Senin, 30 September 2013

Referat: Mengapa Sebuah Mimis Dapat Stabil Meluncur?

Sewaktu saya memulai hobi senapan angin saya, timbul suatu pertanyaan. Kenapa bentuk mimis senapan angin tidak bulat sempurna atau berbentuk lonjong layaknya peluru senapan api? Bahkan sebelum saya mengenal senapan angin, saya sudah melihat gambaran mimis senapan angin ini pada gambaran foto rontgen seorang korban senapan angin dan saat itu saya terheran-heran dengan bentuk benda ini.

Sebuah mimis senapan angin pada umumnya dirancang sebagai dua buah struktur yang digabungkan menjadi satu. Struktur pertama adalah rok (skirt) dan struktur kedua adalah kepala (head). Alih-alih kedua struktur ini disatukan dalam suatu silinder yang lurus, mereka malah disatukan dengan bentuk silinder bikonkaf dan dinamakan pinggang (waist). Bentuk ini dinamakan "diabolo" atau dua bola.


Mengapa produsen mimis merepotkan diri dengan menciptakan struktur serumit ini?

diabolo pellet
Gambar 1. Ilustrasi Desain Diabolo suatu Mimis Senapan Angin. Diambil dari:
http://www.pyramydair.com/article/It_s_only_a_pellet_Why_airguns_are_so_different_from_firearms_October_2009/71

Bagian rok mimis dirancang selayaknya sebuah klep penahan udara. Klep ini akan terbentuk sempurna saat rok mimis mengembang pada laras saat mimis didorong masuk ke dalam laras dan saat udara bertekanan memaksa dinding rok membentuk cetakan bentuk bagian dalam laras. Klep yang terbentuk ini akan menahan udara yang berekspansi cepat (pada senapan pneumatik) atau udara yang mendesak cepat (pada senapan springer) sehingga tekanan yang dialaminya menggerakan mimis ke arah ujung laras. Untuk keperluan ini maka diameter rok biasanya lebih lebar daripada diameter kepala mimis.
Bagian kepala adalah konsentrasi massa atau berat dari sebuah mimis. Tidak seperti bagian rok yang berongga (hollow), bagian kepala dibentuk lebih solid. Bahkan untuk desain hidung kepala berbentuk hollow point sekalipun, konsentrasi berat mimis masih lebih condong ke arah kepala. Hal ini penting karena titik berat yang berada di depan akan memberikan stabilitas arah saat meluncur. Seperti shuttlecock badminton yang dipukul dari arah manapun pada akhirnya akan mendarat dengan kepala terlebih dahulu.
Pinggang mimis dirancang sebagaimana saat ini untuk memberikan hambatan udara (aerodynamic drag). Hambatan ini akan memberikan stabilitas juga pada arah terbang mimis. Hal ini dinamakan fitur kestabilan mimis yang kedua. Kombinasi fitur mimis ini sendiri membuat desain mimis diabolo secara alamiah stabil. Bahkan pada laras yang tidak beralur (smooth bore), mimis akan terbang dengan stabil. Pinggang mimis sendiri memiliki fungsi lain yaitu untuk membatasi kecepatan. Mimis sendiri dirancang untuk meluncur di bawah kecepatan suara (di permukaan laut kecepatan suara sekitar 1096 fps). Memasuki area kecepatan suara (transonik, sekitar 900 fps) atau di atas kecepatan suara (ultrasonik), maka akan menyebabkan gangguan stabilitas. Dikatakan bahwa pada area transonik, mimis akan mengalami guncangan (tumbling), di mana mimis tidak akan bergerak lurus sepanjang sumbu malahan hidung mimis akan berputar-putar.
Pinggang mimis yang menyempit sebenarnya menciptakan aliran udara turbulen di sekelilingnya dan menyebabkan bantalan udara (air cushion) untuk aliran udara laminar di sekelilingnya. Ekor dari mimis yang dibentuk dari mimis ini yang akan menyebabkan hambatan aerodinamik (aerodynamic drag)  kedua yang memperlambat kecepatan mimis. Drag ini semakin dialami bila ekor mimis semakin panjang.

Pellet Drag
Gambar 2. Gambaran Mimis pada Uji Terowongan Angin. Di sini menunjukkan aliran udara yang sempurna pada mimis yang tidak ditembakkan. Pada kenyataannya mimis yang ditembakkan akan memiliki deformitas akibat kontak dengan bagian dalam laras dan cenderung akan mengalami guncangan. Sehingga akhirnya pada ekor mimis akan terdapat peningkatan hambatan udara. Diambil dari: http://www.airgun.co.uk/Airgun_Accurracy.html


Bila mimis diabolo dikatakan secara alamiah stabil, mengapa kita memerlukan laras beralur?
Permasalahannya adalah suatu mimis tidak pernah benar-benar dibuat dengan seragam. Dikatakan mimis sendiri memiliki ketidakstabilan yang disebabkan karena titik berat mimis tidak benar-benar berada di sumbu panjangnya. Bayangkan bahwa bahan pembuat mimis dibuat dengan cara melelehkan bahan campuran logam lalu mendinginkannya. Proses ini menyebabkan timbulnya konsentrasi bahan yang tidak merata dan bahkan gelembung udara mikro pada bahan baku mimis. Belum lagi permasalahan aerodinamika akibat cacat produksi bahkan deformitas saat mimis dimasukkan dan meluncur meninggalkan laras. Laras sendiri juga akan menyebabkan gangguan aerodinamika yang menyebabkan timbulnya drag pada mimis. Akibatnya setelah mimis meninggalkan laras, mimis akan berguncang tidak beraturan (wobbling/tumbling). Untuk mengatasi hal ini, pemberian gaya rotasi pada mimis akan memberi kestabilan secara statik dan dinamik.


Gambar 3. Pengaruh Guncangan terhadap Kestabilan Terbang Mimis. Diambil dari: http://www.pyramydair.com/blog/2009/07/do-pellets-spiral.html

Laras beralur pertama kali digunakan pada senjata api. Karena profil proyektil  yang digunakan jenis senjata ini tidak memiliki fitur kestabilan yang secara alamiah terdapat pada mimis senapan angin, maka laras beralur akan memberi manfaat terbesar pada proyektil senjata api.
Alur (rifling) dari senapan sendiri berfungsi menciptakan putaran pada proyektil yang melewati dan meninggalkan laras. Dikatakan bahwa efek putaran pada proyektil akan memberikan kestabilan statik yang pada akhirnya akan meningkatkan akurasi. Bayangkan sebuah gasing yang berputar! Pada kecepatan tertentu putaran ini akan menyebabkan gasing dapat berdiri tegak dan gasing ini tidak akan jatuh selama kecepatan rotasinya cukup.
Lalu bayangkan juga tabung pengering mesin cuci! Pada saat kita memasukkan pakaian basah dan menyusunnya secara tidak proporsional (cukup simetris beratnya), kita akan mendengar suara gaduh yang timbul karena tabung pengering berguncang menghantam dinding mesin cuci.  Bila simetri berat ini tidak begitu berat, maka seiring dengan bertambahnya kecepatan suara gaduh ini akan hilang. Namun bila asimetri yang dialami tabung sangat besar, semakin bertambahnya putaran mesin malah akan menambah berat suara gaduh yang dihasilkan. Pada proyektil yang terbang meninggalkan laras fenomena ini dinamakan precession yang disebabkan gerakan yawing. Pada proyektil, sudut gerakan precession yang semakin mengecil seiring dengan jarak yang ditempuh, dikatakan proyektil tersebut stabil secara dinamik.

Gambar 4. Gerakan Precession pada Sebuah Gyroscope.

Yawing motion of an armor-piercing bullet
Gambar 5. Gambar Gerakan Yawing Peluru yang Secara Dinamik Stabil . Diambil dari: http://www.nennstiel-ruprecht.de/bullfly/fig18.htm

Pada intinya suatu proyektil dapat dibuat stabil baik secara statik maupun dinamik dengan memberikan kecepatan rotasi yang cukup.
Kecepatan rotasi proyektil ditentukan oleh (1) twist rate (berapa jarak dalam inchi (X) untuk satu putaran, dinyatakan dengan 1:X. Misalnya 1:16, 1:20, atau 1:22) dan ditentukan juga oleh (2) kecepatan proyektil. Sebagai contoh kasus: sebuah laras dengan twist rate 1:16 yang artinya berputar 1 kali setiap 16" (atau setiap 1.33 feet) dan mimis yang memiliki kecepatan 700 fps (feet per second) berarti kita akan mendapatkan putaran mimis sebesar 525 putaran per detik atau 31,509 rpm (rotasi per menit). Dan bila kecepatan linier mimis menjadi 800 fps, maka didapatkan kecepatan rotasi mimis menjadi 36,009 rpm.
Kecepatan sebuah mimis sendiri tidak pernah tetap selama mimis itu terbang. Sesaat setelah mimis meninggalkan laras, kecepatan mimis itu langsung mengalami perlambatan atau deselerasi. Tingkat perlambatan mimis ini disebut juga sebagai ballistic coefficient (BC). Dikatakan bahwa proyektil dengan nilai BC yang semakin besar, maka proyektil akan semakin aerodinamis. BC ini sangat ditentukan oleh desain kepala dan hidung mimis di mana profil hidung mimis yang rata (wadcutter) akan menyebabkan kehilangan kecepatan yang lebih cepat. Dikatakan juga bahwa semakin kecil nilai BC maka suatu proyektil akan semakin mudah dibelokkan angin.

File:Effect of BC on Wind Drift.jpg
Gambar 6. Grafik Hubungan nilai BC dengan Pergeseran Akibat Kecepatan Angin. Diambil dari: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Effect_of_BC_on_Wind_Drift.jpg

Dikatakan bahwa mimis dengan profil hidung wadcutter memiliki akurasi terbaik di bawah 20 meter. Sedangkan profil hidung dome dapat melampaui jarak 20 meter. Hal ini berhubungan dengan BC dan kecepatan rotasi yang dialaminya.
Bagaimana kecepatan putaran dan pengaruhnya pada akurasi telah ada yang mengujinya. Ada data spesifik pada senapan angin yang menarik yang saya ambil dari blog milik Tom Gaylord. Pada pengujian ini beliau menggunakan senapan yang sama (Airforce Talon SS) dengan 3 laras yang berbeda twist rate-nya (1:12, 1:16 dan 1:22). Pada dua mimis yang digunakan, semuanya menunjukkan trend peningkatan akurasi dengan kecepatan rotasi yang meningkat.

07-24-13-01-Velocity-table
Gambar 7. Pengaruh Twist Rate terhadap Kecepatan. Semakin cepat putaran mimis (ditunjukkan dengan semakin kecil twist rate) menyebabkan kecepatan linier sebuah mimis semakin kecil. Diambil dari: http://www.pyramydair.com/blog/2013/07/how-does-rifling-twist-rate-affect-velocity-andor-accuracy-part-13/
Accuracy table final
Gambar 8. Pengaruh Twist Rate terhadap Akurasi Mimis. Semakin cepat putaran mimis pada tingkat tertentu akan meningkatkan akurasi sebuah mimis terutama pada jarak yang jauh. Diambil dari: http://www.pyramydair.com/blog/2013/07/how-does-rifling-twist-rate-affect-velocity-andor-accuracy-part-13/



Simpulan
Mimis senapan angin dikatakan secara alamiah stabil  karena desainnya yang berbentuk diabolo.
Pemberian gaya rotasi pada mimis dapat membantu kestabilannya terutama yang berkaitan akibat gangguan aerodinamis yang dialami mimis dan pada jarak yang tembak yang jauh.
Kecepatan rotasi dipengaruhi oleh twist rate laras dan kecepatan mimis.

Pranala Luar

Posting Komentar