Uçaklar Nasıl Uçar?

Bir uçak havada nasıl duruyor ya da kanatları nasıl çalışıyor? Kemerlerinizi bağlayın, uçuşa geçiyoruz.

Bir uçak nasıl oluyorda öylece havada durabiliyor? Bu soruyu ister uçarken, ister yerdeyken düşünmüş olun; uçakların büyüleyici ve karmaşık şeyler olduğuna şüphe yok. İşte, bir uçağın uçmasını sağlayan fizik kurallarına ve konuyla ilgili yanlış bilinenlere kısa bir bakış.

İlk olarak, gökyüzü boyunca sabit şekilde seyreden Boeing veya Airbus yolcu uçağı gibi bir yolcu uçağı hayal edelim. Bu uçuş, birbirine zıt kuvvetlerin hassas bir dengesini gerektirir. Cambridge Üniversitesinde aerodinamik üzerine çalışmalar yapan Prof. Holger Babinski, “Kanatlar kaldırma kuvveti oluşturur ve bu kuvvet, uçağın ağırlığına karşı koyar” diyor.

Purdue Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı başkanı William Crossley, “Kaldırma kuvvetinin veya yukarı yönlü kuvvetin de uçağın ağırlığına eşit olması veya ondan daha büyük olması gerekir” diyor.

Bu sırada uçağın motorları, etraftaki havanın meydana getirdiği sürtünmeden kaynaklı dirence karşı koymak için gereken itiş gücünü sağlar. “İleri doğru uçarken, en az sürtünme kuvvetine denk olacak kadar itiş gücü gerekir; eğer hızlanıyorsanız sürtünme kuvvetinden daha yüksek olabilir; yavaşlıyorsanız da daha düşük olabilir. Fakat sabit ve düz uçuşta, itiş sürtünmeye eşittir” diye belirtiyor Crossley.

Her şeyden önce bir uçağın kanatlarının tam olarak nasıl kaldırma kuvveti ürettiğini anlamak biraz karışık bir iş. “Basın genelde sürekli çabuk ve basit bir açıklamanın peşindedir” diyor Babinski ve ekliyor “Ben bu durumun başımıza dert açtığını düşünüyorum.” Meşhur fakat yanlış açıklamalardan biri de şu: Bir kanadın eğimli üst yüzeyinden geçen havanın, altta giden havadan daha uzun bir mesafe kat etmesi gerekiyor ve bu sebeple, alttaki havayla başabaş gitmek için hızlanıyor; sanki biri kanadın üstünden biri de altından geçen iki hava parçacığının, sihirli bir şekilde birbirlerine bağlı kalması gerekiyormuş gibi! Hatta NASA’nın, bu görüşe ayırdığı “Yanlış Kuram” olarak adlandırdığı bir internet sayfası bulunuyor.

Peki doğru düşünme şekli nasıl olmalı?

Konuyla ilgili düşünmeye başlamanın çok basit bir yolu da, bir arabanın yolcu koltuğunda oturduğunuzu hayal etmek. Elinizi karşıdan gelen rüzgara karşı dışarı çıkardığınızı ve avcunuzun aşağı, baş parmağınızın ileri, elinizin de yere paralel baktığını düşünün. Şimdi elinizi ön kısımdan biraz yukarı doğru kaldırın ve böylelikle rüzgar elinizin alt kısmına gelsin; bu elinizi yukarı doğru kaldırma işlemi, kanatlarla ilgili hücum açısı adı verilen önemli bir kavrama benzer.

“Kaldırma gücünü bariz şekilde hissedebilirsiniz” diyor Babinski. Bu basit senaryoda hava elinizin altına çarpar, aşağı doğru saparak eliniz Newtoncu bir mantıkla (bkz: üçüncü yasa) yukarı doğru itilir.

Eğimi takip et

Fakat bir kanadın şekli tabii ki elinizden farklı ve hesaba katılması gereken birçok ilave etmen mevcut. Kanatlarla ilgili akılda tutulması gereken anahtar noktalar, hücum kenarı şeklinde de bilinen kanatların ön tarafının eğimli olmasıdır ve genelde en kesitinden baktığınızda kanat profili adlı bir şekle sahip olmalarıdır.

Babinski, bir kanadın bu eğimli hücum cephesinin önemli olduğunu çünkü hava akışının “eğimli bir yüzeyi takip etme” eğilimi gösterdiğini söylüyor. Bu kavramı ise bir saç kurutma makinesini bir kovanın yuvarlak kenarına tutarak göstermeyi sevdiğini belirtiyor. Hava akımı, kovanın eğimli yüzeyine tutunup dönüş yapacak ve hatta kovanın engellediği diğer kısımdaki bir mumu bile söndürebilecektir.

İşte aynı şeyi gösterdiği görülen eski ve hoş bir deney videosu. “Hava akımı eğimli yüzeye tutunduğunda, tutunmuş halde kalmayı sever ancak sonsuza kadar öyle kalmayacaktır” diye belirtiyor Babinski. Bir kanatta olan şey de kanadı arabanın camından uzattığınız eliniz gibi bir şekilde yukarı açılıymış gibi düşünürseniz, havanın eğimli hücum cephesiyle karşılaşmasıdır. Babinski, “Hava üst yüzeye tutunacak, etrafından dönecek ve aslında o giriş açısını, hücum açısını çok güzel bir şekilde takip edecektir” diyor.

Basıncı düşük tut

Sonuçta olan şey ise kanadın üstünden geçen havanın, eğimli yüzeye tutunması ve bir şekilde aşağı doğru dönmesi veya akmasıdır: Düşük basınçlı bir alan oluşur ve hava daha hızlı gider. Bu esnada hava, tıpkı rüzgarın araba camından çıkardığınız elinize çarpması gibi kanadın alt kısmına çarpıp yüksek basınçlı bir alan meydana getirir. Bu şekilde kanadın üstünde düşük ve altında da yüksek basınçlı bir alan oluşur. Bu sonuçhakkında “Bu iki basıncın arasındaki farklılık, uçmamızı sağlar” diyor Babinski.

Bu video, genel süreci güzel bir şekilde betimliyor:

Babinski kanadın üstündeki düşük basınç alanının, kanadın altındaki yüksek basınç alanından daha fazla iş yaptığını belirtiyor. Kanadı, hava akımını hem üstte hem de altta aşağı doğru saptıran bir yapı gibi düşünebilirsiniz. “Kanadın alt yüzeyindeki akım sapması, aslında üst yüzeydeki akım sapmasından daha küçüktür. Çoğu kanat profilinde, çok çok kaba olan yaklaşık bir hesaba göre kaldırma kuvvetinin üçte ikisi ve bazen daha fazlası burada [üst yüzeyde] oluşur” diyor Babinski.

Sonuç

NASA’nın Ames Araştırma Merkezinde havacılık mühendisi olan Gloria Yamauçi, bunu şu şekilde anlatıyor: “Elimizde havada uçan bir uçak var; hava kanada yaklaşıyor; hücum açısında kanat havayı döndürüyor” diyor. “Döndürmek” ile yön değiştirmeyi kastediyor; yolda hızla giden bir arabanın, havanın yönünü değiştirip kendi etrafından dolaşmaya zorlaması gibi. “Kanadın yüzeyinden, altından ve üstünden geçen havanın hızı da değişiyor. Kanadın üstündeki hız, genel olarak kanadın altındaki hızdan daha büyüktür” diye devam ediyor, “ve bu durum, kanadın üstündeki basıncın altındaki basınçtan daha düşük olduğu anlamına gelir. Basınçtaki bu farklılık ise yukarı yönlü bir kaldırma kuvveti oluşturur.”