Bernoulli etkisi evlerin çatısını uçuran ve çatıların baskısını azaltan kasırga ve hortumlar gibi şiddetli fırtınaların yol açtığı hasara katkıda bulunur.
Bernoulli İlkesi
Enerjinin korunumundan ortaya çıkan Bernoulli ilkesi bir akışkanın (sıvı ya da gaz) hızı, basıncı ve yüksekliği ile ilgilidir. Yükseklik değişimi olmaksızın yani sabit bir yükseklikte yüksek hızlı akışkanların daha düşük bir basıncı vardır.
Hortumlar ve kasırgalar gibi şiddetli fırtınalar sırasında bir evin çatısı üzerine esen yüksek hızlı rüzgarlar bir basınç farkına neden olur. Çatıyı uçurmak için basınç farkı yeterli midir? Buna cevap vermek için olayın matematiğine bakalım.
Basınç Farkı
Bernoulli ilkesi doğrudan kuvvetten ziyade çatının dışı ve içi arasındaki basınç farkını verir. Basınç alan tarafından sürdürülen kuvvettir, yani kuvvet çatının alanı ile basıncın çarpımı şeklindedir. Bernoulli ilkesinin matematiksel denklemi çoğu üniversite fizik kitabında bulunmaktadır.
Evin içindeki hava hâlâ yükseklik farkına sahip değildir ve rüzgar çatının üzerinden esmektedir. Bernoulli denklemi bize çatının içi ve dışı arasındaki basınç farkının rüzgar hızının karesi ile hava yoğunluğunun yarısının çarpımı olduğunu söyler. Eğer hava yoğunluğu metreküp başına 1.3 kilogram ve rüzgarın hızı saniyede 67 metre (saatte 240 kilometre – ki bu geçenlerde Filipinler’de olan Haiyan tayfunu kadar güçlü bir kasırgaya denktir) ise çatının içi ve dışı arasındaki basınç parkı metre kare başına 3000 Newton’a karşılık gelir.
Hortumlar daha hızlı rüzgar hızlarına sahip olabilir. Rüzgar hızı saniyede 115 metre (saatte 410 kilometre) için, Bernoulli denklemi bize metre kare başına 9000 Newton’luk bir basınç farkı verir. 1977 yılında NOAA’dan Minor ve çalışma arkadaşları saatte 410 kilometre hıza ulaşan rüzgarlarıyla bir hortumun metrekare başına yaklaşık 10 bin Newton’luk basınç farkı oluşturduğunu buldular. Bu sonuç da bu yaklaşık hesaplamanın detaylı mühendislik analizlerine oldukça yakın olduğunu gösterir.
Çatının Üzerindeki Yukarı Kaldırıcı Kuvvet
Bu basınç önemsiz geliyor ama toplam kuvvet alan ile basıncın çarpımıdır. Mütevazi bir evin çatısının alanı 300 metre kare olabilir. Saniyede 65 metre hızla esen bir rüzgarın yukarıdaki verilerine dayanarak çatıyı kaldırma kuvvetinin 30 tonluk bir kuvveti verdiğini bulabiliriz. Daha yüksek hızlı rüzgarlar daha büyük kaldırma kuvvetine neden olacaktır.
Çatının Ağırlığı
Bu kaldırıcı kuvvet yeterli mi? Çatının ağırlığı ne kadar olabilir? Bunların cevabı daha fazla matematik demektir. Kabaca bir hesapla çatının kütlesinin su ile aynı yoğunlukta kabul edip (metreküp başına 1000 kilogram) tahmin edebiliriz. Ahşap odun daha az yoğunluktadır (yani yüzer) ve çivi, çatı kaplama malzemeleri gibi şeyler daha fazla yoğundur, yani bu bir yaklaşık ortalamayı verir. Kütle hacim ile yoğunluğun çarpımıdır. Eğer 90 metre karelik bir çatının kalınlığı yaklaşık 0.1 metre ise hacmi 9 metre küptür; yuvarlarsak 10 metre küp. Bu da bize yaklaşık kütlesinin 10 bin kilogram olduğunu verir.
Dolayısıyla 90 metrekarelik bir çatı üzerine net yukarı yönlü kuvvet, çatının ağırlığının (10 ton) kaldırma kuvvetinden (30 ton) çıkarılmasıyla yaklaşık 20 ton olur. Bu kuvvet yüksek hızlı rüzgarlar veya büyükçe bir çatı için çok büyüktür.
Yaklaşıklık hesaplamaları Bernoulli etkisinin evlerden çatıların çok sıkı bir şekilde demirlenmedikçe kaldırılabileceğini göstermektedir. İyi mühendislik ve bina inşaatı yüksek hızlı rüzgarlar tarafından çatıların sökülmesi etkisine karşı yardımcı olmaktadır.