KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
Yelkenli Teknelerin Fiziği
Bölüm 1
Çağlar
boyunca
Gezegenimizin yüzeyinin büyük bir bölümü suyla kaplıdır ve bu suyun üzerinde rüzgarlar eser. İlk çağlardan beri insanoğlu rüzgar gücünü kullanarak insanları ve eşyaları su üzerinde karada olduğundan çok daha az bir efor harcayarak taşımayı öğrenmiştir. Ve yüzyıllar boyunca birbirlerinden okyanuslarla ayrılmış uzak kara parçalarının önce keşfedilmesini, daha sonra da birbirine bağlanmasını sağlayan araçlar yalnızca yelkenli gemiler olmuştur. Günümüzde okyanus aşırı yolculukların en yaygın biçimi suyu çok aşağılarda bırakarak uçmaktır. Rüzgarın şiddeti ve yönü hala geçiş zamanını eski çağlarda olduğu gibi etkilemekteyse de bu artık çok önemsizdir. Biri çok eski, biri de çağdaş olan bu iki taşıma türü -yani eski çağın yelkenli gemileri ve günümüzün modern uçakları-arasında görünüş, yapı malzemesi, çalışma yükseklik ve hızları arasındaki farklar göz önüne alındığında bunların ortak bir fizik ve teknoloji kullanıyor olamayacakları fikri anlayışla karşılanabilir. Oysa, göreceğimiz gibi, aslında bu ikisinin arasında çok yakın bilimsel bir bağ vardır.
Günümüzden dört bin yıl önce Mısır'da, Nil Nehri'nde kullanılan bir yelkenli gemi ile başlayalım. Nil, güneyden kuzeye akar ama rüzgar genelde kuzeyden güneye eser. Akıntıya karşı güneye gitmek için yelken Şekil 1'deki gibi basılır ama akıntıyla birlikte kuzeye gitmek için indirilirdi.
Şekil I
O zaman bile
akıntıya daha iyi tutunmak ve geminin su üzerindeki bölümüne çarpan rüzgarın
ters yöndeki etkisini yenmek amacıyla suya enlemesine-uzunlamasına
değil- salmalar indirilirdi. Bu da gösteriyor ki etkileşen katı, sıvı ve
gazlardan oluşan bu ilginç sistemde katı cismin hızı ve yönü su üstü ve su altı
kuvvetlerinin dengesi tarafından belirlenir.
Bu kuvvetler su altı çekmesini (direncini) de kapsar ki bu istenmeyen kuvvetin bileşenleri yüzey sürtünmesi, biçim çekmesi (form direnci) ve dalga oluşturma çekmesidir. Her ne kadar bunlardan ilk ikisi tekne hızının karesi ile orantılı olarak büyürlerse de, düzgün ve aerodinamik ya da hidrodinamik bir gövde yapılarak kontrol altında tutulabilirler. Asıl zorluk üçüncüdedir. Su dalgaları dağılma özelliğine sahip olup, dalgaboylarının karekökü ile orantılı hızlarla ilerlerler. Bu da dalga oluşturma çekmesinin bir noktadan sonra çok hızlı artmasına ve deplasmanlı bir tekne gövdesinin maksimum hızının, kendisi kadar bir dalganın hızı ile sınırlanmasına neden olur.
İlk kez İngiliz mühendis William Froude tarafından keşfedilen bu ilginç olgu, Şekil 2'de gösterilmiştir.
Şekil 2
Böylece, aralarında iki tane Queen Mary ve United States de bulunan transatlantiklerin saatte 40 milin üzerinde hız yapmak için neden o kadar uzun yapılmaları gerektiği anlaşılmış olur.
Aynı nedenle on metre boyunda klasik bir yelkenli tekne rüzgar saatte yirmi mil hızla estiğinde bile ancak saatte yedi mil hıza ulaşabilir. Bu bariyer ancak 'GÖVDEYİ sudan çıkararak aşılabilir' ki bunu yapmanın yolları da suyun altında eğimli bir yüzeye ya da bir su altı kanadına çarpan suyun dinamik kuvvetini kullanarak Arşimet ilkesini ihlal etmek ya da iki veya daha fazla sayıda gövdenin üzerine bir üstyapı inşa etmektir.Bu ikinci durumda denge, yüzen hacimlerin birbirinden ayrılmasından gelir ve tekneler hız bariyerinin aşılabilmesi için çok ince yapılabilir.
Şekil 3'dekine benzer gemilerini hepimizin tanıdığı Vikingler bu istenmeyen su altı kuvvetlerini en aza indirebilmek için gemilerin düzgün, ince ve uzun olması gerektiğini anlamışlardır.
Şekil 3
Ama nedense ben onların yelkenden çok kürekle yol aldıklarını düşünüyorum. Rüzgarın önünde sürüklenen bir yaprak gibi değil de, hedefi seçme olanağının olduğu 'yelken teknesi' denebilecek teknelerle uzun seyirler yapanlar önce Çinliler, arkasından da Araplar olmuştur.
Böyle bir tekne, rüzgar doğrudan B noktasından A noktasına doğru esiyor olsa bile A'dan B'ye gidebilir. Günümüzde, Şekil 4'de gördüğümüz bambu yelkenli junklar ve dohalar Çin denizinde ve Arap körfezinde hala kullanılıyor ama bu teknelerin nasıl olup da rüzgar üstüne seyir yapabildiğini anlamak için önce yelkenlerin nasıl çalıştığını anlamamız gerekir.
Şekil 4
Değişik türlerde dirençleri yenmek için gereken enerji, havanın su üzerindeki göreli hareketinden kaynaklanır. Ama bu enerjiyi kullanarak kendi seçtiğimiz bir işi yapmak istiyorsak, deyim yerindeyse, bir ayağımızın suyun içinde olması gerekir. Ne demek istediğimi anlamak için bir balon üzerine monte edilmiş bir rüzgar jeneratörünü gözünüzün önüne getirin. Balon ancak bir yere bağlıysa jeneratör enerji üretebilir. Eğer balonun ipini keserseniz tüm yapı birlikte rüzgarın önünde sürüklenecek, jeneratör artık göreli (zahiri) bir rüzgar hissetmeyecek ve kanatların dönmesi duracaktır.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 2
Kare (Kabasorta) Yelken
Bu makale
çıkış noktası olarak kabasorta yelkenleri aldığı için böyle yelkenlerle
donatılmış tam armalı bir tekneye (Şekil 5) bir göz atmakta yarar var.
Yelken alanının çoğu, serenlerden aşağı doğru açılan dört köşeli yelkenlerden oluşuyor.
Şekil 5
Çalışma ilkeleri paraşüte benzeyen ama ondan daha verimsiz olan bu yelkenler rüzgarın estiği yönde 'çekme' adı verilen bir tür direnç oluştururlar. Böyle bir arma ile bir yerden başka bir yere gidebilmek için rüzgarın oldukça kuvvetli olması ve olabildiğince arkanızdan gelmesi gerekir. Rüzgarın kuvvetli olmsı gerekir çünkü rüzgar yönünde yol almaya başladığınızda göreli (zahiri) rüzgar hızı azalır.
Bu göreli hızın karesi ile orantılı olan kuvvet küçülür. Bu arada tekne gövdesinin sudaki hızının karesi ile orantılı olan çekme (drag) kuvveti ise, daha önce gördüğümüz gibi tekne hızının karesinden daha büyük bir oranda artar. Bu da, eğer orta kuvvetteki rüzgarlarda tekneyi gövde hızına ulaştırmak istiyorsanız, resimdeki gibi toplam alanı inanılmaz büyüklükte olan çok sayıda yelken (rüzgar demiri de denebilir) açmanız gerekir.İşte bu, Nil'deki Mısır teknelerinin enlemesine salmalarının su üstündeki benzeridir. Deplasmanlı teknelerin açtığı balon yelkenler (spinnaker) de aynı amaca hizmet ederler.
Bunun kötü yanı şuradadır: Tekne zaten gövde hızına yakın bir hızla gittiği için, rüzgar şiddeti güvenli bir sınırın üzerine çıktığında armada oluşan basınç, teknenin hızlanması ile azaltılamaz. Bu yıkıcı kuvvet, göreli rüzgar hızının kübü ile büyür ve sonuçta biz bu dayanılmaz kuvvete neredeyse hareketsiz bir cisimle karşı koymaya çalışırız.
Tek kaçış yolu
yelken alanını küçültmektir ama Şekil 6'da görüldüğü gibi, zor koşullar altında
bu son derece tehlikeli bir operasyondur. Horn Burnu'nun her dönülüşünde
tekneden düşerek kaybolan ortalama bir yelkenci de bunun kanıtıdır.
Fırtinada çırpınan büyük bir kumaş parçasını kontrol etmek çok zordur. İki yelkenci arkadaşım kuvvetli rüzgarda yelkeni kontrol almak isterken güverteden sinek gibi denize uçmuşlardı. Neyse ki her iki durumda da mucize eseri olarak kurtarma operasyonları başarılı oldu.
Şekil 6
Kontrolden çıkmış bir yelkenin verebileceği hasarın korkusu ve yelkeni küçültmek ya da tümüyle kapatmak için kısa sürelerde çabuk davranabilme telaşı günümüzün modern yelkencileri ile kabasorta armalı gemilerdeki gemicilerin kafasını sürekli olarak meşgul eden ortak kaygılardır.
Aslında kabasorta armalı gemiler yalnızca mutedil rüzgarlı sakin denizlerde ve duvarlara astığımız resimlerde çok hoş görünürler. Doğrusu bu tekneler konusunda süregiden romantikleştirme çabalarına karşı fazla sabırlı davranamıyorum.
Bana kalırsa kabasorta armalı gemilerin tasarımları mürettebatın insanüstü çabalarını gerektirecek biçimde yapılmaktaydı.Bu da uzun yolculuklarda kaçınılmaz olarak disiplini korumak adına hepimizin bildiği kaba kuvvet gösterilerine yol açıyordu. Bu tür gemilerin artık dünyanın hiç bir yerinde herhangi bir yük taşımacılığında kullanılmıyor olması hiç de sürpriz değil.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 3
Havacılık ve Denizcilik
Daha önce sözü edilen Çin teknelerinin (junk), güverte üzerinden yalnızca bir kişi tarafından jaluzi ya da stor perde gibi yerine basılıp indirilebilen,son derece zekice tasarlanmış yelkenleri vardı (Şekil 7). Daha da önemlisi, bu yelkenlerin malzeme ve yapıları, teknelerin etkili bir biçimde rüzgarüstüne doğru seyir yapabilmelerine olanak veriyordu ki batı dünyasının bunun nasıl yapılabileceğini öğrenmesi için yüzlerce yıl geçmesi gerekmiştir. Bunun nasıl olduğunu anlamak için başta sözü edilen denizcilik havacılığı bağlantısını anlamak gerekir.
Şekil 7
Bir levha çevresinde, levha yüzeyi ile küçük bir açı yaparak akan bir akışkanın levhaya uyguladığı kuvvetin büyüklüğü ve yönü, Newton'dan başlayarak günümüze değin pek çok fizikçiyi uğraştırmış olan bir problemdir. Newton'a atfedilen bir teoriye göre, küçük açılar için uygulanan kuvvetin önemsiz olduğu, açı büyüdükçe kuvvetin de açının sinüsü ile orantılı olarak büyüyeceği öngörülmüştü. Yüz yıldan daha uzun bir zaman önce yazdığı, makalede Lord Rayleigh, bu öngörüye şöyle karşı çıkmıştı: 'pratik insanlar özellikle açının küçük değerleri için hedeften epey uzaklaşıldığını bilirler..'Ve o zamanlar henüz doğmamış olan denizcilik havacılığı (aeronautics) bilimini müjdelercesine 'çekme' ya da 'kaldırma' kuvvetini açıkça tanımlamaya çalışıyordu. Çinli kürekçilerin su içinde hareket eden kürekten daha büyük bir kuvvet elde etmek için, küreklerini suya özel bir biçimde daldırmalarından yola çıkarak 1876 yılında şöyle yazıyordu: Bir levhanın bir sıvı içerisinde geniş yüzeyi doğrultusunda hareketine karşı oluşan direncin, levhanın yanal hareketi ile arttırılabileceği gerçeği çok ilginç. Bu, yapay uçuş açısından yaşamsal önemi olan bir poblem olacağa benziyor.
Bu fikri geliştirerek küçük açılar için çok daha büyük bir kuvvetin oluşması gerektiğini hesapladı ki, yirminci yüzyılın başında ve sonraları, büyük bilim adamları tarafından geliştirilen hava kanatlarının dolaşım teorisine göre bugün biz bu kuvvetin daha da büyük olması gerektiğini biliyoruz. Bir kuşun yere doğru, kanatlarının alanına eşit bir paraşütle inebileceğinden daha küçük bir düşey hızla süzülebilmesini sağlayan kuvvet budur.Ve havada yana doğru hareket ediyor olsa bile, bir uçağın, kanatlarının gerçek alanına orantılı bir kuvvetle havada kalmasını sağlayan kuvvet de budur.
Şu andaki ilgi alanımıza dönecek olursak, rüzgarla küçük bir açı yapacak şekilde ayarlanan bir yelkenin ürettiği, rüzgarın esiş yönüne dik olan ve tekneyi rüzgarın geldiği yönle küçük bir açı yapacak şekilde götüren kuvvet, işte bu kaldırma (çekme) kuvvetidir.Ama çizimde görüldüğü gibi (Şekil 8) bu kuvvetin tekneyi yana sürüklemeye çalışan bileşeni, pruva yönündeki çekme bileşeninden çok daha büyük olacaktır.
Şekil 8
Bu da yelkenli teknelerin su altında, yanal hareketini zorlaştıran ama ileri hareketini etkilemeyen bir yapıya sahip olmalarını zorunlu kılar. Çinlilerin icad ettiği, günümüzde hala Hollanda yerel teknelerinde yandan indirilen salmaların fonksiyonu da budur. Rüzgar sörfü, dingi ve yelkenli yatlar gibi modern teknelerde bulunan çeşitli boy ve biçimlerdeki sabit ya da hareketli (sürme) salmalar da bu amaca hizmet ederler.
Su içinde
teknenin ön ve arkasındaki bu yüzeylerin işlevi, öyle görülüyor ki Rayleigh ve
Froude tarafından, kimi günümüz yatçılarından daha iyi anlaşılmıştır. Gene
makaleden okuyalım:
Uzun bir cismin su içindeki uzunlamasına hareketinin, bu cismi belirli bir hızla yanlamasına hareket ettirebilecek kuvvetten etkilendiğinin kanıtı olarak bay Froude şöyle diyor: 'Bütün denizciler bilir ki hemen tramola attıktan sonra bir teknenin rüzgar altına düşme miktarı, tekne hız kazandıktan sonraki düşme miktarından daha fazladır. Tekne hız kazandıkça düşme miktarı yalnızca göreceli olarak değil, mutlak olarak azalır.
Buradan da görülüyor ki, teknenin yana doğru hareketini (düşme) önleyen kuvvet, su içinde yana doğru hareket eden kanat biçimli yapıya gösterilen direnç değil, bu yapının simetri düzlemine küçük bir açı ile yaptığı ileri hareket sonucunda ortaya çıkan çekme kuvvetidir. Bu yapı su altında dikey bir su kanadı olarak, yelken ise gene dikey bir hava kanadı olarak görev yapar. Bu kanatlar üzerinde, he ikisi de yatay olarak oluşan boylamasına ve enlemesine kuvvetlerin çekme ve direnç olarak adlandırılmaları talihsizliktir. Teknelerin uçaklardan yavaş olmalarının nedeni, bu araçlardaki kanat biçimli yapılar üzerinde oluşan kuvvetlerin büyüklüklerinin farklı olmasıdır.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 4
Hava ve su kanatları
Bir hava ya da su kanadının kalitesini belirleyen pek çok faktörden, şu anda konumuzla ilgili olan yalnızca üçünden söz edeceğiz: simetri, biçim (kesit) ve uzunluk/genişlik oranı. Kuşların ve çoğu uçağın kanatlarının üst yüzlerinin alt yüzleriyle benzerliği yoktur. Görünüşe bakılırsa ne kuşların ne de yolcu uçaklarının baş aşağı uçmak gibi bir gereksinimleri yoktur. Ama düz uçabildikleri kadar başarılı bir biçimde baş aşağı da uçması gereken akrobasi uçaklarının simetrik yapıdaki kanatları neredeyse diğerleri kadar başarılıdır. Bu durumda giriş açısı, simetrik olarak aerodinamik biçim verilmiş olan kanadın akışkanın akış doğrultusu ile yaptığı açıdır.
Teknelerde rüzgarın yelkene bir yandan ya da diğer yandan çarpabileceği açıktır, bu nedenle de su altındaki kanadın (salma ve dümen) her iki yana doğru da sürüklenmeyi aynı şekilde önlemelidir. Teknenin simetri ekseni üzerinde bulunan sabit ya da hareketli salmalar her zaman simetrik olurlar ama teknenin yan tarafından indirilebilen rüzgaraltı salmaları (leeboards) farklı olabilir, çünkü her iki bordada birer tane rüzgaraltı salması bulunur.
Hollanda teknelerinin simetrik kesitli salmalardan daha etkili, birbirinin ayna görüntüsüne sahip iki tane rüzgaraltı salmasına sahip olduklarını daha yeni öğrendim. Şurası açıktır ki yelken, eğer kumaşsa, iki boyutlu olduğu için her iki yönde de bükülebilir. Bu esnekliğin bedeli ise üç boyutlu bir kanada göre düşük olan verimliliği ile birlikte her zaman açık bırakılamama özelliğidir. Uzunluk/genişlik oranına gelince, denizcilik havacılığı bize uzun ve ince kanatların daha verimli olduklarını öğretti. Bu da Bermudan adı verilen ve teknelerde eski, dört köşeli yelkenlerin yerini alan, uzun orsa/kısa altabaşo yakalı modern üçgen yelkenlerin biçimlerini açıklıyor.
Bir kanadın kalitesinin mutlak ölçüsü, genellikle birkaç derece olan ortalama giriş açısı altında üretilen enlemesine ve boylamasına kuvvetlerin oranı demek olan inceliktir (finesse). Bir başka isim, Şekil 9'da görülen ve denizcilik havacılığında süzülme açısı ya da kaldırma/direnç(sürtünme) oranıdır.
ŞEKİL 9 - 4 dereceden küçük geliş açıları için bükülmüş bir
plakanın (solda) ve bir hava kanadının (sağda) üretiği
kaldırma ve direnç (sürtünme) kuvvetleri.
Her iki elemanın da uzunluk/genişlik oranı 6'dır.
Bu şekilde de iki boyutlu bir kanadın performansının üç boyutlu bir kanada göre düşük olduğu görülüyor. Eğer tek motorlu bir uçağın pilotu iseniz, bu oran size, eğer yerden bir kilometre yüksekteyken motorunuz stop ederse en fazla kaç kilometre sonra uygun bir iniş noktası bulmanız gerektiğini söyler. Bir yelken teknesi için, biri teknenin su üstü yapısı ve kanadının(yelkeninin) performansı ile ilgili, diğeri ise teknenin su altı yapısı ve kanadının (salması) performansı ile ilgili olan iki açı vardır. Teknenin yelken performansının bu ikisi tarafından belirleneceğini varsaymak yanlış olmaz. Daha öce de belirttiğim gibi, kanat teorisi yirminci yüzyılın başlarında geliştirildi. Bu oyundaki en zeki katılımcılardan biri, kendisi de amatör bir matematikçi olan ve tümüyle bağımsız bir biçimde akışkanların dolaşım teorisini ortaya koymuş olan Lanchester adlı İngiliz'dir. Gerçek kanatlarda ortaya çıkan sürtünme kuvvetini ilk anlayan ve ortaya koyan, bu sürtünmenin kanat uçlarında ortaya çıkan anaforlarla bağlantısını ilk açıklayan odur. İngiltere'deki ilk otomobili üreten Lanchester'in hızlı otomobiller yapan bir şirketi vardı. Ama onu en yüksek mertebeye koymamın, yelken teorisi herkes tarafından anlaşılmadan çok önce yazdığı birkaç satırdır. F. W. Lanchester tarafından 1907 yılında yazılan satırlar şöyledir:
'Yelkenli teknelerin mekaniği problemi, havada çalışan kanatlar (yelken planı) ve su altında çalışan kanatların (salma) tepkilerinin birbirlerini desteklemesine dayanıyor. Bu varsayımın sonucu olarak, görünüşe bakılırsa, yelkenli bir teknenin rüzgara karşı seyredebileceği minimum açı, su üstü ve su altındaki süzülme açılarının toplamıdır.'
Şekil 10'da gösterilen Lanchester'in parlak rota teoremi, yelkenli bir teknenin performansının yalnızca bir ß açısı cinsinden ifade edilebileceğini anlatıyor. Bu ß açısı, tarih boyuca yeni geliştirilen her yelken türü için sürekli küçülmüştür. Yelkenli buz kızaklarının olağanüstü performanslarının nedeni, süzülme açısının neredeyse sıfır olması ve ß açısının yalnızca yelken ve kızakçının rüzgar alan yüzeyleri tarafından belirlenmesidir.
ŞEKİL 10 - Lanchester Rota Teoremi.
Teknenin rüzgarüstüne seyiryapabileceği en küçük açı su üstü ve su altı süzülme açılarının toplamıdır.
Tekerlekler üzerinde hareket eden ve hareket yönündeki dirençleri yanal dirençlerinden çok küçük olan kara yelkenlilerinin de ß açıları çok küçüktür.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 5
Gerçek Yelkencilik
Su taşıtlarına dönecek olursak, ideal bir yelken makinesinin bir tanesi havada, bir tanesi de suyun içinde olmak üzere iki kanadının olması gerektiği açıktır. Bu ideal konfigürasyona en yakın örnek, hepimizin iyi bildiği ve yelkenli su araçlarının en yaygın türünü oluşturan rüzgar sörfüdür. Dünyada yüzbinlerce, büyük bir olasılıkla da milyonlarca rüzgar sörfü bulunuyor. Zekice tasarlanmış, taşınabilir, göreceli olarak ucuz olan bu araç, bir zamanlar milyonerlerin sporu olarak bilinen yelken sporunu milyonlarca kişinin yapabileceği kadar yaygınlaştırdı. Ama eğer siz de benim gibi orta yaşın üzerinde ve biraz da kilolu iseniz, ve de buz gibi sulara düşmekten hoşlanmıyorsanız, oturup sörfü ilk defa denemekte olan birisini izlemek daha eğlenceli olabilir.
Bir teknenin rüzgarüstüne ß'dan daha büyük herhangi bir açıyla seyir yapabileceğini gördükten sonra şimdi de (dengeye ulaşıldığı durumlarda) teknenin hızını belirleyen tek faktör olan görünür (zahiri) rüzgar konusuna biraz daha yakından bakabiliriz. Eğer tekne rüzgaraltına doğru gidiyorsa görünür rüzgarın gerçek rüzgardan daha az olacağını görmüştük.
Ama, Şekil 11'den de anlaşılacağı gibi, başka yönlere giderken görünür rüzgar, gerçek rüzgardan daha çok da olabilir.
ŞEKİL 11- Gerçek ve Görünür Rüzgar .
Bu nedenle hız yelkenciliği, tekne hızını arttırmak için görünür rüzgarı arttırmayı gerektirir. Ama görünür rüzgar arttıkça yönü de teknenin pruvasına doğru döner. Burada limit nedir? Cevap: teknenin rüzgarüstüne seyir yapabileceği en küçük açı olan ß açısı limit değerdir. Bu sonucu, yani görünür rüzgar en çok pruvaya döndüğünde teknenin en yüksek hıza ulaştığı sonucunu izleyen başka bazı sürprizler de var!
Sörfçüler ve buz yelkencileri gibi teknelerinin gövde hızı sınırlı olmayan sporcular bunu bilir ve rüzgaraltı tramola için kullanırlar.
Rüzgar kemerede başlar ve hızlandıkça pruvayı rüzgardan açarlar, böylece de, Şekil 12'de görüldüğü gibi rüzgar arkadan olmasına rağmen orsa seyir yapabilirler.
ŞEKİL 12 - Yelkenli bir teknenin hızı gerçek rüzgar hızını geçebilir.
Eğer rüzgar A'dan B'ye doğru esiyorsa, A'dan aşlar, yarı yolda kavança atar ve B noktasına aynı anda yola çıktıkları rüzgardan daha önce ulaşırlar. Burada kaçırmanızı istemediğim çok önemli bir mesaj var. Kanat gibi davranan ve çekme kuvveti üreten küçük bir yelken, bir aracı rüzgaraltındaki bir hedefe rüzgardan daha hızlı ulaştırabilir. Balon ya da benzeri bir yelken en iyi olasılıkla rüzgar hızına yaklaşabilir fakat sıfıra yakın görünür rüzgarda tekneti yürütebilmek için anlamsız ölçülerde büyük olmak zorundadır. Bir diğer mesaj ise hızlı teknelerin, gerçek ve görünür rüzgar hızları arasındaki büyük farktan ötürü tramolaları daha büyük açılarla yaptıkları gerçeğidir. Katamaran ve benzeri tekneler, küçük açıyla tramola yapabilen yavaş tekneler tarafından 'rüzgarüstü performansı zayıf' olarak bilinirler. Tramolalar arasındaki açı yalnızca hızları gerçek rüzgar hızının yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olan tekneler için ß açısının iki katı kadar olabilir.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 6
Hız Yelkenciliği
Eğer istediğiniz şey hız yelkenciliği ise, ß açısı size rüzgardan ne kadar daha hızlı gidebileceğinizi ve bu maksimum hıza ulaşabilmek için hangi yöne gitmeniz gerektiğini de bildirir (Şekil 14).
Cosec ß, tekne hızının rüzgar hızına oranının maksimum değerini verir ve bu maksimum değer, hakiki rüzgar tekne kemeresinin ß kadar arkasından estiği zaman elde edilir. Bu durumda görünür rüzgarın, tekne pruvasından yaptığı açı da ß olur.
ŞEKİL 14 . Hız yelkenciliği. Tekne hızının rüzgar hızına oranının maksimum değeri Cosec ßdır. Bu maksimum oranı elde etmek için gerçek rüzgar kemere doğrultusunun ß kadar gerisinde iken seyre başlanır ve görünür (zahiri) rüzgarın pruvayla yaptığı açı ß oluncaya kadar hızlanılır.
Kaliforniyanın kuru göl yataklarında yarışan kara yelkenlilerinin sahip olduğu küçük ß açıları bunların saatte 90 deniz miline ulaşan hızlar yapmalarına yol açıyor.
Aynı şekilde Wisconsinde buz üzerinde kullanılan buz yelkenlileri de saatte 100 deniz milini aşıyorlar. Tekneler için hız denemelerinin yapılacağı ideal parkur, rüzgarın rotaya hemen hemen dik estiği ve tekneyi yavaşlatacak dalgaların olmadığı sulardır.
Kumsal bir dille okyanustan ayrılan İngilteredeki Weymouth, işte böyle ideal bölgelerden bir tanesidir. Burada dalgaları engelleyen kumsal, rüzgarı engellemiyor. Her yıl, rüzgarların genellikle kuvvetli estiği Ekim ayında dünyanın dört bir yanından gelen hız tutkunları garip görünüşlü tekne ve armalarıyla burada mümkün olduğunca hızlı yelken yapmaya çalışıyorlar. Hız Haftası adı verilen bu etkinlikler, yelkencilikte her türlü yeniliği teşvik eden ve inanılmaz önyargı ve baskılara karşın geçtiğimiz kırk yıl boyunca çok gövdeli teknelerin gelişmelerine öncü katkılarda bulunan Amatör Yatçılık Araştırma Derneği tarafından düzenleniyor. Beni bu dernekle tanıştıran kişi, astronomi camiasında iyi tanınan, aynı zamanda sıkı bir yelkenci ve İngilterede su kanatlı ilk trimaran tekneyi inşa eden yenilikçi bir denizci olan Martin Ryle idi.
1995 ve 1997 Ekim aylarındaki hız haftalarına katıldım. Size yapılanlar konusunda fikir vermek için aşağıdaki fotoğraflar eşliğinde birkaç şey söylemem gerekiyor. Etkinliklerde uzun yıllardan bu yana olduğu gibi rüzgar sörfleri (Şekil 15) çoğunluktaydı.
ŞEKİL 15. Weymouth hız haftasında en çok sayıda rstlanan tekneler rüzgar sörfleriydi. Kaydedilen en yüksek hızi 30 km/saat hızla esen rüzgarda 50 km/saat oldu.
Erkekler kategorisindeki en hızlı sörfçü 30 km/saat hızla esen rüzgarda 50 km/ saatlik hıza ulaştı. Rüzgar sörfü, etkinliklerdeki yegane tabiri caizse- tek gövdeli tekneydi.
Bütün diğer tekneler değişik biçimlerde yapılmış iki ya da üç gövdeden oluşuyorlardı. Yeniliklere gelince, Şekil 16da birbirlerine atkılarla bağlanmış bir çift sörf görülüyor. Buradaki fikir, doğrultma momentinin bir önceki şekildeki gibi sörfçünün ağırlığıyla değil, bu yapıyla sağlanması düşünülmüş.
ŞEKİL 16. Dengeyi arttırmak amacıyla düşünülmüş olan çift rüzgar sörfü.
Bir sonraki şekilde (Şekil 17) Polinezya orijinli yelkeniyle bir trimaran görülüyor. Gövdeler teknenin suda kayması için, gövdeden çıkan suya dik kanatçıklar ise önceki bölümlerde geniş olarak incelediğimiz yanal direnci arttırmak üzere tasarlanmıştır.
ŞEKİL 17. Yüksek performanslı Polinezya türü bir yelkene sahip olan kayan bir trimaran.
Göreceğimiz son tekne (Şekil 18) gerçekten üç boyutlu bir kanat yapısı içeriyor. Tramoladan sonra, teknenin rüzgarüstü bordası değiştiğinde de kanadın üst kenarı bu kez alt kenar oluyor. Bu yazıda hep hava kanatlarından söz edildi ama bunun ilk gerçek örneğini bu teknede görüyoruz. Arkadaki küçük beyaz kanat tıpkı uçaktaki irtifa (yükseklik) kanadının görevini yerine getiriyor. Değişik açılara ayarlanan bu kanat, ana kanadın görünür (apparent-zahiri) rüzgarla istenen açıyı yapmasını sağlıyor. Yakında göreceğimiz gibi bu, kanat yelkenle çalışan bütün teknelerin çalışma ilkesidir.
ŞEKİL 18. Kanat yelkenli bir katamaran. Asimetrik olduğundan tramola sırasında ters çevrilmesi gerekiyor. Uçaklardaki irtifa dümeni gibi çalışan arkadaki küçük beyaz kanat rüzgarla değişik açılara ayarlanarak ana kanadın rüzgarla olan açısının sabit olması sağlanıyor.
Sörfün 1995 hız haftasındaki en hızlı yelkenli olduğundan söz etmiştim. Sörfler yirmi yıldan daha uzun bir zaman süresince en hızlı yelkenli olma unvanını ellerinde bulundurdular. Ama son yıllar gerçek yelkenli teknelerin dönüşüne tanık oldu. Birkaç yıl önce Yellow Pages Endeavour adlı trimaran saatte 18-20 mil hızla esen rüzgarda saatte 46.5 mil hız yaptı. Bu göz kamaştırıcı hıza ulaşan deneysel araçların yüksek performanslarının gerçek nedeninin kanat kesitli yelken olduğunu, bununla birlikte piyasada satılmak üzere tasarlanmış konvansiyonel teknelerde bu kanatların iyi çalışmayacağını düşünebilirsiniz. Size klasik yelkenler uzun bir süre daha, kıyı seyri olsun, okyanus seyri olsun teknelerde pratik olarak ve daha da önemlisi güvenli olarak kullanılmaya devam edecek gibi geliyorsa, çok yanlış düşünüyorsunuz derim. Bir dahaki bölümde sizi buna ikna etmeye çalışacağız.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 7
UÇAĞI ANDIRAN YELKENLİLER
Amatör Yatçılık Araştırmaları Derneğinin en seçkin üyelerinden ve zamanının çoğunu kanat yelken kavramının geliştirilmesine adayan öncülerden olan John Walker, 30 yıl önce kendisine dört kanatlı bir tekne yapmıştı. Yirmi beş yıl ve epeyce araştırmadan sonra, iki kanatlı ve daha üstün performanslı bir tekne yaptı.
Bu tekneyi Şekil 19'da sol tarafta görebilirsiniz. Tekne Atlantik Okyanusu'nu başarıyla geçti ve geri döndü. Bu arada da ciddi bir kasırgadan hasarsız çıkmayı başardı. Kamara üzerinde bulunan ve yelkenlerin dönmesini sağlayan ana eksenin solunda, iskele kanat-yelkeninin hemen arkasında zar-zor görülen donanım, kuyruk kanadıdır.
ŞEKİL 19. John Walker yapımı tekne
Kuyruk kanadının ana kanatlarla açısını bilgisayar denetler, işin geri kalan kısmını da rüzgar halleder.
Şekil 19'da ise Walker'in evrimden geçmiş ve gerçek uçaklar gibi tek kanatlı olarak üretilmiş olan en son ve en güzel modeli görülüyor. Rüzgaraltı tarafta görülen küçük kanadın seyir yapılan rotaya uygun olarak ana kanatlarla açısını, güneş panelleriyle çalışan bir bilgisayar kontrol ediyor. Güneş panelleri de enerjilerini rüzgarın kendisi gibi Güneş'ten alıyorlar.
Paneller Şekil 20'de ana kanadın hemen önünde görülebilir. Simetri problemi, kanadın hemen önünde yer alan bir flap (hareketli kanatçık) yardımıyla çözülmüş. Bu flaplar inişe geçen yolcu uçaklarının kanatlarının hemen ön tarafında açıldığını gördüğümüz flaplara çok benzer. Teknede her iki yöne de döndürülebilen flaplar itme gücünde çok büyük bir artış sağlarlar.
Şekil 20
Şekil 21'de
ise flap operasyonu görülüyor. Tüm bu resimler, bu yazıyı hazırlayabilmeme
yardımcı olmak üzere değerli yardımlarını esirgemeyen Dick Ogilvie ve John
Walker'in izniyle yayınlanıyor.
Tüm uçak kısmının (kanatlar, flaplar vb.) çevresinde serbestçe dönebildiği dikey yatak, aynı şekilde (Şekil 21) açık bir biçimde görülüyor. Kuyruk açısını ayarlayan küçük motor da gücünü Güneş panellerinden alıyor. Doğal olarak bir yedekleme sistemi, hatta gerekli olması durumunda kullanılabilecek olan manuel (elle) kontroller de unutulmamış.
Şekil 21
Her şey bir işlemci tarafından yönetiliyor ve daha çok bir uçağın kokpitini andıran kokpitte (Şekil 22), dümen simidinin solunda ileri ve tornistan hareketler için küçük bir mors kolu görülüyor. Tabii iyi dizayn edilmiş diğer çok gövdeli tekneler gibi bunun da orsa seyrinde yan yatmayıp dikey pozisyonda seyrettiğini söylemeye gerek yok. Tek kanatlı model şu an İngiltere, Plymouth'ta seri üretim aşamasına geçmiş durumda ve anlaşılan bu yıl bunlardan birinin Amsterdam'da boy göstermesi bekleniyor.
Şekil 22
Teknede uçak kanadı kullanmanın gerektirdiği bir başka şey daha var. Nasıl uçak alana her indikten sonra kanatları sökülmüyorsa, bu teknelerin kanat-yelkenleri de her seyirden sonra indirilmeyecek. Eğer dönmekte serbest bırakılıp rüzgara göre kendini ayarlamasına izin verilirse bir kanat-yelkenin vindajı (rüzgara karşı göstereceği direnç) herhangi bir konvansiyonel teknenin çıplak direği ve armasından daha az olacak. Üstelik rüzgar estiğinde halatlarda olduğu gibi vurma sesleri de çıkarmayacak. Ve kanatlar rüzgarda mutludur, en hafif uçakların seyir hızları bile fırtına ve orkanların Bofor ölçeğinin çok üzerindedir.
KARE YELKENDEN KANAT
YELKENE:
YELKENLİ TEKNELERİN FİZİĞİ
Bölüm 8
TEKNELERLE OYNAMAK
Defalarca tekrarladığımız gibi yatçılık (yelkencilik), rüzgardan enerji elde etme denemeleri ve bu enerjiyi tekneleri suyun üzerinde bir yerden başka bir yere götürmek için kullanma çabasıdır. Otomobil ve bisiklet gibi kara araçlarında üretilen güç motorun ya da aracı kullanan kişinin gücüyle sınırlıdır. Yolun eğiminden (ya da rüzgardan) kaynaklanan değişken yük, vites kutusundaki dişliler yardımıyla üretilen güçle uyum halinde tutulur. Böylece güç kaynağı en verimli olduğu devirde çalışırken aracın hızı da üretilen gücü tüketecek şekilde ayarlanır.
Yelkenli teknelerde ise üretilen güç rüzgara gösterilen yüzeyin (yelken yüzeyinin) alanıyla ve görünür (rölatif) rüzgar hızının üçüncü kuvvetiyle (kübüyle) doğru orantılıdır. Bilindiği gibi, denizde karşılaşılabilecek rüzgar hızları on kat değişiklik gösterebilir. Dolayısıyla rüzgar hızındaki değişiklikleri bu sayıyla sınırlı tutsak bile iyi ve kötü rüzgar güçleri arasında bin kat gibi inanılmaz bir fark oluşur. Bu farkla uğraşırken bir de karşımıza sınırlı gövde hızı hastalığı çıkar ve işi daha da karmaşık hale getirir. Böylece, daha önce de söylediğimiz gibi yelken alanlarında yapılması gereken değişiklikler çok büyük değerlere ulaşır. Bu da yelkenleri gerektiğinde daha büyük veya daha küçük boyutlu yelkenlerle değiştirmek anlamına gelir.
Bu yazıyı hazırlayabilecek ruh durumunda olmak için Markermeer'de bir gün boyunca yelken yaptım. Su üzerinde olmak ve rüzgarın gücüyle su üzerinde kaymak harika duygulardı. Bu duyguları paylaşan diğer insanlara karşı derin bir kardeşlik duygusu hissettim. Bu duyguları zedelemek istememekle birlikte şöyle bir benzetme yapmaktan da kendimi alıkoyamıyorum: yelkenlerin birini indirip diğerini basmak, otomobille giderken her yokuşun dibinde tekerlekleri çapı değişik olan tekerleklerle değiştirmek, tepe üzerine varıldığında da yeniden değiştirmeye benzetilebilir. Rüzgar şiddeti arttığında ana yelkene camadan vurma işi çoğu teknede son derecede acıklı bir iştir ve yalnızca cenoa sarma sistemi manuel (düz) vitesli otomobiller ya da bisikletlerdeki vites değiştirme hızıyla kıyaslanabilir.
Yelkenlerin çekildiği direkler, direkleri tutan çarmık ve gurcatalar, yelkenleri basmaya, rüzgara göre açılarını ayarlamaya ve indirmeye yarayan yüzlerce metre sentetik ve çelik halat, makaralar, kilitler, traveler düzenekleri, gönderler ve güverte üzerindeki her şey yalnızca iki parametreyi ayarlamak içindir, yelken alanı ve yelkenin rüzgarla yaptığı açı. Ve yelkenlerin dönme eksenleri rüzgar etki merkezinden mümkün olduğunca uzağa yerleştirilir, bu nedenle yelkenleri ayarlamak için pahalı vinçlere ve bir vücut geliştirme sporcusunun kaslarına gereksinme duyarsınız. Buna bir de öğrenmeniz gereken yüzlerce yelken terimini ve atmanız beklenen onlarca gemici düğümünü ekleyin; sonuçta yalnızca su üzerinde bulunmak ve rüzgar tarafından itilmek için ödemeniz gereken bedelin hayli büyük olduğu ortaya çıkar.
Birden birinin çıkıp yelken basma, indirme, camadana vurma gibi sözcüklere lugatında yer olmayan, güvertesinde hareketinize çapariz veren tek bir halat bulunmayan, rüzgar kuvvetini kullanarak kendini ayarlayan, tekneyi boyuna göre sahip olması gereken gövde hızının iki katı hızla götüren, dahası içkiniz dökülmesin diye tekneyi yatay tutan, bir motor gibi kolayca alınıp satılan bir itici güce sahip olan, üstelik okyanus geçebilecek bir tekne satmak istediğini düşünün. Tekne işine büyük yatırım yapan üreticilere ne büyük bir darbe olur değil mi? Yachting World adlı etkili İngiliz dergisinin performansını ispatlamış olan Walker Wingsail adlı trimarana böylesine büyük bir düşmanlıkla saldırması pek de şaşırtıcı değil. İngiliz Yüksek Mahkemesi de hakkın kuvvete galip gelmesinin ender örneklerinde birini vererek dergiyi bir buçuk milyon pound tazminat ödemeye mahkum etti.
Geleneksel yelkenliler eski Hollanda yeldeğirmenleri kadar pitoresktir. Ama yeldeğirmenlerinden nasıl modern rüzgar jeneratörlerine geçildiyse, benzer bir değişiklik yelken teknelerinde de yapılmak zorundadır. Bir çocuk klasiği olan Wind in the Willows'da Mr. Mole (Bay Köstebek) teknelerle oynamak kadar zevkli bir şey olmadığını söyler. Buna yürekten katılıyorum ama çoğunun tasarımının oynamaktan öte bol miktarda konu verdiğini de hissediyorum.
Yazarlar: V. Radhakrishnan
Tercüme eden: Murat Alev
Hazırlayan: Alp Tezbasaran
Soru ve önerileriniz için ; firstname.lastname@example.org