Uçaklar Nasıl Uçar, Temel Aerodinamik Kuvvetler Nelerdir?
- Furkan Sağlam
- 17 May
- 3 dakikada okunur
Günün herhangi bir zaman diliminde bir gürültüyle (jet motoru sesi) gökyüzüne istemsizce baktığımız zamanlar hepimiz için olmuştur. Gökyüzüne baktığımızda bu sesin bir uçaktan geldiğini fark ederiz ve devamında kafamızda çeşitli sorular oluşmaya başlar. Nasıl olur da bu kadar ağır bir yapı uçabiliyor, bu yapıyı havada tutan şey tam olarak motorlar mı, kanatlar ne işe yarıyor gibi birçok soru sormaya başlarız. Bu yazımızda uçakların nasıl uçar ve temel aerodinamik kuvvetlerin neler olduğu açıklanacaktır.
İçindekiler
Temel Aerodinamik Kuvvetler
Hareketli her nesne gibi uçakların da nasıl hareket ettiğini anlamak için öncelikle fizik bilimine başvurmamız gerekmektedir. Temel olarak uçağa birçok kuvvet ve yük etki etse de bunlar basit olarak 4 temel ana başlıkta toplanmaktadır. Bu kuvvetler; kanat kaynaklı kaldırma kuvveti (lift), sürtünme sebepli sürükleme kuvveti (drag), yer çekimi ivmesi sebebiyle ağırlık kuvveti (weight/gravity) ve motor kaynaklı itki (thrust) kuvvetidir. İlerleyen başlıklarda bu temel 4 kuvvet detaylı bir şekilde anlatılacaktır.
Kaldırma Kuvveti (Lift)
Uçağın uçmasını sağlayan 4 temel kuvvetten en önemlisi ve en yanlış bilineni kaldırma kuvvetidir. Kaldırma kuvvetine uçağın yüzeylerinin de katkısı olmasına rağmen asıl kaldırma kuvveti üreticisi kanattır. Kaldırma kuvveti uçağın gidiş yönüne dik etki etmektedir. Uçağın yükselmesi/irtifa kazanması için gerekli olan kaldırma kuvvetinin neredeyse tamamı kanatlar sayesinde üretilmektedir. Kanatların yerden yükselmesi için üretmesi gereken kaldırma kuvveti uçağın ağırlığına bağlıdır. Ağırlık kuvvetini yenen kaldırma kuvveti uçağa irtifa kazandırır.
Peki kanatlar bu kaldırma kuvvetini nasıl üretiyor? Bu konuda birçok teori ve prensip olmasına rağmen birçok kaynakta yanlış bilgiler yer almaktadır. Yaygın yanlışa Bernoulli İlkesi'nin yanlış yorumlanması sebep olmaktadır.
Bernoulli İlkesi; sabit bir akımda, bir yolda hareket eden akışkanın sahip olduğu tüm mekanik enerjilerin toplamının yine bu yol üzerindeki her noktada eşit olduğunu söylemektedir. Ancak dikkat edilmesi gereken nokta bu korunumun temelde 1 akış çizgisi (streamline) boyunca uygulanabilir olduğudur. Yani kanadın üstündeki ve altındaki havanın aynı akış olmadığına dikkat edilmelidir.
Kaldırma kuvveti, hareket eden bir gaz akışı katı bir nesne tarafından döndürüldüğünde meydana gelir. Akış bir yöne döndürülür ve kaldırma kuvveti, Newton'un Üçüncü Eylem ve Tepki Yasası'na göre ters yönde üretilir. Hava bir gaz olduğu ve moleküller serbestçe hareket edebildiği için, herhangi bir katı yüzey akışı saptırabilir.
Ayrıca kaldırma kuvvetinin üretilmesi için uçak kanadının hem üst hem de alt yüzeyler akışın dönmesine katkıda bulunur. Akışı döndürmede üst yüzeyin rolünü ihmal etmek, yanlış bir kaldırma kuvveti teorisine yol açar. Böylece kaldırma kuvveti (lift) kanatlar sayesinde üretilmiş olur. Kanat yapıları, enine kesitleri (airfoils) oldukça geniş ve kapsamlı çalışmaların yapıldığı mühendislik alanlarıdır.
Sürükleme Kuvveti (Drag)
Bir diğer temel kuvvet olan sürükleme kuvveti (drag) isimlendirmesinden de anlaşılacağı üzere sürtünme sebebiyle uçağın gidiş yönüne ters ve paralel yönde etki eden hareketi zorlaştırıcı kuvvettir. Bu kuvvetin temel sebebi uçağın geometrisidir. Uçağın gövde, burun, kanat gibi tüm yüzeyleri sürtünmeye sebep olur.
Uçağın kaldırma kuvveti arttıkça sürtünme kuvvetinin de artacağı unutulmamalıdır. Uçaklarda verimli bir şekilde kaldırma kuvvetini arttırmak ve sürükleme kuvvetini azaltmak önemli bir mühendislik problemidir. Kaldırma kuvvetinin artması ve sürükleme kuvvetinin azalması uçaklardaki verimi yani yakıt tüketimini doğrudan etkilemektedir.
Uçakların kalkıştan hemen sonra iniş takımını kapatması, sürüklemeyi azaltan önemli bir sistemdir. Kalkıştan hemen sonra sürtünmenin az olmasını istesek de piste iniş sırasında sürtünmenin yüksek olmasını ve uçağın güvenli bir şekilde yavaşlamasını isteriz. Bu yüzden iniş sırasında da sürtünmeyi arttırmak için iniş takımı fren sistemleri, ters itki (reverse thrust) ve hava frenleri (flap) kullanılır.
Ağırlık
Dünya'nın yer çekimi ivmesi sebebiyle Dünya'daki tüm kütleler ağırlığa sahiptir. Uçaklara gidiş yönüne dik yönde ve uçağın ağırlık merkezinden yer çekimi ivmesi etki etmektedir. Yapısal (kanat, gövde vb.) ve faydalı yükleri (yolcu, kargo vb.) sebebiyle özellikle kargo ve yolcu uçakları çok büyük ağırlık kuvvetlerine maruz kalmaktadır.
Uçağın ağırlığı uçuş sırasında yakıt tüketimiyle birlikte azalmaktadır. Her uçak için güvenli belirli iniş ağırlıkları mevcuttur. Bu yüzden yeni kalkış yapan bir uçağın acil bir şekilde iniş yapması gerekirse iniş öncesi yakıt boşaltması gerekir. Bu senaryolar için uçaklarda yakıt boşaltma sistemleri bulunmaktadır.
İtki Kuvveti (Thrust)
Uçağın gidiş yönünde ilerlemesini/hızlanmasını sağlayan kuvvet itki (thrust) kuvvetidir. Bu kuvvetin kaynağı genellikle kanatlara yerleşik motorlardır. Airbus, Boeing gibi uçak üreticilerinin yolcu uçaklarında genellikle turbofan motorlar kullanılır. Turbofan motorlar motorun içine alınan havanın enerjisini artırıp tekrardan arka kısmında çıkmasını sağlar ve böylece etki-tepki yasasıyla ileri yönlü bir itki kuvveti üretilmiş olur.
Üretilen itki kuvveti sayesinde uçak yatayda hız ve ivme kazanır. Böylece kanat üzerinden hava akışı sağlanır.
Sonuç olarak uçakları yükselten kaldırma kuvveti kanatlar sayesinde üretilirken ileri yönlü hızlanmasını sağlayan itki kuvvetini motorlar sağlar. Unutulmamalıdır ki kanatların kaldırma kuvveti üretmesi için uçağın yatayda belirli hızlara ulaşması şarttır. Uçağın hızlanması içinse itki kuvvetinin sürükleme kuvvetini yenmesi gerekmektedir. Bu temel 4 kuvvetin yönetilmesiyle uçaklar stabil ve istenen koşullarda uçmaktadır.
Referanslar
Comments