Uçaklar ve uçak modelciliği ile ilgilenen birinin, öncelikle bir uçağın nasıl uçtuğunu bilmesi gerekir değil mi? "Evet okulda öğretmişlerdi, uçağın kanadının üstü eğimlidir, altı düzdür, üstten geçen hava daha hızlı akar, altta yüksek basınç oluşur, bu da uçağa gerekli kaldırma kuvvetini kazandırır." diyorsanız, size de, bana da okulda yanlış öğrettiler, hala da yanlış öğretmeye devam ediyorlar! Neyse, tüm bildiklerinizi unutun, en baştan başlayalım;
Aerodinamik Kuvvetler:
Bir uçağın üzerinde dört temel aerodinamik kuvvet rol oynar;
1-Lift: Kaldırma kuvveti
2-Thrust: İtme kuvveti
3-Gravity: Yer çekimi kuvveti
4-Drag: Direnç - Sürükleme kuvveti
Bu dört kuvvetten kaldırma ve itme kuvvetleri uçağın uçması, yer çekimi ve sürükleme kuvvetleri uçmaması için çabalar. Bu nedenle de bir uçağın sabit bir hızla ve sabit bir irtifada uçabilmesi için aşağıdaki her iki denklemin sağlanması gerekir;
İtme kuvveti = Sürükleme kuvveti
Kaldırma kuvveti = Yer çekimi kuvveti
Thrust: İtme Kuvveti
Bir uçağın uçabilmesi için gereken itme kuvveti, karşı kuvvet olan havanın sürtünme direncini aşabilmek amacıyla uçağın pervaneleri ya da jet motoru ile sağlanır. İtme kuvvetinin, kaldırma kuvveti ile direkt bir ilişkisi vardır. Buna daha ileride değineceğiz.
Drag: Direnç - Sürükleme kuvveti
Bir uçağın üzerinde, tıpkı hareket halindeki bir otomobilden elinizi uzattığınızda elinizde hissettiğiniz direnç gibi, havanın sürtünme kuvvetinin uyguladığı direnç vardır. Havanın sürtünme direnci, hızın karesi ile orantılıdır. Bu nedenle de bir uçağın hızı arttıkça, üzerindeki sürtünme kuvveti katlanarak artar. Uçağın, havanın sürtünme direncine maruz kalan parçalarının neden olduğu sürükleme kuvvetine parasitic drag adı verilir. Bir uçağın üzerine ayrıca kanatlarının sahip olduğu hücum açısından dolayı oluşan sürükleme kuvveti etki eder. Buna da induced drag adı verilir. Hücum açısı arttıkça, uçağın maruz kaldığı induced drag de artar. Hücum açısına yazının ilerleyen bölümlerinde değineceğim.
Gravity: Yer çekimi kuvveti
Hava dahil, dünyadaki herşeyin yer çekiminden kaynaklanan bir ağırlığı vardır. Uçurduğumuz model uçakların ağırlıkları sadece birkaç kilogram iken, bir Boeing 747'nin uçuş ağırlığı 435 ton'a kadar çıkabilir.
Lift: Kaldırma kuvveti
Uçağı havada tutan ve açıklanması en zor olan kuvvettir. Yazının başında uçakların nasıl olup da uçabildiğinin yanlış öğretildiğini yazmıştık. Doğrudur, aerodinamik son derece karmaşık ve fizikçilerin bile hala üzerinde anlaşamadığı birçok fenomenle dolu bir konudur.
Burada ilginç bir örnek verelim;
ABD'de 1940 yılında yapılan Tacoma Narrows köprüsü, rüzgar tüneli modellemeleri ile çok şiddetli rüzgarlara dayanacak bir aerodinamik yapıda ve en güncel teknolojilerle (İstanbul'daki Boğaziçi Köprüsü ile aynı teknikle) inşa edildikten sadece dört ay sonra ve sadece 64 km/saat hızla esen bir rüzgarın yol açtığı 'aeroelastic flutter' adı verilen bir fenomenle yerle bir olmuştur. Rüzgar kat ve kat şiddetli olsaydı dahi Tacoma Bridge ayakta kalacaktı ancak, rüzgarın şiddeti o gün tam olarak köprünün yapısal titreşimi ile örtüşecek hızda esiyordu ve köprü rezonansa girerek yıkıldı. Olayda sadece köprüdeki otomobilde bırakılan bir köpek hayatını kaybetti.
Bernoulli Prensibi
Uçakların nasıl uçtukları ile ilgili birçok kaynakta, örneğin başka havacılık sitelerindeki temel aerodinamik açıklamalarında da rastlamış olabilirsiniz, klasik ve en yaygın öğreti, bir uçağın kanatlarındaki kaldırma kuvvetini, yani uçakların nasıl uçabildiğini, çoğunlukla Bernoulli Prensibi ile açıklar. Okullarda bile, belki de kolay anlaşılır olduğu için, uçuş bu presip ile öğretilmektedir.
Hava, su ve diğer sıvılar gibi akışkan bir maddedir. Bernoulli'ye göre akışkanlar, bir engeli aşarken engelin kısa bölümü ile uzun bölümünü aynı sürede katederler. Burada akışkan sabitken, engel hareket halinde olabilir, veya tam tersi engel sabitken akışkan hareket ediyor olabilir. Ve yine Bernoulli Prensibi'ne göre, akışkanların hızı arttıkça, basınç düşer.
İşte burada o her yerde, hatta ansiklopedilerde bile rastlayacağınız kaldırma kuvveti açıklaması ortaya çıkar;
Bernoulli Prensibi'ne göre göre yarım su damlası şeklinde olan uçak kanadı hızla havanın içerisinden geçerken, kanadın üstünden uzun yolu kateden hava molekülleri ile, altından, yani kısa yoldan gelen hava molekülleri, kanadın arkasına aynı anda ulaşır. Buna "eşit transit süresi prensibi" denir. Aynı anda ulaştıklarına göre uzun yoldan gelenler, hızlı gelmiştir. Hızlı geldilerse yukarıda basınç düşmüştür. Evreka! Uçağın kanadının altındaki yüksek basınç, uçağı yukarı itmekte, yani uçağın yerden havalanmak için ihtiyacı olan kaldırma kuvvetini yaratmaktadır.
Mı acaba? Bu açıklama tamamen yanlış olmamakla beraber, doğru da değildir.
Bernoulli Prensibi'ne göre uçak kanadının başında yan yana olup da, biri yukarıdan, biri aşağıdan giden moleküller, kanadın sonunda yeniden birleşiyordu. Bu tez yanlıştır, evet üstten gelenler hızlı gelmektedir fakat o iki molekülün birbirinden haberleri bile yoktur, yukarıdan gelenler çok daha önce kanadın sonuna varmaktadır.
Bu prensibe göre basınç farkından dolayı bir miktar kaldırma kuvveti oluştuğu doğrudur, fakat hesaplamalar yapıldığında küçük bir uçağın bile Bernoulli Prensibi ile yerden havalanabilmesi için, sağdaki çizimde göreceğiniz gibi kanadın üstünün, altına göre %50 daha uzun olması gerektiği ortaya çıkar. Siz hiç böyle bir uçak kanadı gördünüz mü? Oysa tipik bir küçük uçağın kanadının üstü, altına oranla sadece %1.5-%2.5 daha uzundur.
Daha iyi anlamak için gerçek hayattan bir örnek verelim. Yukarıda geçen küçük uçak terimine uygun olan ve aşağıdaki fotoğrafta göreceğiniz uçak bir Cessna 172'dir.
Eğer uçaklar Bernoulli Prensibine göre uçuyor olsaydı, Cessna 172'nin sahip olduğu kanatlarla yerden teker kesebilmesi için 643 km/saat hıza ulaşması gerekirdi. Oysa Cessna 172'nin maksimum hızı bile sadece 228 km/saat'tir.
Dahası, Bernoulli Prensibi bize kaldırma kuvvetini mecburen yarım su damlası şeklinde kanatlarla anlatılır. Ama biz biliyoruz ki, örneğin akrobasi uçaklarının kanadı simetriktir. O uçaklar nasıl uçmaktadır? Kanadı yarım su damlası şeklinde olan bir uçak, nasıl olup da ters (inverted) uçabilmektedir? Uzaydan dönen bir uzay mekiği, atmosfere girdikten sonra neden taş gibi düşmemekte, cüssesine oranla çok küçük olan kanatları ile nasıl olup da ineceği piste varabilmektedir?
Demek ki Bernoulli Prensibi bize uçakların nasıl uçtuğunu tek başına açıklayamıyor ve yanlışlarla dolu. Bernoulli'ye şimdilik elveda.
Fiziksel Kaldırma Kuvveti Açıklaması
Şimdi hep birlikte lise yıllarımıza geri dönüyoruz ve öncelikle Newton'un hareket kanunlarını basitçe hatırlıyoruz;
1-Sabit hareket halindeki (durağan veya sabit hızlı) bir cisim, üzerine dış bir kuvvet etki etmedikçe, hareket durumunu korur.
2-Bir cismin üzerindeki net kuvvet (F), cismin kütlesi (m) ile ivmesinin (a) çarpımına eşittir (F=ma).
3-Her etkinin, eşit ve zıt bir tepkisi vardır.
Yukarıda havanın mavi ve kırmızı çizgilerle gösterildiği, Bernoulli Prensibi'nin o klasik çizimini hatırlayın. Hava kanadı terkettikten sonra, tıpkı geldiği gibi gidiyor, yani hareket durumunu koruyordu. Bu durumda Newton'un birinci kanununa göre havanın üzerine net bir kuvvet etki etmemiş olmalı değil mi?. Bu doğru olamayacağına göre o meşhur çizim yanlıştır, doğru çizim aşağıdaki gibi olmalıdır;
Downwash
Newton'un üçüncü kanununa göre her etkinin eşit ve zıt bir tepkisi vardır. Bunu şöyle açıklarsak daha iyi anlaşılır; Silahlar bu nedenle geri teper. Merminin namludan ileri fırlaması etki, silahın geri tepmesi tepkidir. Newton'a göre bir kanat, havaya öyle bir etki yapmalıdır ki, tepki olarak kaldırma kuvveti ortaya çıksın. Tepki zıt yönlü olacağına göre, yukarı yönlü olan kaldırma kuvvetini yaratacak etkinin aşağı yönlü olması gerekir.
Yukarıdaki çizime bakın, kanat havayı eğiyor ve hava aşağı yönlü hareket ediyor. Evet, kanatlar çok büyük miktarlarda havayı eğerek aşağıya yönlendirir. Bu da büyük miktarda kaldırma kuvveti yaratır. Newton'un ikinci kanununa (F=ma) göre, Downwash ile elde edilen kaldırma kuvveti, [aşağıya yönlendirilen hava miktarı x yönlendirilen havanın dikey hızı] kadardır.
Downwash ve bulutlara etkisi
Peki, hava neden eğiliyor?
İşte zurnanın zırt dediği yer burası. Böyle diyorum çünkü ister inanın, ister inanmayın, bilim insanları arasında bu konudaki tartışma hala sürüyor. Biz öne çıkan iki teoriyi açıklayalım;
1. Coanda Etkisi
Hava ve su gibi akışkanların viskozitesi vardır ve eğimli cisimlerle temas ettiklerinde, cismin yüzeyini takip etmeye meğillidirler. Bir bardağı çeşmenin altında yan çevirin ve suyu biraz açarak suya dokundurun. Suyun büyük bölümü dümdüz akmak yerine bardağın eğimini takip ederek üstünüzü ıslatacaktır. Bu duruma Coanda Etkisi deniyor.
Bunu bir bardakla değil de, kaşıkla denerseniz kaşığın üzerindeki kuvvetleri de net bir şekilde görme şansınız olur. Kaşığı iki parmağınızla sapından hafifçe tutun, kaşığın dışbükey tarafını suya dokundurduğunuzda, su kaşığın eğimini takip ederek eğilip kaşığın yönüne giderken (etki), kaşık da ters yöne gitmeye çalışacaktır (tepki).
İşte adını ilk jet motorlu uçağı da yapmış olan Romen aerodinamikçi Henri Marie Coandă'dan alan bu teoriye göre, havanın viskozitesi düşük olmasına rağmen, içerisinden geçen kanadın eğimini takip ederek eğilir. Bu sayede üstü eğimli bir kanat hızla havanın içinden geçerken, kanadın üstünde eğilen havanın basınçı düşer ve düşen basınç ile çok büyük miktarda hava ivmelenerek aşağıya yönlenir. Buraya dikkat! hava hızlandığı için basınç düşmemekte, basınç düştüğü için hava hızlanmaktadır.
Fakat burada bir problem var. Ahır kapısı (barn door) adı verilen bir kanat tipi vardır ki bu kanatlar gerçekten bir ahır kapısı gibi dümdüzdür.
Sağdaki rüzgar tüneli modellemesinde de göreceğiniz gibi bal gibi de kaldırma kuvveti yaratan bu dümdüz kanatlarda Coanda Etkisi'nden bahsetmek mümkün olamayacağına göre, işin içinde başka etkiler daha olmalı değil mi?.
2. Circulation
Kanadın havayı nasıl eğdiğini öğrenmeye çalışırken karşımıza Rus havacılığının babası sayılan Nikolai Zhukovsky ve onun Circulation Teorisi çıkıyor.
Bu teori Magnus Effect fenomenine dayanır. Bu fenomene göre dönerek uçmakta olan cisimler akışkanların içinden geçerken kendi çevrelerinde bir anafor yaratır ve cismin hareket yönüne dik, fakat dönüş yönüne zıt yönlü bir güç ortaya çıkar.
Böyle söyleyince karmaşık oldu değil mi? O zaman özellikle erkeklerin iyi anlayacağı bir dille anlatayım;
Futbolcular serbest vuruşta kale ile aralarına kurulan barajı aşmak için topa kavis verirler ya, işte o olayın fiziksel teorisi Magnus Effect'dir. Futbolcu kalenin sağına nişan alıp, topun sol kenarına vurarak topu havalandırırsa, havada kendi ekseni etrafında soldan sağa dönerek uçan top hareket yönüne dik fakat dönüş yönüne zıt, yani sol yönlü bir kuvvet ile yön değiştirir, barajı aşar, kaleci de gününde değilse gol olur.
Şimdi şu çizimi tekrar gösterelim;
[attachimg=5]
İşte kanadın önünde oluşan upwash, arkasında oluşan downwash ve kanat havanın içinden geçtikten sonra oluşan anaforları gözlemleyen Zhukovsky, Circulation Teorisi'nde havanın içinden hızla geçen herhangi bir cismin de, cismin etrafında dönen bir anafor yaratmaya çalıştığını ortaya koyuyor. Elbette kanat hızla geçip gittiği için hava kanadın etrafında dönmüyor fakat sonuç olarak kanadın arkasındaki hava aşağıya doğru bükülüyor ve anaforlar kanat geçip gittikten sonra oluşuyor.
Bu teorisini bir de Circulation ile kaldırma kuvvetini hesaplamakta kullanılacak matematik formülü ile birleştiren Nikolai Zhukovsky, bize gerçekten de bir ahır kapısı kanat ile oluşan kaldırma kuvvetini, makul bir düzeltme payı ile doğru olarak hesaplayabiliyor. Bazı fizikçiler ise modern aerodinamik tasarımında sıkça kullanılan bu teorinin fiziksel ispata muhtaç olduğunu söylüyorlar, o ayrı mesele. Circulation teorisinde göze batan temel sorun şu;
Teori "eğer kaldırma kuvveti varsa, circulation da olmalıdır" diyor. Oysa bazı deneylerde 16 derecelik hücum açısına kadar lineer olarak artan bir kaldırma kuvveti varken, circulation'ın 10 derecelik hücum açısından sonra efektif olarak oluştuğu görülmüş. Yani kaldırma kuvveti var ama circulation yok. Buyrun buradan yakın!
Bana sorarsanız Coanda Etkisi ve Circulation teorilerinin her ikisi de mantıklı, her ikisi de işin içinde. Düşük bir katkıyla da olsa Bernoulli Prensibi'nin de toplam kaldırma kuvveti içerisinde yeri var. Özetle, kaldırma kuvveti, birçok etkenin bir bileşkesi. Hatta belki henüz bilmediğimiz başka faktörler de kaldırma kuvveti oluşumunda rol oynuyor ve bu nedenle gelecekte yeni lift teorileri duyarsak şaşırmamalıyız.
Aerodinamik Kuvvetler:
Bir uçağın üzerinde dört temel aerodinamik kuvvet rol oynar;
You must be registered for see images attach
1-Lift: Kaldırma kuvveti
2-Thrust: İtme kuvveti
3-Gravity: Yer çekimi kuvveti
4-Drag: Direnç - Sürükleme kuvveti
Bu dört kuvvetten kaldırma ve itme kuvvetleri uçağın uçması, yer çekimi ve sürükleme kuvvetleri uçmaması için çabalar. Bu nedenle de bir uçağın sabit bir hızla ve sabit bir irtifada uçabilmesi için aşağıdaki her iki denklemin sağlanması gerekir;
İtme kuvveti = Sürükleme kuvveti
Kaldırma kuvveti = Yer çekimi kuvveti
Thrust: İtme Kuvveti
Bir uçağın uçabilmesi için gereken itme kuvveti, karşı kuvvet olan havanın sürtünme direncini aşabilmek amacıyla uçağın pervaneleri ya da jet motoru ile sağlanır. İtme kuvvetinin, kaldırma kuvveti ile direkt bir ilişkisi vardır. Buna daha ileride değineceğiz.
Drag: Direnç - Sürükleme kuvveti
Bir uçağın üzerinde, tıpkı hareket halindeki bir otomobilden elinizi uzattığınızda elinizde hissettiğiniz direnç gibi, havanın sürtünme kuvvetinin uyguladığı direnç vardır. Havanın sürtünme direnci, hızın karesi ile orantılıdır. Bu nedenle de bir uçağın hızı arttıkça, üzerindeki sürtünme kuvveti katlanarak artar. Uçağın, havanın sürtünme direncine maruz kalan parçalarının neden olduğu sürükleme kuvvetine parasitic drag adı verilir. Bir uçağın üzerine ayrıca kanatlarının sahip olduğu hücum açısından dolayı oluşan sürükleme kuvveti etki eder. Buna da induced drag adı verilir. Hücum açısı arttıkça, uçağın maruz kaldığı induced drag de artar. Hücum açısına yazının ilerleyen bölümlerinde değineceğim.
Gravity: Yer çekimi kuvveti
Hava dahil, dünyadaki herşeyin yer çekiminden kaynaklanan bir ağırlığı vardır. Uçurduğumuz model uçakların ağırlıkları sadece birkaç kilogram iken, bir Boeing 747'nin uçuş ağırlığı 435 ton'a kadar çıkabilir.
Lift: Kaldırma kuvveti
Uçağı havada tutan ve açıklanması en zor olan kuvvettir. Yazının başında uçakların nasıl olup da uçabildiğinin yanlış öğretildiğini yazmıştık. Doğrudur, aerodinamik son derece karmaşık ve fizikçilerin bile hala üzerinde anlaşamadığı birçok fenomenle dolu bir konudur.
Burada ilginç bir örnek verelim;
ABD'de 1940 yılında yapılan Tacoma Narrows köprüsü, rüzgar tüneli modellemeleri ile çok şiddetli rüzgarlara dayanacak bir aerodinamik yapıda ve en güncel teknolojilerle (İstanbul'daki Boğaziçi Köprüsü ile aynı teknikle) inşa edildikten sadece dört ay sonra ve sadece 64 km/saat hızla esen bir rüzgarın yol açtığı 'aeroelastic flutter' adı verilen bir fenomenle yerle bir olmuştur. Rüzgar kat ve kat şiddetli olsaydı dahi Tacoma Bridge ayakta kalacaktı ancak, rüzgarın şiddeti o gün tam olarak köprünün yapısal titreşimi ile örtüşecek hızda esiyordu ve köprü rezonansa girerek yıkıldı. Olayda sadece köprüdeki otomobilde bırakılan bir köpek hayatını kaybetti.
Bernoulli Prensibi
Uçakların nasıl uçtukları ile ilgili birçok kaynakta, örneğin başka havacılık sitelerindeki temel aerodinamik açıklamalarında da rastlamış olabilirsiniz, klasik ve en yaygın öğreti, bir uçağın kanatlarındaki kaldırma kuvvetini, yani uçakların nasıl uçabildiğini, çoğunlukla Bernoulli Prensibi ile açıklar. Okullarda bile, belki de kolay anlaşılır olduğu için, uçuş bu presip ile öğretilmektedir.
Hava, su ve diğer sıvılar gibi akışkan bir maddedir. Bernoulli'ye göre akışkanlar, bir engeli aşarken engelin kısa bölümü ile uzun bölümünü aynı sürede katederler. Burada akışkan sabitken, engel hareket halinde olabilir, veya tam tersi engel sabitken akışkan hareket ediyor olabilir. Ve yine Bernoulli Prensibi'ne göre, akışkanların hızı arttıkça, basınç düşer.
İşte burada o her yerde, hatta ansiklopedilerde bile rastlayacağınız kaldırma kuvveti açıklaması ortaya çıkar;
You must be registered for see images attach
Bernoulli Prensibi'ne göre göre yarım su damlası şeklinde olan uçak kanadı hızla havanın içerisinden geçerken, kanadın üstünden uzun yolu kateden hava molekülleri ile, altından, yani kısa yoldan gelen hava molekülleri, kanadın arkasına aynı anda ulaşır. Buna "eşit transit süresi prensibi" denir. Aynı anda ulaştıklarına göre uzun yoldan gelenler, hızlı gelmiştir. Hızlı geldilerse yukarıda basınç düşmüştür. Evreka! Uçağın kanadının altındaki yüksek basınç, uçağı yukarı itmekte, yani uçağın yerden havalanmak için ihtiyacı olan kaldırma kuvvetini yaratmaktadır.
Mı acaba? Bu açıklama tamamen yanlış olmamakla beraber, doğru da değildir.
Bernoulli Prensibi'ne göre uçak kanadının başında yan yana olup da, biri yukarıdan, biri aşağıdan giden moleküller, kanadın sonunda yeniden birleşiyordu. Bu tez yanlıştır, evet üstten gelenler hızlı gelmektedir fakat o iki molekülün birbirinden haberleri bile yoktur, yukarıdan gelenler çok daha önce kanadın sonuna varmaktadır.
You must be registered for see images attach
Bu prensibe göre basınç farkından dolayı bir miktar kaldırma kuvveti oluştuğu doğrudur, fakat hesaplamalar yapıldığında küçük bir uçağın bile Bernoulli Prensibi ile yerden havalanabilmesi için, sağdaki çizimde göreceğiniz gibi kanadın üstünün, altına göre %50 daha uzun olması gerektiği ortaya çıkar. Siz hiç böyle bir uçak kanadı gördünüz mü? Oysa tipik bir küçük uçağın kanadının üstü, altına oranla sadece %1.5-%2.5 daha uzundur.
Daha iyi anlamak için gerçek hayattan bir örnek verelim. Yukarıda geçen küçük uçak terimine uygun olan ve aşağıdaki fotoğrafta göreceğiniz uçak bir Cessna 172'dir.
You must be registered for see images attach
Eğer uçaklar Bernoulli Prensibine göre uçuyor olsaydı, Cessna 172'nin sahip olduğu kanatlarla yerden teker kesebilmesi için 643 km/saat hıza ulaşması gerekirdi. Oysa Cessna 172'nin maksimum hızı bile sadece 228 km/saat'tir.
Dahası, Bernoulli Prensibi bize kaldırma kuvvetini mecburen yarım su damlası şeklinde kanatlarla anlatılır. Ama biz biliyoruz ki, örneğin akrobasi uçaklarının kanadı simetriktir. O uçaklar nasıl uçmaktadır? Kanadı yarım su damlası şeklinde olan bir uçak, nasıl olup da ters (inverted) uçabilmektedir? Uzaydan dönen bir uzay mekiği, atmosfere girdikten sonra neden taş gibi düşmemekte, cüssesine oranla çok küçük olan kanatları ile nasıl olup da ineceği piste varabilmektedir?
Demek ki Bernoulli Prensibi bize uçakların nasıl uçtuğunu tek başına açıklayamıyor ve yanlışlarla dolu. Bernoulli'ye şimdilik elveda.
Fiziksel Kaldırma Kuvveti Açıklaması
Şimdi hep birlikte lise yıllarımıza geri dönüyoruz ve öncelikle Newton'un hareket kanunlarını basitçe hatırlıyoruz;
1-Sabit hareket halindeki (durağan veya sabit hızlı) bir cisim, üzerine dış bir kuvvet etki etmedikçe, hareket durumunu korur.
2-Bir cismin üzerindeki net kuvvet (F), cismin kütlesi (m) ile ivmesinin (a) çarpımına eşittir (F=ma).
3-Her etkinin, eşit ve zıt bir tepkisi vardır.
Yukarıda havanın mavi ve kırmızı çizgilerle gösterildiği, Bernoulli Prensibi'nin o klasik çizimini hatırlayın. Hava kanadı terkettikten sonra, tıpkı geldiği gibi gidiyor, yani hareket durumunu koruyordu. Bu durumda Newton'un birinci kanununa göre havanın üzerine net bir kuvvet etki etmemiş olmalı değil mi?. Bu doğru olamayacağına göre o meşhur çizim yanlıştır, doğru çizim aşağıdaki gibi olmalıdır;
You must be registered for see images attach
Downwash
Newton'un üçüncü kanununa göre her etkinin eşit ve zıt bir tepkisi vardır. Bunu şöyle açıklarsak daha iyi anlaşılır; Silahlar bu nedenle geri teper. Merminin namludan ileri fırlaması etki, silahın geri tepmesi tepkidir. Newton'a göre bir kanat, havaya öyle bir etki yapmalıdır ki, tepki olarak kaldırma kuvveti ortaya çıksın. Tepki zıt yönlü olacağına göre, yukarı yönlü olan kaldırma kuvvetini yaratacak etkinin aşağı yönlü olması gerekir.
Yukarıdaki çizime bakın, kanat havayı eğiyor ve hava aşağı yönlü hareket ediyor. Evet, kanatlar çok büyük miktarlarda havayı eğerek aşağıya yönlendirir. Bu da büyük miktarda kaldırma kuvveti yaratır. Newton'un ikinci kanununa (F=ma) göre, Downwash ile elde edilen kaldırma kuvveti, [aşağıya yönlendirilen hava miktarı x yönlendirilen havanın dikey hızı] kadardır.
Downwash ve bulutlara etkisi
You must be registered for see images attach
Peki, hava neden eğiliyor?
İşte zurnanın zırt dediği yer burası. Böyle diyorum çünkü ister inanın, ister inanmayın, bilim insanları arasında bu konudaki tartışma hala sürüyor. Biz öne çıkan iki teoriyi açıklayalım;
1. Coanda Etkisi
Hava ve su gibi akışkanların viskozitesi vardır ve eğimli cisimlerle temas ettiklerinde, cismin yüzeyini takip etmeye meğillidirler. Bir bardağı çeşmenin altında yan çevirin ve suyu biraz açarak suya dokundurun. Suyun büyük bölümü dümdüz akmak yerine bardağın eğimini takip ederek üstünüzü ıslatacaktır. Bu duruma Coanda Etkisi deniyor.
Bunu bir bardakla değil de, kaşıkla denerseniz kaşığın üzerindeki kuvvetleri de net bir şekilde görme şansınız olur. Kaşığı iki parmağınızla sapından hafifçe tutun, kaşığın dışbükey tarafını suya dokundurduğunuzda, su kaşığın eğimini takip ederek eğilip kaşığın yönüne giderken (etki), kaşık da ters yöne gitmeye çalışacaktır (tepki).
İşte adını ilk jet motorlu uçağı da yapmış olan Romen aerodinamikçi Henri Marie Coandă'dan alan bu teoriye göre, havanın viskozitesi düşük olmasına rağmen, içerisinden geçen kanadın eğimini takip ederek eğilir. Bu sayede üstü eğimli bir kanat hızla havanın içinden geçerken, kanadın üstünde eğilen havanın basınçı düşer ve düşen basınç ile çok büyük miktarda hava ivmelenerek aşağıya yönlenir. Buraya dikkat! hava hızlandığı için basınç düşmemekte, basınç düştüğü için hava hızlanmaktadır.
You must be registered for see images attach
Fakat burada bir problem var. Ahır kapısı (barn door) adı verilen bir kanat tipi vardır ki bu kanatlar gerçekten bir ahır kapısı gibi dümdüzdür.
Sağdaki rüzgar tüneli modellemesinde de göreceğiniz gibi bal gibi de kaldırma kuvveti yaratan bu dümdüz kanatlarda Coanda Etkisi'nden bahsetmek mümkün olamayacağına göre, işin içinde başka etkiler daha olmalı değil mi?.
You must be registered for see images attach
2. Circulation
Kanadın havayı nasıl eğdiğini öğrenmeye çalışırken karşımıza Rus havacılığının babası sayılan Nikolai Zhukovsky ve onun Circulation Teorisi çıkıyor.
Bu teori Magnus Effect fenomenine dayanır. Bu fenomene göre dönerek uçmakta olan cisimler akışkanların içinden geçerken kendi çevrelerinde bir anafor yaratır ve cismin hareket yönüne dik, fakat dönüş yönüne zıt yönlü bir güç ortaya çıkar.
Böyle söyleyince karmaşık oldu değil mi? O zaman özellikle erkeklerin iyi anlayacağı bir dille anlatayım;
Futbolcular serbest vuruşta kale ile aralarına kurulan barajı aşmak için topa kavis verirler ya, işte o olayın fiziksel teorisi Magnus Effect'dir. Futbolcu kalenin sağına nişan alıp, topun sol kenarına vurarak topu havalandırırsa, havada kendi ekseni etrafında soldan sağa dönerek uçan top hareket yönüne dik fakat dönüş yönüne zıt, yani sol yönlü bir kuvvet ile yön değiştirir, barajı aşar, kaleci de gününde değilse gol olur.
Şimdi şu çizimi tekrar gösterelim;
[attachimg=5]
İşte kanadın önünde oluşan upwash, arkasında oluşan downwash ve kanat havanın içinden geçtikten sonra oluşan anaforları gözlemleyen Zhukovsky, Circulation Teorisi'nde havanın içinden hızla geçen herhangi bir cismin de, cismin etrafında dönen bir anafor yaratmaya çalıştığını ortaya koyuyor. Elbette kanat hızla geçip gittiği için hava kanadın etrafında dönmüyor fakat sonuç olarak kanadın arkasındaki hava aşağıya doğru bükülüyor ve anaforlar kanat geçip gittikten sonra oluşuyor.
Bu teorisini bir de Circulation ile kaldırma kuvvetini hesaplamakta kullanılacak matematik formülü ile birleştiren Nikolai Zhukovsky, bize gerçekten de bir ahır kapısı kanat ile oluşan kaldırma kuvvetini, makul bir düzeltme payı ile doğru olarak hesaplayabiliyor. Bazı fizikçiler ise modern aerodinamik tasarımında sıkça kullanılan bu teorinin fiziksel ispata muhtaç olduğunu söylüyorlar, o ayrı mesele. Circulation teorisinde göze batan temel sorun şu;
Teori "eğer kaldırma kuvveti varsa, circulation da olmalıdır" diyor. Oysa bazı deneylerde 16 derecelik hücum açısına kadar lineer olarak artan bir kaldırma kuvveti varken, circulation'ın 10 derecelik hücum açısından sonra efektif olarak oluştuğu görülmüş. Yani kaldırma kuvveti var ama circulation yok. Buyrun buradan yakın!
Bana sorarsanız Coanda Etkisi ve Circulation teorilerinin her ikisi de mantıklı, her ikisi de işin içinde. Düşük bir katkıyla da olsa Bernoulli Prensibi'nin de toplam kaldırma kuvveti içerisinde yeri var. Özetle, kaldırma kuvveti, birçok etkenin bir bileşkesi. Hatta belki henüz bilmediğimiz başka faktörler de kaldırma kuvveti oluşumunda rol oynuyor ve bu nedenle gelecekte yeni lift teorileri duyarsak şaşırmamalıyız.
Bu yazı "Mustafa Odabaş"ı tarafından kaleme alınmıştır.
Son düzenleme: