UÇAKLAR NASIL UÇAR? FİZİK BİLİMİNİN BUNUNLA İLGİLİ AÇIKLAMASI
Bir jet uçağının kalkış ya da inişini izlediyseniz, dikkat etmeniz gereken ilk şey motorların sesi. Uzun motorlu, sürekli yakıt ve hava yakan jet motorları, geleneksel pervane motorlarından çok daha gürültülüdür (ve çok daha güçlüdür). Motorların bir uçağı uçurmanın anahtarı olduğunu düşünebilirsiniz, ancak yanılıyorsunuz demektir. Planörler (motorlu olmayan uçaklar), kağıt uçaklar ve gerçekten de süzülen kuşlar, bize kolayca gösterebilir ki, motorsuz şeyler uçabilir.
Uçakların nasıl uçtuğunu anlamaya çalışıyorsanız, motorlar ile kanatların görevleri ne olduğunu bilmemiz gerekir. Bir uçak motoru, yüksek hızda uçağı ileri doğru hareket ettirmek için tasarlanmıştır. Hava akımı kanatların üzerinden hızlı bir şekilde akar ve havayı yere indirme ve kaldırma adı verilen, uçağın ağırlığını aşan ve gökyüzünde tutan yukarı doğru bir kuvvet üretir. Çoğu uçak kanadı, eğimli bir üst yüzeye ve daha düz bir alt yüzeye sahiptir; bu da, hava kanalı adı verilen kesitsel bir şekle sahiptir.
Bilim kitapları ve web sayfalarında, böyle bir kanadın kaldırma üretme biçimine dair yanlış bir açıklama okuyacaksınız. Muhtemelen şöyle; Hava, kavisli üst kanat yüzeyinin üzerinde alttan geçen havadan daha fazla yol alır, bu yüzden kanadın üstündeki hava alttaki havadan daha hızlı gitmelidir. Bernoulli yasası adı verilen aerodinamik ilkesine göre hızlı hareket eden hava yavaş hareket eden havaya kıyasla daha düşük basınca sahiptir, bu nedenle kanat üzerindeki basınç, aşağıdaki basınçtan daha düşüktür ve bu basınç farkı uçağı yukarı doğru kaldıran bir kuvvet etkisinin ortaya çıkmasını sağlar.
Kanatların nasıl işlediğine ilişkin bu açıklama yaygın olarak tekrarlansa da, yanlış. Bir an düşünün eğer bu doğruysa (bernoulli ilkesi) akrobatik uçakların ters uçmaları imkânsız olurdu. Bir uçağın ters dönmesi kanatlarda ters yönlü kuvvet üretecek ve yere doğru alçalacak şekilde yollayacaktır.
Kaldırma standart açıklaması başka bir önemli nedenden dolayı da sorun yaratmaktadır: kanadın üstünden ve altından geçen hava aynı anda kanadı geçmek zorunda değil ve üsteki hava akımının alttaki hava akımından aynı sürede daha hızlı aktığını söylemez. Kanadın önüne varan ve birbirinden ayrılan iki hava molekülünü düşünün, Biri üstten kavisli yol kat ederken, diğeri alttan düz bir yol kat edecek. Bu iki molekülün kanadın arka ucunda tam da aynı anda varması için hiçbir neden yok: Bunun yerine diğer hava molekülleri ile buluşabilirlerdi. Hava akımı kanadın önüne ayrıldığı ve arkadan tekrar düzgün bir şekilde karşılaşması düşüncesi yanlıştır.
Peki, gerçek açıklama nedir? Eğimli bir uçak kanadı gökyüzünde uçarken havayı iter, kanadın üstündeki ve altındaki hava basıncını değiştirir. Bu sezgisel açıdan açıktır. Yavaş yavaş bir yüzme havuzunda yürürken nasıl hissettiğini düşünün ve suyun vücudunuza karşı itme kuvvetini hissedin: Vücudunuz suyun içine girdiği anda su akışını değiştirir, işte kanat profili de aynı şeyi yapar.
Bu neden oluyor? Hava kavisli üst yüzeyin üzerinden akarken doğal eğimi düz bir çizgiyle hareket etmektir, ancak kanat eğrisi onu çevreler ve geri çeker. Bu nedenle, hava daha geniş bir hacme doğru uzanır - aynı sayıda hava molekülü daha fazla yer kaplamaya zorlanır - ve basıncı düşürür. Bunun tam tersi için havanın kanat altındaki basıncı artar: ilerleyen kanat, önünde bulunan hava moleküllerini daha küçük bir alana sıkıştırır. Üst ve alt yüzeyler arasındaki hava basıncındaki fark, hava hızında büyük fark yaratır. Hız farkı (gerçek rüzgâr tüneli deneylerinde gözlemlenmektedir) basit (eşit geçiş) teoriden tahmin ettiğinizden çok daha büyüktür. Öyleyse, iki hava molekülümüz ön taraftan ayrılırsa, üstten geçenler alt tarafın altına gidenden daha hızlı kanat kuyruk ucuna ulaşırlar. Ne zaman varırlarsa varsınlar, Bu moleküllerin her ikisi de aşağıya doğru hızlanacak - ve bu da önemli bir ikinci aşamada kaldırma kuvveti üretmeye yardımcı olur.
Eğer bir helikopteri görmüşseniz veya yakınında durmuşsanız, gökyüzünde nasıl kalacağını bilirsiniz: Ağırlığını dengeleyen hava büyük bir aşağı yönde bir itme kuvveti oluşturur. Helikopter rotorları, bir düzlemde ilerleyen uçaklardaki kanatların yerine bir daire içerisinde dönerler. Buna rağmen, uçaklar helikopterlerle aynı şekilde aşağı yönde bir itme kuvveti oluşturur.
Genellikle bir kanadın üstü ve altından akan hava kanat yüzeylerinin eğrisini çok yakından takip eder. Ancak, hücum açısı arttıkça, kanat arkasındaki pürüzsüz hava akımı parçalanmaya başlar ve türbülans oluşur ve bu kaldırma kuvveti azalır. Belli bir açıyla (genellikle yaklaşık 15 ° de), hava kanadın çevresinde yumuşak bir şekilde akmaz. Bu durumda kaldırma kuvvetinde bir azalma meydana gelir.
Uçaklar airfoil şeklindeki kanatlar olmadan da uçabilir; 17 Aralık 1903'te Wright kardeşler tarafından havalanan ilk uçakları sadece ahşap bir çerçevenin üzerine uzanan bez parçalardı; Wright kardeşlerin uçağının kanat profili (airofoil) profile sahip bir kanat değildi. Wright kardeşler, kanatların hücum açısının çok önemli olduğunu fark etti: "Bu buluşa konu olan karakteristik uçabilen makinelerde, cihaz bir veya daha fazla uçağın alt yüzeyi ile havanın teması nedeniyle havada taşınır; Yüzey havayla küçük bir açı verilerek uçağın uçması sağlanır.
Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, kanatlar ne kadar büyük olursa, o kadar çok kaldırma kuvveti yaratırlar: Bir kanadın alanını ikiye katlamak hem kaldırma hem de sürüklenme oranını ikiye katlar. Bu yüzden devasa uçaklar devasa kanatlara sahipler. Ancak küçük kanatlar, yeterince hızlı hareket ettikleri takdirde çok fazla kaldırma kuvveti üretebilirler. Kalkışta ekstra kaldırma kuvveti üretmek için, uçaklar kanatlarında kanatların üstünde daha fazla havanın aşağıya inebileceği kanatlara sahiptirler. Kaldırma ve sürükleme hızınızın karesine göre değişir; dolayısıyla bir uçak yaklaşmakta olan havaya göre iki kat daha hızlı giderse, kanatları dört kat daha fazla kaldırma (ve sürükleme) üretir.
Helikopterler, rotor kanatlarını (esasen bir daire içerisinde dönen ince kanatları) çok hızlı bir şekilde döndürerek büyük bir kaldırma kuvveti üretirler.
ÖZETLE
Bir uçağın uçmasını sağlayan iki önemli etken vardır. Bunlardan birincisi kanat şeklinin (airfoil kanat yapısı) yapısından dolayı kanadın alt ve üstünden hareket eden havanın hızlarının farklı olmasından kaynaklanan basınç farkı oluşması. Kanadın şeklinden dolayı kanadın üst tarafında hareket eden havanın hızı alt tarafında hareket eden havanın hızından daha büyüktür. Bernoulli ilkesine göre hız arttıkça basın düşer ilkesinden kanadın altında oluşan basınç etkisi kanadın üstünde oluşan basınçtan fazla olduğundan kanada yukarıya doğru iten bir kuvvet ortaya çıkar.
İkinci etken ise; kanadın hava düzlemi ile belli bir açıda hücum etkisi oluşturularak havanın kanadın altına alınmasıyla kanadı yukarı doğru bir kuvvet etkisinin oluşması sağlanır. Bunu bir uçurtmanın uçması ile izah edebiliriz. Uçurtmayı airfoil kanat yapısına sahip olmayan bir uçak, koşarken tutuğumuz uçurtmanın ipi ise uçağı ileriye iten uçak motoru gibi düşünürsek, uçurtmanın yatay düzlemle yaptığı açıyla havayı uçurtmanın altına alması sonucu yükselmesini sağlar.
Hazırlayan: Celal DEMİRTAŞ (Fizik Öğretmeni)