Hayatta olduğu gibi kabul ettiğimiz bazı şeyler vardır. Güzel şeylerden bahsediyorum. Hani değerini her zaman takdir etmediğimiz şeyler. Ben mesela internetin bize sunduğu iletişim imkânının değerini bazen çok iyi bilmiyorum. Sen de belki ormanın içinde yürüyüşe çıkmayı yeteri kadar takdir etmiyorsundur. Bunun tam tersine, kıymetinin daima farkında olduğumuz konular da vardır ve benim için bu konulardan bir tanesi kaldırma kuvveti, uçağın kanadında yaratılanı. Yeteri kadar inek miyim?
Bilmiyorum. Bilmediğim çok şey var. Fakat bildiklerimi paylaşmayı seviyorum. İzin verin size 1 kilometre boyunca pistte hızlandıktan sonra tekerleri yerden kesen mucizeden bahsedeyim.
Kaldırma kuvveti. Uçağın havada hareketi ile yukarıya doğru üretilen bir mekanik kuvvet. Bir cismin uçması için kaldırma kuvvetinin yer çekimi kuvvetinden ya daha fazla ya da ona eşit olması gerekir. Uçaklarda ise bu kuvvet bildiğiniz gibi kanatlar tarafından sağlanıyor. Peki bir kanadın kaldırma kuvveti yaratmasını elverişli yapan ne? Bunun için iki kavramı anlamamız gerekiyor.
Kavram 1: Venturi Etkisi
Venturi etkisi, bir borunun daraltılmış bölümünden geçen akışkanın hızındaki (kinetik enerji) artış ve basıncındaki azalmadır. Bu etki aynı zamanda “Bernoulli İlkesi” olarak da bahsedilir. Hadi aşağıdaki grafiğe bir göz atalım.
Grafik: chegg.com
Süreklilik Denklemi bize, çap ne olursa olsun, akış hızının (hacim/saniye) korunacağını söylüyor. Yani resimdeki 1. noktada saniyede 100 cm3 bir akış hızı varsa, 2. noktada da bu akış hızının korunması gerekiyor. Dar kısmın kesit alanı geniş kısımdakinden küçük olduğu için 2. noktadaki hava moleküllerinin kinetik enerjisi artması gerekiyor ki Süreklilik Denklemi tatmin edilsin.
İşte tam burada Bernoulli İlkesi devreye giriyor. İşviçreli fizikçi Daniel Bernoulli, enerji korunumu yasasından yola çıkarak, kinetik enerji ve basıncın ters orantılı olduğunu gösteren denklemi 1738 yılında yayımlanan kitabında paylaştı.
Çap daraldıkça, akış giderek zorlaşıyor ve nispeten geniş kısımdaki hava molekülleri birbirlerine daha şiddetli temas ediyor. Böylece geniş kısımdaki basınç artıyor ve moleküllerin kinetik enerjisi azalıyor. Akış hızının korunması gerektiği için giderek daralan kısımdaki moleküllerin kinetik enerjisi artıyor ve Bernoulli İlkesi bize dar alanda hızı artan bir akışkanın basıncının azalacağını söylüyor. Basitçe, yüksek basınçlı havanın alçak basınçlı alana doğru hızlandırıldığını düşünebilirsiniz.
Bu kadar akışkanlar dinamiği yeter. Gelin Venturi Etkisini biraz gerçek hayata bağlayalım.
Elinize su hortumunu aldığınızı ve parmağınızı hortumun ucuna koyduğunuzu düşünün. Bu durumda parmağınızın hortumu daralttığı yerde akışkanın kinetik enerjisi artarken basıncı düşüyor. Böylece suyu daha uzağa fışkırtabiliyorsunuz. Bir başka örnek vermek gerekirse, şişirdiğiniz balonu bıraktığınızı hayal edin. Balonun içindeki yüksek basınçlı hava, atmosferik basınçla dengelenmesi için delik kısımda alçak basınç olması gerekir ki balon yüksek hızla boşalsın. Kısacası her iş bir enerji transferiyle gerçekleşir.
Peki Venturi Etkisi’nin kaldırma kuvveti ile arasındaki bağlantı ne?
Konvansiyonel bir uçak kanadının üst yüzeyi kavisli, alt yüzeyi ise düz olarak tasarlanır. Bu tasarım, benzer şekilde, borunun kırmızı ile daire içine aldığım alt kısmına benzer. Kanadın üst yüzeyindeki kavisin, boruyu daraltan kavisten ibaret olduğunu düşünebilirsiniz. Bu da demek oluyor ki, kanadın üstünden geçen hava akımının basıncı, kanadın altından geçen hava akımının basıncından daha düşük ve hızı da altından geçen akıma göre daha yüksek (Bernoulli İlkesi ve Süreklilik Denklemi).
Hava daima yüksek basınçtan alçak basınca doğru hareket ettiğinden dolayı, kanadın altındaki yüksek basınç yukarıya doğru bir bileşke kuvvet meydana getiriyor. Bu kuvvet de kanadı yukarıya doğru hareket ettirmeye zorluyor.
Grafikler: chegg.com ve Onat Ataman
Kavram 2: Newton’un 3. Yasası
Eminim herkes bu yasayı daha önce duymuştur. Eğer bir A nesnesi bir B nesnesine bir kuvvet uyguluyorsa, bu durumda B nesnesi de A nesnesine eş büyüklükte ve ters yönde bir kuvvet uyguluyor olmalıdır. Kanadın üst yüzeyinden geçen hızlı hava akımı (A nesnesi), kavis sayesinde aşağıya ve geriye doğru bir kuvvet uygular. Bu da 3. Yasaya göre, kanatta (B nesnesi) eş büyüklükte ve ters yönde bir kuvvet oluşturur. Böylece kanat yukarıya ve ileriye doğru itilmiş olur.
Newton’un 3. Yasasının bir uçak kanadında uygulanışını görsel olarak anlamak için aşağıdaki GIF’e bakalım.
Her noktanın bir hava molekülü olduğunu ve noktaların akış yönünde hareket ettiğini varsayalım. Eşit zaman diliminde olan siyah moleküller, kanadın üst ve alt yüzeyine doğru ön kenarda ikiye ayrılıyor. Üst yüzeyde basıncı düşüp hızlanan hava molekülleri aşağıya ve geriye doğru bir kuvvet uygularken kanat ise yukarıya ve ileriye doğru ittiriliyor. Eğer pencere kenarında oturuyorsanız ve şanslı olup o gün havada yeteri kadar nem bulunuyorsa, akış çizgilerini gözünüzle görebilirsiniz!
Konuyu toparlayalım. Kaldırma kuvveti iki kavramın kombinasyonundan oluşur:
- Venturi Etkisi, kanat üstünde düşük basınç, altında ise yüksek basınç yaratır. Kanat yüksek basınçtan alçak basınca doğru (yukarıya) ittirilir.
- Kanadın üst yüzeyinden geçen hava aşağıya ve geriye bir kuvvet uygular. Newton’un 3. Yasasına göre bu kuvvet kanadı yukarıya ve ileriye doğru ittirir.
Arkasında bu kadar bilim ve mühendislik olan bir konuya “mucize” demek biraz yanılgı olabilir. Ancak çocukluğunuza gidin. İlginç bir olayı, oluşum nedenlerini bilmeden şaşkınlık ve hayranlık ile izlediğiniz, “Vay be!” dediğiniz ana. Kaldırma kuvveti de böyle bir şey benim için. Her ne kadar fizik ile açıklansa da, ben bir uçağın kalkış anını daima 5 yaşında izlediğim gibi izlerim.