2. Layang-layang

Perhatikan gambar - gambar berikut !

Pernahkah kamu bermain layang - layang? Jenis layang - layang mana yang pernah kamu mainkan? 

Saat layang - layang terbang Anda merasakan adanya tarikan dari layang - layang tersebut. Bahkan jika layang - layangnya berukuran besar, orang yang bermain ikut terangkat. Mengapa demikian? silahkan menyimak penjelasan berikut

Pergerakan layang-layang di udara adalah hasil dari gaya yang diterapkan pada layang-layang. Layang-layang merespons gaya-gaya ini sesuai dengan hukum gerak Newton.

Layang-layang mengalami gaya angkat, yang tercipta ketika layang-layang membelokkan udara (angin) yang bergerak ke bawah. Hukum Newton mengatakan bahwa perubahan momentum angin ini menghasilkan gaya ke atas pada layang-layang. Hal ini seperti bola tenis yang mengerahkan gaya pada dinding saat memantul dari dinding dan mengubah arahnya. Angin diarahkan oleh layang-layang sehingga memberikan daya angkat pada layang-layang. 

Selain itu, udara yang bergerak di atas layang-layang bergerak lebih cepat daripada udara di bawahnya, sehingga menciptakan perbedaan tekanan. Udara yang bergerak cepat menciptakan lebih sedikit tekanan di atas layang-layang, sehingga layang-layang dipaksa atau terangkat ke atas. Karena layang-layang diikatkan pada tali, penerbang layang - layang bisa merasakan gaya yang menarik tali 

Terdapat 4 gaya yang menyebabkan benda terbang. Gaya - gaya ini mempengaruhi baik layang - layang, pesawat, apapun yang bisa terbang. Empat gaya ini yaitu :

1. Gaya angkat (lift)

Gaya angkat adalah gaya dengan arah ke atas (tegak lurus dengan arah alirah fluida yang datang) yang mendorong layang - layang ke udara. Gaya angkat dihasilkan oleh perbedaan tekanan udara, yang berasal dari udara yang bergerak di atas  layang-layang.  Layang-layang dibentuk dan dimiringkan sedemikian rupa sehingga udara yang bergerak di atas layang - layang bergerak lebih cepat daripada udara yang bergerak di bagian bawah layang - layang.

Daniel Bernoulli (ahli matematika dari Swiss abad ke-18) menemukan bahwa tekanan fluida (contohnya udara) berkurang ketika fluida tersebut bertambah cepat.  Karena kecepatan udara di atas layang-layang lebih besar daripada kecepatan udara di bawahnya, maka tekanan di atas akan lebih kecil daripada tekanan di bawahnya dan layang-layang akan terdorong ke udara dan terangkat.  

2. Gaya berat (weight)

Gaya berat adalah gaya dengan arah ke pusat bumi yang dihasilkan oleh tarikan gravitasi bumi pada layang-layang.  

3. Gaya dorong (thrust)

Gaya dorong adalah gaya ke depan yang mendorong layang-layang ke arah gerak.  Misalnya pada pesawat terbang menghasilkan daya dorong dengan mesinnya. Sedangkan layang-layang harus bergantung pada tegangan tali dan udara bergerak yang ditimbulkan oleh angin atau gerakan maju penerbang layang-layang untuk menghasilkan daya dorong.

4. Gaya hambat (drag)

Gaya hambat adalah gaya yang berlawanan arah dengan gaya dorong. Gaya hambat disebabkan oleh dua hal yaitu : 

a. Perbedaan tekanan udara antara bagian depan dengan belakang layang-layang 

b. Gesekan udara yang bergerak di atas permukaan layang-layang.  

Untuk meluncurkan layang-layang ke udara, gaya angkat harus lebih besar dari gaya berat.  Supaya layang-layang tetap terbang dengan stabil, keempat gaya tersebut harus seimbang.  Gaya angkat harus sama dengan gaya berat dan gaya dorong harus sama dengan gaya hambat.

Setelah kita memahami bagaimana proses layang - layang dapat terbang,  ternyata layang-layang bisa dianalisis secara fisika.

Mari kita analisis tentang angin pada layang - layang. 

Pertama kita asumsikan partikel - partikel yang menumbuk sebuah tembok. Seperti yang kita ketahui pada teori kinetik gas, udara terdiri dari banyak partikel.

Dapat dilihat pada diagram benda bebas pada layang - layang simbol F mewakilkan gaya aerodinamis yang bekerja pada layang - layang. Gaya aerodinamis terbagi menjadi dua yaitu gaya angkat (lift force) FL  yang tegak lurus terhadap angin dan gaya hambat (drag force)  FD yang searah dengan arah angin.  WLL  sebagai gaya berat layang - layang.

FL = Gaya angkat ( N )

CL = Koefisien angkat (0.8)

A  = Luas layang-layang ( m2 )

ρ = Massa jenis udara ( 1.2 kg/m2 )

v = Kecepatan angin ( m/s2) 

Hal ini terkait dengan fakta bahwa setiap benda bermassa selalu mempunyai kecenderungan untuk menempati posisi dan energi potensial yang minim. Fakta ini dikenal sebagai prinsip variasi contohnya energi potensial pada benang layang-layang yang melengkung merupakan salah satu akibat dari berlakunya prinsip ini, yakni selemah energi dari benang selalu ‘berusaha’ menempati posisi paling rendah. Termasuk bagian infinitesimal seperti pada gambar berikut,  

Kendala: Panjang Tali Konstan

Masalah variasi dan kendala ini

V = Energi potensial

λ = Pengali lagrange

L = Kendala (konstrain)

Dari persamaan (2.3)

Penulisan (x) dapat kita hapus, maka

karena 𝑑𝑥 nilainya sangat kecil , maka 𝑑𝑥2 ≈ 0, bisa dianggap 0, lalu

Persamaan (2.6) disubstitusikan ke persamaan (2.7), menjadi persamaan (2.8)

Dari membandingkan persamaan ini dengan persamaan (2.1) diperoleh bahwa

Dari persamaan (2.8)

Ketika x = 0 maka y = 0 maka y' = tan θ0 

Jadi, persamaan yang penting yaitu

Persamaan gaya hambat (drag) yaitu