Uçaklar  nasıl  uçar…?  (How  can  an airplane fly…?)

 

Bir  kanat  profili  etrafındaki  akış.

(Kaynak: Wikipedia)

Uçaklar  nasıl  uçar…veya,… “kaldırma  kuvveti”ne  ne  sebep  olur…?

Bu  soru  ve  cevabı  havacılığın  temeli…!

Peki, bu  sorunun  cevabı  en  azından  havacılığa  soyunanlar  tarafından,  yeterince  biliniyor  mu…?

Bu  konuda, otuz  yıl kadar  öncesine  ait  küçük  bir  anımız  da  mevcut… O  tarihlerde  genç  olan  bir  mühendis  olan, bir  arkadaşım  söylemişti…: O  terihlerde, yine  genç  olan  bir  pilot arkadaşı kendisine, “bir  uçağın  nasıl  uçabildiğini  anlayamadığını”  söylemiş…  Bu  genç  pilot, bu  ifadesinden birkaç  yıl  sonra,  bir  uçuş  kazasında  hayatını  kaybetti…!

*

Bu  konuyu  bize Phil  Plait  hatırlattı; 26 Ekim  2017  tarihinde, syfy.com’da (bad  astronomer)  yayımlanan  yazısında…

Uçaklar, kanatları  tarafından  üretilen “kaldırma (taşıma)  kuvveti”  sayesinde  uçar…

Yaygın  bilinene  göre,   kanat  profilinin  üst  yüzeyinden  akan   hava  akımının, profili, alt  yüzeyden  akan   hava  akımıyla  aynı  zamanda  geçmesi;  bu  iki  akımın  profilin  arkasında (firar  kenarında) birleşmesi  gerekir… Bunu  sağlayabilmek  için, kanat  üst  yüzeyinde  daha uzun  bir  yolu aynı  zamanda (daha  büyük  bir  hızla) geçmesi  gereken  hava  akımının  hızı  artar… Bernoulli Prensibi  gereği, hızın  arttığı  ortamda  basınç  düşer… Kanadın  alt  yüzeyinde  oluşan  basınca  kıyasla, kanadın  üst  yüzeyinde ortaya  çıkan  daha  düşük  basınç…  Sonuç  olarak yüzeyler-arası  basınç  farkı, kanadın  ürettiği  kaldırma  kuvvetidir…

Bu  açıklama, en  azından, Bernoulli  Prensibiyle  ilişkisi  açısından  kısmen  doğrudur… Ancak…,  tamamen  değil…!

Yapılan  simülasyonlarda, aynı  dikey  hat  üzerindeyken  kanada (hücum  kenarına)  yaklaşan  hava moleküllerinin  kanat  profilinin  arka  ucuna (firar  kenarı)  aynı  anda  ulaştığı  hususundaki  görüşün  doğru  olmadığı  gösterildi… (Yazının  başındaki  animasyon  buna  bir  örnektir…)

Peki…, bu  fizik  olayı  tam  olarak  nedir…?

Bernoulli  Etkisi’ne  biraz  yakından  bakalım…:

Kanat  profilleri (bazı  istisnalar  hariç), simetrik  değildir. Profilin  burnu  ile  kuyruk  ucunu  birleştiren  doğrunun (veter) üstünde  kalan  kısmın kamburluğu  daha  fazladır… Dolayısıyla, profilin  üst  kenar  çizgisi, alt  kenara  göre    daha  uzundur… Üst  yüzeyi  daha  bombeli olan  kanat  profili, hava  akımının kanadın üst  yüzeyinde  daha  fazla  hızlanmasına  sebep  olur… Bernoulli  Prensibi’ne  göre,  hızlanan  akımın  basıncı  düşer… Kanadın  alt-üst   yüzeyinde  oluşan  bu  basınç  farkı  da  kaldırma  kuvvetinin  oluşmasını  sağlar… Hava  akımı  kanadın  ve  dolayısıyla  uçağın  yukarıya  doğru  itilmesini  sağlar… Profilin  üst yüzeyindeki  akış  hızının  artması  (hayali) akım  tüplerinin  (streamtubes) daralması  ve  kütlenin  korunması  prensibinin  bir  sonucu…!

(Bir  kanat  profili  etrafındaki  akımda  “akım tüpleri”. (Üsttekilerin ve  alttakilerin  genişliği  farklı.)

Yine  de,  Bernoulli  prensibi   kanat  profilinin  üst  yüzeyindeki  akım  tüplerinin  daralmasının  sebebini açıklamakta  eksik  kalmakta… Profilin  üst  yüzeyindeki  kamburluğun, üzerinden  geçen  hava  akımı  tüplerini sıkıştırdığı  açıklaması  yeterli  olamamakta… (Düz  levhalar  dahi,  hava  akımı  içine  belirli bir   açıyla  (hücum  açısı) yerleştirildiğinde, az  da  olsa,  kaldırma  kuvveti  yaratabilmekte…!)

Bükülerek  yön  değiştirmiş  bir  hava  akımında, akım  çizgileri  arasında   basınç  farkı  ortaya  çıkar…  Eğri  bir  yol  izleyen  akışkan  içinde, daha  yüksek  basınç dışta, daha  düşük  basınç  iç  tarafta  oluşacak  şekilde  basınç  farkı (basınç  gradyanı) oluşur… (Evleri  yıkan  hortumların merkezinde  şiddetli  rüzgarın  oluşması (akması) bu  sebeptendir…)

Kaldırma  kuvvetinin  oluşmasına  ikinci  bir  açıklama  ise “kanat  üzerinden  geçen  hava  akımının  saptırılması”…

Newton  Kanunlarının  bir  uygulaması  olan bu  ikinci  önermeye  göre, kanadın  aşağıya  saptırdığı  hava  akımı  kanada  ters  yönde  kuvvet  uygular (etki-tepki  prensibi)… Bu  kuvvet, kaldırma  kuvvetidir…!

Yüzeyler  arasındaki  basınç  farkının  nasıl  oluştuğunu  anlayabilmek  için hava  akımının  nelere  yol  açtığının  incelenmesi  gerekir…

Prof. Mike  Merrifield, bir  kanadın  kaldırma  kuvvetini  oluşturmasında  üç  faktörün katkıda  bulunduğunu  söylüyor…:  Kütlenin,  momentumun  ve  enerjinin  korunumu  (prensipleri)…

Bunlardan  “kütlenin  korunumu”, parçalanan  veya  yapı-şekil,…  değiştiren  bir  cismin  son  kütlesinin (parçalarının  kütlelerinin  toplamının)  ilk  kütlesine  eşit olması… Euler  Denklemlerine  göre, sürekli akışta  kütle korunur….

İkincisi,  sistemin sahip olduğu (potansiyel / kinetik)  toplam  enerjisinin  başlangıçta  ve  sonda  değişmemesi (giren  enerji = çıkan  enerji) …

Üçüncüsü   olan  “momentumun  korunumu”  ise, duran  otomobile  çarpan  bir  başka  otomobilin  onu öteye savurması…

Kanat  profilinin  etrafında  akan  hava  akımının enerjisinin  korunabilmesi  için, daha  fazla  hızlanan (üst  yüzeydeki)  akımın  artan  hızı  oranında basıncının  da,  alt  yüzeye  göre, daha  fazla  düşmesi  gerekir…

Meseleye  momentum  açısından  bakıldığında, kanadın daha  kavisli (üst)  profilini izleyen  hava  akımı  saat  hareketi  yönünde  momentum  kazanırken (kanat  üst  yüzeyini  terkeden  hava  akımı  aşağı  doğru  sapar), momentumun  korunumu  prensibi  sebebiyle, kanat  profilinin  de  ters  yönde  momentum  kazanması  gerekir…

“Newton’un  Üçüncü  Kanunu”na  göre, her  bir etki,  zıt  yönde  karşı  etki  yaratır… Bir  kanat  profilinin aşağıya  doğru  saptırdığı  hava  kütlesi  bu  profile  zıt  yönde  bir kuvvet  uygular…

“Newton’un  İkinci  Kanunu”na  göre, akan  havanın  akış  yönündeki  bu  değişim profilin hava  kütlesine  kuvvet  uygulamasıyla  mümkündür…

“Newton’un  Üçüncü Kanunu”na  göre, aşağıya  doğru   saptırılan  hava  kütlesinin kanat  profili  üzerine yukarı  yönde  kuvvet  uygulaması  gerekir…  Bunların  net  sonucu, istikamet değişimine  dik  yönde  ortaya  çıkan kaldırma  kuvvetidir (lift) …

Hava  akımında, kanat  profilinin (kanadın)  arkasında  gerçekleşen aşağı  sapmada,   kanadın  alt  yüzeyinden  ziyade  üst  yüzeyi  daha  etkilidir…

“Bernoulli Prensibi”ne  göre,  sabit  enerjili, kararlı  bir  hava  akımında,  düşük  basınç  bölgesinden  geçen  hava  akımı  hızlanır… Diğer taraftan,  hızlanan  hava  akımının  basıncı düşer…

Kaldırma  kuvveti  yaratan  bir  profilin  yüzeyleri  arasında  basınç  farklılığı  sözkonusudur…  “Bernoulli  Prensibi”  de, basınç  farklılığının  akış  hızı  farklılığını  doğuracağını  söyler…

Profilin  üst  yüzünde  ortaya  çıkan daha  yüksek  hızlı  akış “kütlenin korunumu”  prensibiyle  ilgilidir… Yine  de, profilin üst  yüzeyinden  ve  alt  yüzeyinden  geçen hava  molekülleri aynı  anda  aynı  eksen  üzerinde  buluşamazlar…

Gerçekleştirilen  simülasyonlarda, üst  yüzeyden  akan  hava  akımının (molekülünün) profilin  arka ucuna (firar  kenarına), alt  yüzeyden  akana  kıyasla  daha  önce  vardığını  göstermekte…!

Eğilmiş (curved)  bir  akışkan  akımında, akım  doğrultusuna  dik  doğrultuda  ve  daha  yüksek  basınç  dışta olmak  üzere, bir    basınç  farkı (gradyanı)  ortaya çıkar…

Kaldırma  Kuvvetinin  ortaya  çıkışının  daha  derin  ve  karmaşık  açıklaması  için  hava  akımına  daha  yakından  bakmak  gerekir…

Hava  akımının  profil  yüzeyine  uyguladığı basıncı pozitif olarak  kabul  etmek gerekir…Dolayısıyla,  bu  bir  itme  kuvvetidir…; çekme  değil…! Kanadın  alt  yüzeyinde  ortaya  çıkan  basınç, kanadın  üst  yüzeyinde  ortaya  çıkan  basıncın  aşağı  doğru  itmesine  kıyasla, kanadı  yukarıya  doğru daha büyük  kuvvetle  iter… Net  kuvvet  yukarıya  doğrudur…

Bir  kanat  profili kendisine  yaklaşan  hava  akımından  başlayarak, akımın yönünü  ve  hızını  değiştirir… Kaldırma  kuvveti  üreten  bir  profilde (profil, her  şartta  kaldırma  kuvveti  üretmez…!) yaklaşan  hava  akımı  önce  yukarıya  doğru, takiben  profilin  üst  ve  alt  yüzeyinde  olma  üzere  aşağı  doğru;  profilin  arka  ucunda (firar  kenarı) ise  yukarıya  doğru  saptırılır. Kanadın  yeterince  önündeki  düzgün  hava  akımının,  kanadı  terkeden  hava  akımı  ile hız  ve  hareket  yönü  açısından  eşleşmesi (aynı  olması)  ise  çok  sonra  gerçekleşir…!

Kanadın  üst  yüzeyinden  akan  havanın  hızı her  zaman  artarken, alt  yüzeyden  akan  havanın  hızı normal  şartlarda  yavaşlar…!

Akan  havanın  hızındaki  ve  yönündeki  değişim profile  en  yakın  bölgede  en  büyük  iken, bu  fark  profilden  uzaklaştıkça  azalır…

Hava  akımı içinde  ortaya  çıkan  farklı  basınç  alanları, hava  akımına yüksek  basınçtan  alçak  basınç  alanına  doğru  kuvvet  uygular…Kanat  profilinin  farklı  bölgelerinde  ortaya  çıkan  bu  kuvvet farklı  bölgelerde  farklı  yönlerde  etki  eder…Neticede, kanadın  üst  yüzeyinden  akan  hava  akımı   ile, alt  yüzeyinden  akan  hava  akımı  aşağıya doğru  saptırılır…

Ortaya çıkan  basınç farklarına  bağlı  olarak  akan  havanın hızı  ve yönü  değişirken, hava  akımının basınç  ve yön  değişimine  gösterdiği  direnç  (hava  kütlesinin  ataleti) de  bu  basınç  farklılıklarını  doğurur…!   Hava  kütlesinin  önemi  ve  kaldırma  kuvvetinin  havanın  yoğunluğuna  bağlı  olması  bu  sebeptendir…

Kanat  profili  üzerinde, kaldırma  kuvvetini  oluşturan  basınç  farkının  sürdürülmesi bu  profil  üzerinde üniform  olmayan  bir  basınç  dağılımına  bağlıdır…  Bu  durum yatay  ve  dikey  doğrultuda basınç  farkının  sürdürülmesi  ile   hava  akımının  aşağı  doğru saptırılmasını  ve  akım  hızının  Bernoulli  Prensibine  göre değişimini  gerektirir… Profilin  yüzeyinde  ortaya  çıkan  basınç  farkı  profilin  kavisini  (contour) izler… Havanın  sahip  olduğu  kütle  burada  önemli  bir  rol  oynar…

Kaldırma  kuvveti  sağlayan  bir  profil  etrafındaki  basınç  dağılımı

Burada, (+)  işareti, basıncın  çevre  basıncından  yüksek  olduğunu, (-) işareti  ise  düşük  olduğunu  göstermekte… (Basınç, her  koşulda, sıfır  değerinin  üzerinde  olacağı  için, negatif (sıfırın  altındaki  bir  değerde)  basınçtan  bahsedilemez…!)   Burada, oklar  “net  basıncın”  yönünü  göstermekte…

Newton’un  ikinci  kanununa  göre, kanat  profili  etrafındaki  basınç  dağılımının  sebep  olduğu  kuvvet hava  akımının  kuvvet  doğrultusunda  ivmelenmesine   sebep  olur… Profilin  üst  yüzeyinden  ve  alt  yüzeyinden  akan  hava  akımı, üniform-olmayan  basınç  dağılımı  sebebiyle,  aşağı  doğru  sapacak  şekilde  ivmelendirilir… (Pozitif  hücum  açısı  veya kambur  profil  durumunda.)

Hava  akımı profilin  üst  yüzeyinde  oluşan  alçak-basınç  bölgesinden  geçerken  önce  hızlanır, sonra  profili  terkederken  yavaşlar… Profilin  alt  yüzeyinde  ise  bu  olayın  tersi  gerçekleşir…; önce  yavaşlar, sonra  hızlanır…

Burada, akım  hızında  ortaya  çıkan  değişim  Bernoulli  prensibiyle  uyumludur… (Akışkanın  vizkozite  etkisi  hesaba  katılmazsa, basınç  düştükçe  hız  artar…)

Akım  yönünde  ve  hızda  ortaya  çıkan  değişim   üniform-olmayan basınçtan  kaynaklanır…Bu sebep-sonuç  ilişkisi,   iki  yönlü olarak  birbirini  takip  eder…

Aerodinamk  akışta   hızlandırılan  havanın  ataleti  önemli  bir  rol  oynar… Bu  sebeple, kaldırma  kuvvetinin  ortaya  çıkışında  havanın  kütlesinin,  dolayısıyla, yoğunluğunun  önemi  büyüktür…

 

Yararlanılan  Kaynaklar:

http://www.syfy.com/syfywire/what-causes-lift

https://www.wikiwand.com/en/Lift_(force)

 

 

One thought on “Uçaklar  nasıl  uçar…?  (How  can  an airplane fly…?)

  1. Geri bildirim: Uçaklar  nasıl  uçar…?  (How  does  an  airplane  fly…?) — HAVACILIK VE UZAY | tabletkitabesi

Yorumlar kapatıldı.