Uçaklar Nasıl Uçar 1: Lift Kuvveti

Bu yazımızda uçuş hakkındaki bazı yanlış anlaşılan kavramlar hakkında konuşacağız. Bazı mantıklı açıklamalar çerçevesinde lift kuvvetini açıklamaya çalışacağız. Lift kuvvetini anladıktan sonra uçuşun anlaşılmasına bir adım daha yaklaşmış olacağız. Fakat başlamadan önce uçaklar hakkında bazı terimlere aşina olmanız için Uçakların Terminolojisi ve Uçuşu Anlamak: Mach Sayısı, Basınç ve Pitot Tüpü yazılarıma göz atmanızı tavsiye ederim.

Şimdi lift kuvvetinin üç farklı tanımı ile başlıyoruz.

Lift Kuvvetinin Popüler Tanımı

Bu tanımın odak noktası kanadın üst kısmından akan havanın hızlanmasıdır. Çünkü Bernoulli etkisi, hava hızını statik basınçla ilişkilendirir ve hızlanan hava kanadın üst kısmında daha düşük bir basınç oluşturarak yukarı doğru bir kaldırma kuvveti oluşturur. Bu tanımdaki eksik nokta ise havanın kanadın üstünden akarken hızlanmasına neden olan şeyin ne olduğudur. Bu noktada “eşit sürede geçiş ilkesi” nden bahsedebiliriz. Bu ilke kanada gelen havanın ayrılarak kanadın altından ve üstünden giderken kanadın bitiminde tekrar birleşeceğini söyler. Bu geçişin eşit sürede gerçekleşmesi ve ayrılan havanın tekrar birleşmesi gerekir. Böylece kanadın üst tarafı daha uzun bir yola sahipse üstten akan havanın daha hızlı akması gerekecektir.

Bu gerçekten derli toplu ve anlaşılması kolay bir tanımdır. Fakat tanımın ne kadar genel olduğunu anlamaya çalıştığımızda bazı problemlerle karşılaşmaya başlıyoruz. Eğer bu tanım lifti tam olarak açıklıyorsa uçaklar nasıl oluyor da ters uçabiliyorlar? Simetrik kanatlar, yani alt ve üst yüzeyleri aynı şekle ve uzunluğa sahip olan kanatlar nasıl oluyor da lift üretebiliyor? Uçak sabit bir hızda keskin bir dönüş yaptığında veya yakıt tüketildiğinde oluşan yük değişimine göre kanatlar nasıl ayarlanabiliyor? Liftin popüler tanımı bu sorularımıza cevap vermiyor.

cessna 172

Şekil 3.1. Cessna 172 tipi bir uçak.

Cessna 172

Bu tanımın hesaplamalar yapıldığını doğru sonuç vereceğini düşünebiliriz. O zaman bir örnek verelim. Fazlasıyla popüler olan, yüksek kanatlı, 4 koltuklu bir Cessna 172 uçağına göz atalım. Maksimum uçuş ağırlığında kanatlarının taşıması gereken yük yaklaşık olarak 1045 kg’dır. Kanatlarının üst kısmı alt kısmına göre %1.5 daha uzundur. Liftin popüler tanımını kullanacak olursak, uçak 105 km/s gibi bir hızla yavaş bir uçuş gerçekleştirirken kanatlar gerekli liftin sadece %2’sini üretebilecektir. Aslında hesaplamalara göre bu kanatların yeterli lifti üretebilmesi için uçağın 640 km/s hızla uçması gerekiyor. Yavaş uçuşta gerekli liftin üretilebilmesi için kanadın üst kısmının alt kısmından %50 daha uzun olması gerekiyor. Airfoilin kalınlığı ile chord uzunluğu aşağı yukarı eşit olacaktır.

airfoil etrafındaki hava akışı

Şekil 3.2. Bir airfoil etrafındaki hava akışının simülasyonu.

Açıkça görülüyor ki bu tanımla ilgili yanlış bir nokta var. İlk olarak, “eşit sürede geçiş ilkesi” lift üretmeyen bir kanat için doğrudur fakat lift üreten bir kanat için doğru değildir. Şekil 3.2. bize kanat etrafındaki hava akışını gösteren bir bilgisayar simülasyonudur. Periyodik olarak simüle edilen akış bize hava hızındaki değişimi göstermektedir. Bu simülasyona baktığımızda farkedeceğimiz ilk şey kanadın üst kısmından akan hava alt kısımdan akan havadan daha önce trailing edge varmaktadır. Aslında kanadın altından akan hava normal hava akışına göre bir şekilde geciktirilmiştir. “Eşit sürede geçiş ilkesi” olmadan popüler lift tanımı havanın kanadın üstünden akarken hızlanmasını açıklayamaz. Kanadın üzerinde oluşan lift kuvvetinin doğasını açıklarken bu tanımı kullanarak bazı başka problemleri ortaya çıkaracağız. Ancak öncelikle liftin diğer iki tanımını açıklayacağız.


Liftin Matematiksel Tanımı

Bu tanım karmaşık matematik ve bilgisayar simülasyonları kullanan güçlü bir tasarım aracıdır. Tipik olarak, kanadın etrafındaki hava hızı bilgisayar programıyla üretilir. Sonra Bernoulli denklemleri yardımıyla basınçlar ve lift kuvvetleri doğru bir şekilde hesaplanır. Bu yöntem çoğunlukla havanın ivmelenmesi neticesinde oluşan lifti hesapladığı için bir bakıma liftin popüler tanımı ile benzerlikleri vardır.

Uçak mühendisleri “eşit sürede geçiş ilkesi”nin doğru olmadığını bilirler. Uçak mühendisleri çoğunlukla “circulation” isimli matematiksel bir konsept kullanarak kanadın üzerindeki havanın hızlanmasını hesaplarlar. Circulation, havanın kanat etrafındaki bariz rotasyonunun bir ölçüsüdür. Liftin matematiksel tanımıda, circulation kanadın altından akan havanın neden yavaş, üstündekinin neden hızlı olduğunu tartışmak için kullanılır. Circulation lift hesaplamaları için faydalı olurken, bir pilotun uçağı uçururken ihtiyaç duymayacağı bir şeydir. Circulation konsepti bu bölümün bu serinin devamında anlatılacak olan upwash ve ground effect terimlerini anlamak için yararlı olacaktır.

circulation theory

Şekil 3.3. Circulation teorisi ile ilgili basit bir görsel.

Matematiksel tanımdaki klasik teoriler liftin tanımını yaparken, liftin popüler tanımında karşılaştığımız kadar fazla hava gerekmediğini görebiliriz. Liftin matematiksel tanımı klasik aerodinamik ve hesaplamalı aerodinamikte kullanabileceğimiz bir araçtır.

Not: Wright kardeşler Bernoulli denklemleri veya matematiksel aerodinamik teorileri hakkında hiçbir bilgiye sahip değildi. Onlar sadece kuşların nasıl uçtuğunu izlediler.


Liftin Fiziki Tanımı

Liftin fiziksel tanımı birincil olarak Newton yasalarına ve “Coanda etkisi” denilen bir fenomene dayanmaktadır. Bu tanım, uçuşla ilgili olayları anlamak için benzersizdir. Uçuşta yük miktarı ile gerekli güç arasındaki ve irtifa ile stall hızı arasındaki ilişkiyi doğru bir şekilde anlamak için bu tanım çok faydalıdır. Ayrıca liftin fiziksel tanımı, uçak uçuran bir pilotun ihtiyaç duyacağı sezgisel anlayışı da sağlar.

Bu tanımda lifti, kanadın aşağı doğru ittiği havanın yukarı doğru oluşturduğu bir tepki kuvveti olarak kabul ederiz. Pervaneli bir uçaktaki bladelerin veya bir helikopterdeki pallerin dönerek havayı geriye doğru ittiğini ve böylece lift oluştuğunu biliriz. Aslında bu pervaneler ve paller dönen kanatlardır. Bu konsept kabul edilmesi ve anlaşılması zor olmayan bir konsepttir.

liftin fiziksel tanımı

Şekil 3.4. Kanadın altına çarparak sapan hava akışı.

Fakat bu konsepte bakarak, kanadın altına çarpan havanın aşağı doğru saptırıldığı bir görüntü hayal etmek yanlış olacaktır. Bu oldukça yaygın bir yanlış anlamadır ve Isaac Newton dahi böyle düşünmüştür. Newton kanat üzerindeki hava akımının detaylarına hakim olmadığı için bir kuşun kanadının altına çarpan havanın aşağı doğru yöneldiğini düşünüyordu. Kanadın alt kısmına çarpan hava dolayısıyla bir miktar lift oluştuğu doğrudur. Fakat oluşan liftin büyük bir kısmı kanadın üst kısmına bağlı olarak oluşur.

Liftin fiziksel tanımı çok güçlüdür. Uçuş hakkında, bazı diğer karışık konulardan bağımsız olarak sezgisel bir anlayış sağlar. Az önce bahsedildiği gibi bu tanım pilotlar için kullanışlıdır, fakat liftin popüler tanımı için aynı şeyi söyleyemeyiz.

Serinin sonraki yazısını okumak için Uçaklar Nasıl Uçar 2: Newton Yasaları, Coanda Etkisi ve Viskozite.

Yazar: Osman Veysel Özdemir

Necmettin Erbakan Üniversitesi Uçak Mühendisliği bölümü öğrencisi. Mühendisliğin, dersleri yüksek notlarla geçmekten ibaret olmadığını ve gerekirse aynı dersin 3 kez alınabileceğini savunan adam. Ayrıca bilgisayarlara ve kodlamaya dair özel bir ilgisi var. "Forget Bernoulli Theorem". #NecmettinErbakan #AbbasibnFirnas #MilliGörüş #%0.7 #AGD #UGSAM #AeronauticalEngineer #UçakMühendisi

1 thought on “Uçaklar Nasıl Uçar 1: Lift Kuvveti

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir