Uçaklar Nasıl Uçar 2: Newton Yasaları, Coanda Etkisi ve Viskozite

Bu yazımızda uçuşun fiziksel olarak incelemeye çalışacağız. Hava içerisinde hareket eden bir cismin üzerine nasıl kuvvetlerin etki ettiğini, Newton kanunlarını ve Coanda etkisini anlamaya çalışacağız. Fakat yazımıza başlamadan önce bu serinin önceki yazısını okumak için Uçaklar Nasıl Uçar 1: Lift Kuvveti linkine tıklayabilirsiniz. Ayrıca uçaklar hakkında bazı terimlere aşina olmanız için Uçakların Terminolojisi ve Uçuşu Anlamak: Mach Sayısı, Basınç ve Pitot Tüpü yazılara göz atabilirsiniz.

Newton Yasaları

Newton kanunları uçuşu anlamada çok işe yarar. Newton kanunlarını anlamak kolaydır ve evrensel olarak uygulanabilirler. Bu kanunları sivrisineklerin uçuşu için de, galaksilerin hareketleri için de kullanabiliriz. Şekil 2.1’de bir uçak üzerine etki eden kuvvetleri görebilirsiniz. Şimdi kısaca Newton kanunlarına bir göz atalım.

uçak üzerine etkiyen kuvvetler

Şekil 2.1. Uçak üzerine etkiyen 4 kuvvet.

Newton’un 1. Kanunu

“Bir dış kuvvet uygulanmadığı müddetçe, duran bir cisim durmaya, hareket eden bir cisim de hareketine devam eder.”

Bunu uçuş için kullanacak olursak şu anlama gelir: ilk başta hareketsiz olan bir miktar hava, hareket etmeye başlarsa,  bu harekete sebep olan bir dış kuvvet vardır. Aynı şekilde, bir kanadın üzerinden geçen hava akışına etki eden bir kuvvet vardır.

Newton’un 3. Kanunu

“Her etki için eşit miktarda ve ters yönde bir tepki vardır.”

Bu oldukça basit bir kural. Bir sandalyeye oturduğunda, sandalyeye doğru bir kuvvet uygularsın, sandalye de buna karşılık olarak sana karşı eşit ve zıt yönlü bir kuvvet uygular. Aynı şekilde, bir kanadın üzerinden akan hava kanadı sararken, Newton’un 1. kanununa göre hava yön değiştirdiği için burada bir kuvvet olmalıdır. Newton’un 3. Kanunu ise bu kuvvete eşit ve zıt yönlü bir kuvvet olması gerektiğini söyler.

Newton’un 2 Kanunu

“F=ma”

Bu kanun biraz daha zor olsa da uçuşla ilgili fenomenleri anlama noktasında bizim için çok faydalıdır. Bu kanun bize kütlesi olan bir cismi ivmelendirebilmek için kuvvet uygulanması gerektiğini söylüyor. Bu kanunu jet motorlarına, roketlere, bir kanat üzerinde oluşan lift kuvvetini açıklayacak şekilde kullanabilmek için alternatif bir şekilde kullanacağız.

Bir roketin ürettiği itki kuvveti, roketin zamana göre bıraktığı gaz miktarı ile bu gazın hızının çarpımına eşittir.

Zamana göre bırakılan gaz (kg/s), gazın hızı ise (m/s) birimi ile kullanılır. Bu Newton kanunu, eğer bırakılan gazın miktarı ve hızı biliniyorsa, bu roketin itki kuvvetinin kolaylıkla hesaplanabileceğini söylüyor. İtki kuvvetini iki katına çıkarmak için bırakılan gazın miktarını zamana göre iki katına çıkarmak veya gazın hızını iki katına çıkarmak gerekir.

Şimdi Newton kuvvetlerini düşünerek Şekil 2.2.’deki airfoil etrafındaki hava akışına bakalım. Hava kanada yaklaşıyor, ayrılıyor ve kanadı geçtikten sonra kanada yaklaştığı doğrultuda tekrar birleşiyor. Yani kanat hava üzerinde herhangi bir etki etmediği için hava da kanat üzerinde tepki olarak lift kuvveti oluşturmaz. Şimdi Şekil 2.3.’ye bakalım. Kanadın önünden gelerek yukarı doğru bir açı yapan hava “upwash” olarak isimlendirilir. Hava akışını inceleyecek olursak yaklaşıyor, ayrılıyor ve kanadı geçtikten sonra hafif bir şekilde aşağı doğru yönleniyor. Bu aşağı doğru yönelmeye de “downwash” diyoruz. Bu aşağı doğru yönelme kanat üzerindeki lift kuvvetinin kaynağıdır. Havayı aşağı doğru yönlendiren bir kuvvet vardır. Bu kuvvete karşılık olarak hava, kanat üzerinde bir tepki kuvveti oluşturur.

airfoil ve streamline

Şekil 2.2. Newton kanunlarına göre bu airfoil lift üretmez.

upwash ve downwash

Şekil 2.3. Gerçek bir airfoil etrafındaki hava akışı.

Coanda Etkisi

Coanda etkisi, bir nesnenin etrafındaki sıvıların bükülmesiyle ilgilidir. Düşük hızlı uçuşta, hava ile ilişkili kuvvetler ve basınçlar için hava sadece bir akışkan değil, sıkıştırılamaz bir sıvı olarak düşünülür. Bunun anlamı akış içerisindeki havanın hacmi değişmez ve hava boşluklar oluşturacak şekilde ayrılmaz. Bir an için Coanda etkisini su için düşünelim. Bu etki basit bir şekilde ispatlanabilir. Musluğu azıcık aç ve hafif bir su akışı oluştur, sonra da Şekilde gösterildiği gibi bir bardağı yatay bir şekilde suya dokununcaya kadar yaklaştır. Şekilde gösterildiği gibi su bardağın etrafına sarılacaktır. Newton’un birinci kanunundan öğrendiğimiz kadarıyla bardağın etrafını saran su üzerinde bir kuvvet olmalı. Kuvvetin yönü bükülmenin yönü ile aynıdır. Newton’un üçüncü kanununa göre ise bu kuvvete karşılık bir tepki kuvveti olmalı. Burada gördüğümüz fenomenin aynısı hava akışı ve kanat arasındaki kuvvet için düşünebiliriz. Peki akışkanlar neden bir katı cisim etrafında bükülmeye meyillidir?

Bunun cevabı, akışkanları yoğunlaştıran ve bir yüzeye yapışmalarını sağlayan viskozitedir. Hareket eden bir akışkan katı bir cisme yaklaştığı zaman bir kısmı katının yüzeyine yapışır. Akışkan, yüzeyden kısa bir mesafe uzaklığa kadar küçük bir hıza sahiptir. Şekilde gösterildiği gibi, yüzeyden uzaklaştıkça akışkanın hızı artar, en sonunda yüzeyden belli bir uzaklıktaki akış ile aynı hıza erişir. Bu geçiş bölgesine, yüzeyden uzaklaştıkça akışkanın hızı artar, en sonunda yüzeyden belli bir uzaklıktaki akış ile aynı hıza erişir. Bu geçiş bölgesine “boundary layer” denir.

viskozite

Şekil 2.4. Coanda etkisi.

Bu geçiş bölgesindeki hız farkları kayma gerilmelerinin oluşmasına neden olur ve akış daha yavaş olan bölgeye doğru eğilmek ister. Bu durum da akışkanın, üzerinden aktığı nesnenin üzerini sarmaya çalışmasına neden olur. Böylece akışkanların cisimlerin yüzeylerindeki hızının sıfır olması, neden arabaları sadece hortumla yıkayıp temizleyemediğimizi açıklar. Arabanın yüzeyindeki suyun hızı sıfır olduğu için toz parçacıkları üzerine çok küçük bir kuvvet uygular veya hiç kuvvet uygulamaz.

streamline

Şekil 2.5. Bir cisme yakın akan bir akışkanın hız değişimi.

Viskozite ve Lift

Aerodinamiğe biraz hakim olanlar için burada viskozite ve lift arasındaki bağlantı anlaşılamayabilir. Aerodinamikte birçok simülasyon sıfır viskozite ile yapıldı. Viskozite, dolaylı olarak kanadın arkasından düzgünce çıkan bir havayı gerektiren, Kutta Jukowski durumu ile açıklanır. Yani gerçeklikteki sıfır viskozite durumu hesaplamaları Kutta Jukowski ile yeniden açıklanır. Helyum gibi sıfır viskoziteye sahip bir akışkan içerisindeki kanat uçamaz.

Yine de liftin birçok matematiksel izahında baundary layer ihmal edilebilecek kadar küçük kabul edilmiştir. Bu hatalı iddiaların anlamı viskoziyi sıfır kabul etmektir. Bu doğru değildir çünkü kanat etrafında akan havanın kanadın kavisini takip ettiği bir durumda viskozite kesinlikle vardır.

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

2 thoughts on “Uçaklar Nasıl Uçar 2: Newton Yasaları, Coanda Etkisi ve Viskozite

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir