
ditabrak oleh sebuah mobil Formula 1. Dan bagaimana impact nya jika udara
tersebut tidak dialirkan dengan baik oleh bodi mobil dan beberapa ducting yang
ter-install pada mobil tersebut.
Gambar 1.3. Skema aliran udara pada mobil Formula 1
Maka dari itu, sangat perlu untuk di analisa mengapa penggunaan F-Duck
ditiadakan pada permulaan 2011. Dan sebenarnya seberapa pengaruh bahaya pada
mobil, berapa kecepatan udara yang membentur spoiler, bagaimana pemodelan
alirannya di dalam duckting, bagaimana dengan kecepatan aliran diluar ducting.
Tentunya semua elemen yang disebutkan diatas sangat berpengaruh pada mobil
formula 1. Karena satu hal dengan hal yang lain sangat berkaitan dan saling
mempengaruhi,

4. 1.3. Perumusan Masalah
Perumusan masalah dalam analisa ini antara lain :
 Berapa kecepatan udara yang dialirkan duck pada spoiler
 Berapa down force yang dihasilkan oleh aliran duck tersebut
 Analisa gaya drag pada spoiler mobil F1
1.4. Pembatasan Masalah
Batasan masalah dalam hal ini adalah :
 Aliran dari duct hanya ditinjau hingga ke spoiler
 Menggunakan asumsi pada beberapa besaran yang tidak diketahui
 Luasan aliran dianggap konstan sepanjang aliran duct
1.5. Tujuan
Adapun tujuan dari pembahasan kali ini yaitu :
 Mengetahui kecepatan udara yang di alirkan duct
 Mengetahui down force yang dihasilkan oleh aliran duck
 Menarik kesimpulan apakah keputusan pelarangan penggunan duct tepat
oleh FIA
1.6. Dasar Teori
1.6.1. External Flow
1.6.1.1. Drag
Gaya Gaya fluida bisa sangat berperngaruh bahkan tidak
sama sekali pada sebuah objek. Contohnya gaya fluida memiliki
dampak kecil pada olahraga Tolak peluru. Mungkin karena
bobot bola peluru yang sebegitu besar yang berakibat gaya –
gaya fluida tidak terlalu berpengaruh padannya. Mari
bandingkan dengan olahraga lain seperti Badminton, Berenang,
Sepeda bahkan Mobil Formula 1 sekalipun. Tentunya gaya-gaya
fluida sangat jelas menjadi perhitungan, karena bisa jadi
memiliki impact yang besar untuk performa masing-masing
olahraga tersebut.

5. Gambar 1.4. Skema aliran drag pada sebuah permukaan
Persamaan Drag dapat diberikan sebagai berikut :
FD = U2
CD A p
(Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2 Hal 157)
Dimana :
FD = Drag Force
CD = Drag Coefficient
U = Kecepatan Fluida
A = Luasan Kontak
p = Massa Jenis Fluida
1.6.1.2. Lift
Gaya Lift atau biasa disebut gaya angkat adalah gaya yang
mengangkat pesawat keatas yang terjadi karena tekanan dibawah
sayap lebih besar daripada tekanan diatas sayap.
Gaya angkat ini sebagian besar ditimbulkan pada sayap
pesawat terbang dan biasanya digunakan untuk melawan gaya
gravitasi bumi yang masih menarik pesawat tersebut ke arah
bawah.
Gaya angkat yang dalam hal ini dikhususkan pada gaya
angkat sayap dapat timbul jika suatu sayap pesawat terbang
bergerak di dalam suatu fluida yang dalam hal ini udara. Udara
yang mengalir melalui bagian atas sayap bergerak lebih cepat
daripada udara yang mengalir di bagian bawah sayap.Hal ini

6. menyebabkan tekanan yang terjadi pada bagian atas sayap lebih
rendah daripada tekanan yang terjadi di bagian bawah.
Perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua permukaan
sayap itulah yang menyebabkan sayap mengalami gaya angkat
yang arahnya dari bagian bawah sayap ke bagian atas sayap.
Gaya angkat yang terjadi pada sebuah sayap pesawat
terbang prinsipnya akan lebih besar jika sayap yang akan
digunakan untuk menimbulkan gaya angkat tersebut lebih besar
pula.
Disamping itu dari hasil penelitian, gaya angkat tersebut
dipengaruhi pula oleh sudut yang dibuat oleh penampang sayap
dan besarnya berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan fluida
yang mengalir di sekitar sayap tersebut. Secara mudahnya, gaya
angkat pesawat dapat dirumuskan sebagai berikut.
FL = U2
CL A p
(Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2 Hal 180)
Dimana :
FL = Lift Force
CL = Lift Coefficient
U = Kecepatan Fluida
A = Luasan Kontak
p = Massa Jenis Fluida
Gambar 1.5. Skema Lift Force

7. 1.6.2. Internal Flow
1.6.2.1. Aliran Turbulen
Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilkan
aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan
gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang
lain. Sehingga didapatkan Ciri dari aliran turbulen yaitu :
 Tidak Adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya
 Aliran banyak berampur
 Kecepatan fluda tinggi
 Panjang skala aliran besar
 Viskositas nya rendah
Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh
terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang
menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel
partikel cairan di seluruh penampang aliran. contoh aliran
turbulen lainnya yang mudah kita amati adalah asap rokok
yang mengalir naik keatas udara.
Gambar 1.6 Aliran Turbulen
1.6.2.2. Aliran Laminar
Aliran laminar adalah aliran partikel-partikel fluida
yang bergerak secara paralel (tidak saling memotong), atau
aliran berlapis. contohnya: aliran lambat dari cairan kental.
Perlu diingat: suatu aliran fluida (gas / cair) dapat berupa
aliran laminer atau turbulen ditentukan (dihitung)
berdasarkan angka Reynold (reynold number).
Contoh lagi: (keadaan tanpa ada angin yang berhembus
atau keadaan tenang) asap rokok yang mengalir naik keatas,
pada bagian dekat rokok berupa aliran laminer.
Gambar 1.7 Aliran Laminar

8. Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau
laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut
Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung
dengan persamaan sebagai berikut:
Re = (4 v R)/ϑ
Dimana:
Re = Angka Reynold (tanpa satuan)
V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)
ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat
cairan (ft2/s atau m2/s
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka
Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan
aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada
4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000
dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen biasa disebut
aliran transisi.
Gambar 1.8 Aliran Transisi
1.6.3. Downforce
Downforce adalah gaya dorong ke bawah yang diciptakan
oleh aerodinamika karakteristik mobil formula 1. Tujuan dari
downforce adalah untuk memungkinkan mobil untuk melakukan
perjalanan lebih cepat melalui di tikungan dengan meningkatkan
gaya vertikal pada ban, sehingga menciptakan lebih pijakan pada
grib lintasan.

9. Gambar 1.9 Downforce
Persamaan Downforce adalah :
Dimana :
D = Downforce [N]
Ws = Wingspan [m]
H = High Of Wing [m]
= Angle Of Attack [o
]
F = Lift Force
p = Density Of air [Kg/m3
]
V = Velocity [m/s]

10. 1.7. Pembahasan
1.7.1. Besar Aliran udara pada F-Duct
Kita ambil asusmsi kecepatan udara 20% nya kecepatan rata-rata
mobil yaitu :
Vudara = 310 [Km/Jam] x 20%
= 62 [Km/Jam]
Maka besarnya aliran jika kita asumsikan penampang duct :
a b
Jika penampang :
a. x1
x2
x1 = 20 [cm]
x2 = 12 [cm]
A1 = 240 [cm2
]
b. x3
x4
x1 = 10 [cm]
x2 = 8 [cm]
A2 = 80 [cm2
]

11. Kita gunakan pers. Kontinuitas :
Q1 =Q2
A1 V1 = A2 V2
0.24 .62 = 0.08 V2
Maka V2 = 186 [Km/jam] yang menghantam spoiler.
1.7.2. Besar Gaya Drag pada spoiler
Gambar 1.10 Gaya –gaya yang bekerja pada spoiler
Persamaan :
FD = U2
CD A p
Dengan Asumsi :
CdA = 7.2 [m2
]
pudara = 1.2 [Kg/m3
]
maka :
FD = 0.5 . 186 . 7.2 . 1.2
FD = 803.52 [N]

12. 1.7.3. Gaya Lifting Pada Spoiler
Persamaan :
FL = U2
CLA p
Dengan Asumsi :
CLA = 10[m2
]
pudara = 1.2 [Kg/m3
]
maka :
FL = 0.5 . 186 . 10 .1.2
FL = 1116 [N]
Gambar 1.11 Besar gaya yang bekerja pada spoiler
1.7.4. Downforce
Untuk menghitung besarnya downforce diperlukan gaya lift yang
telah di hitung sebelumnya :

13. Gambar 1.12 Ukuran tinggi, panjang dan sudut kontak spoiler
D = 0.5 .(0.9 . 0.1 . 120) 1116 . 1.2 . 1862
D = 1345.09 [KN]
Jadi beberapa besaran telah diketahui seperti :
VDuct = 186 [Km/jam]
FD = 803.52 [N]
FL = 1116 [N]
D = 1345.09 [KN]
Dari hasil diatas dapat disimpulkan bahwa penggunaan F-Duct tidak berbahaya
selama terjadi kondisi :
 Angle of attack tidak berubah secara tiba-tiba karena akan berpengaruh
pada nilai downforce.
 Posisi spoiler tidak berubah secara tiba- tiba karena akan berpengaruh
pada nilai force drag nya dan force lift nya.

14. 1.8. Kesimpulan
Dari bahasan diatas kita bisa simpulkan bahwa :
 Angle of attack tidak berubah secara tiba-tiba karena akan berpengaruh
pada nilai downforce.
 Posisi spoiler tidak berubah secara tiba- tiba karena akan berpengaruh
pada nilai force drag nya dan force lift nya.
1.9. Daftar Pustaka
 http://otosport.otomotifnet.com
 http://www.racecar-engineering.com
 Bruce R Munson, Mekanika Fluida Jilid 2