Uçaklar Nasıl Uçar 3: Downwash ve Lift Kuvveti

Bu yazımızda kanat üzerinde oluşan lift kuvvetini incelemeye çalışacağız. Bu açıdan Downwash etkisini ve nasıl lift oluşturduğunu anlamaya çalışacağız. Fakat yazımıza başlamadan önce bu serinin önceki yazısını okumak için Uçaklar Nasıl Uçar 2: Newton Yasaları, Coanda Etkisi ve Viskozite linkine tıklayabilirsiniz. Ayrıca uçaklar hakkında bazı terimlere aşina olmanız için Uçakların Terminolojisi ve Uçuşu Anlamak: Mach Sayısı, Basınç ve Pitot Tüpü ilgili yazılara göz atabilirsiniz.

Kanat Üzerindeki Lift Kuvveti

Serinin önceki yazılarında öğrendiklerimizle şimdi bir kanat üzerinde oluşan lift kuvvetini anlamak için gerekli her şeye sahipiz. Kısaca havanın kanat etrafında bükülmesinin sebebi Coanda Etkisi’dir. Newton kanunları havanın bükülmesine neden olan bir kuvvet olması gerektiğini ve buna karşılık olarak da eşit ve zıt yönde bir tepki olması gerektiğini söyler. Bunların hepsi doğru fakat biraz daha fazlası var.

airfoil downwash

Şekil 3.1. Kanat ve hava üzerinde oluşan kuvvetler.

İlk olarak şekil 3.1.’de gösterilen havanın kanadın etrafındaki bükülmesini bir inceleyelim. Havanın üzerindeki kuvveti gösteren kahverengi okların yönü havanın bükülmesine diktir. Kuvvetin büyüklüğü bükülme miktarı ile doğru orantılıdır. Hava ne kadar çok bükülmüşse üzerine etkiyen kuvvet de o denli büyük olmuştur. Siyah oklarla gösterilen kanat üzerindeki kuvvetler ise hava üzerine etkiyen kuvvetlere eşit fakat zıt yönlüdür. Hava, kanat yüzeyinin etrafında büküldüğünde, üstündeki hava akımından ayrılmaya çalışır ancak boşlukları doldurmak için güçlü bir dirence sahip olduğu için, havanın ayrılması basıncı düşürür ve yukarıdaki bitişik akış çizgilerini büker. Basıncın düşürülmesi ses hızında yayılarak, kanat çevresinde büyük miktarda hava bükülmesine neden olur. Bu, kanat üzerindeki alçaltılmış basıncın ve kanadın arkasındaki downwash’ın kaynağıdır.

aircraft downwash

Şekil 3.2. Bulutlar üzerinde oluşan downwash etkisi.

Şekil 3.2. bir uçağın arkasındaki downwash etkisine iyi bir örnektir. Şekil 3.2.’deki uçak bulutun içinden değil üzerinden uçmuştur. Downwash etkisinin sebep olduğu koridor açık bir şekilde görülebilmektedir.

Şurası bilinmelidir ki kanat üzerinden akan havanın hızı, kanada çok uzak bir yerde bulunan havanın hızından fazladır. Havanın bükülmesi kanat üzerindeki havanın basıncında düşmeye neden olur. Bu basınç düşmesi, Bernoulli etkisine bağlı olarak havanın ivmelenmesine neden olur. Kanat altındaki akış ise normal akış hızından biraz daha yavaştır çünkü basınç biraz artmıştır.

Şurası bilinmelidir ki kanat üzerinden akan havanın hızı, kanada çok uzak bir yerde bulunan havanın hızından fazladır. Havanın bükülmesi kanat üzerindeki havanın basıncında düşmeye neden olur. Bu basınç düşmesi, Bernoulli etkisine bağlı olarak havanın ivmelenmesine neden olur. Kanat altındaki akış ise normal akış hızından biraz daha yavaştır çünkü basınç biraz artmıştır.

Şekil 3.1.’e tekrar bakacak olursak, kanat üzerine etkiyen kuvveti gösteren siyah okları dikkatle incelersek şu iki noktayı fark ederiz. Birincisi lift kuvvetinin çoğu kanadın ön kısmından oluşur. Aslında kanat üzerinde oluşan lift kuvvetinin yarısı, kanadın ön kısmının ¼ chord uzunluğundan elde edilir. İkincisi ise kanadın ön kısmındaki oklara baktığımızda ileri doğru bükülmüş olduklarını görürüz. Bu oklar kanadı yukarı doğru iten lift kuvvetini gösterirken aynı zamanda bir miktar kanadı ileri doğru çektiklerini de görüyoruz. Eğer bütün hikaye bundan ibaret olsaydı güzel olurdu. Ne yazık ki, kanadın arka kısmına etki eden yatay kuvvetler, kanadın ön kısmına etki eden yatay kuvvetleri karşılar. Bu da kanat üzerinde oluşan net kuvvetin sadece lift olmasını sağlar. Şimdilik yüzey sürtünmelerini ihmal ediyoruz.

Şimdi liftin popüler tanımına tekrar göz atmak için güzel bir zaman. Bu tanım liftin oluşmasının sebebini kanadın üst kısmında hızlanan havanın basıncı düşürmesine bağlar. Aslında yukarıda anlatıldığı gibi havanın kanat üzerinde bükülmesi basıncın düşmesine neden olur. Basıncın düşmesi de Bernoulli etkisi ile havanın hızlanmasını sağlar. Yani kanadın üst kısmında hızlanan hava düşen basıncın sonucu olarak ortaya çıkar, basıncı düşüren sebep olarak değil. Kanat boyunca oluşan basınç değişimi ise liftin oluşmasını sağlar. Ama kanadın üst kısmındaki basıncı düşüren şey aslında downwash’ın oluşmasıdır. Kanat üzerinde oluşan downwash etkisinin yönünü ve büyüklüğünü ayarlamak, kanada hız ve yük miktarı değişimini ayarlama imkanı verir.

Downwash

Newton’un 2. kanununu kullanarak kanat üzerinde oluşan lift kuvveti ile downwash arasındaki ilişki ifade edilebilir.

Kanat üzerinde oluşan lift kuvveti, kanadın yönlendirdiği hava miktarı ile bu havanın hızının çarpımı ile orantılıdır. Yani lift kuvveti artırılmak istenirse yönlendirilen hava miktarı, bu havanın hızı ya da her ikisinin kombinasyonu artırılabilir. İlk bakışta downwash etkisinin dikey hız konsepti birazcık yabancı görünebilir. Hepimiz, bir pilotun gördüğü gibi ya da biz rüzgar tünelinde görülebileceği gibi kanat boyunca akan bir hava akışı düşünmeye alıştık. Ama her iki bakış açısına göre de kanat sabit hava ise hareket eder bir durumdadır. Peki kanadın hareket ettiği ve havanın durduğu bir bakış açısıyla baksak ne olurdu? Kendinizi bir dağın tepesinde hayal edin. Karşınızdan bir uçak geçtiğini ve uçağın etrafındaki havanın hızının fotoğrafını çekebildiğinizi varsayalım. Ne görürdük? Şaşıracağınıza eminim.

helikopter downwash

Şekil 3.3. Helikopterin su üzerinde oluşturduğu downwash etkisi.

Farkedeceğiniz ilk şey kanadın arkasında kalan havanın aşağı doğru düz bir şekilde yönelmiş olduğudur. (Aslında sürtünmeden dolayı hava bir miktar uçağın uçtuğu yöne doğru da yönelmiş olacaktır.) Bunu test etmenin çok basit bir yolu var. Evinizdeki vantilatörü çalıştırın ve size üflediği havanın kanatlara dik bir şekilde size ulaştığını görün. Aynı şeyi şekil 3.3.’teki su üzerinde uçan helikopterde de görebilirsiniz. Su üzerinde oluşan desen helikopterin kanatları ile aynı boyuttadır. Eğer bu şekilde itilen hava bir kolon gibi dik bir şekilde ilerlemeseydi de bir koni şeklinde dağılsaydı pervaneler yeterince verimli olamayacaktı. Bir tarafa doğru genişleyen hava diğer tarafa doğru olan genişlemeyi karşılayacaktı ve yeterli itki üretilemeyecekti.

Kanat hava üzerine transfer edilen momentum dolayısıyla lift üretirler. Momentum, kütle ile hızın çarpımıdır. Düz ve yatay bir uçuşta transfer edilen momentum dünyaya doğrudur. Bu transfer edilen momentum nihayetinde yeryüzüne ulaşır. Ama bu momentumun yeryüzüne ulaşmasından dolayı uçağı havada tutan şeyin yeryüzü olduğunu düşünmek yanlış olur. Yani uçağı havada tutan şey havaya transfer edilen momentumdur.

Lift Kuvvetinin Ayarlanması

Kanadın ürettiği lift kuvvetinin, kanadın yönlendirdiği hava miktarı ve yönlendirilen havanın hızının çarpımıyla orantılı olduğunu söylemiştik. Aynı şekilde kanadın havayı yarıp geçtikten sonra havanın aşağı doğru yöneldiğinden de bahsetmiştik. Hadi biraz daha detaya inelim. Şekil 3.4. pilota ve yerdeki gözlemciye göre downwash etkisinin nasıl uçağın hızına ve kanadın angle of attackına bağlı olduğunu gösteriyor. Hız olarak isimlendirilen ok kanadın rüzgara doğru olan yönünü gösteriyor. Downwash olarak isimlendirilen ok ise pilota göre downwashın hızını ve yönünü, Vv olarak isimlendirilen ok da yerdeki gözlemciye göre downwashın hızını ve yönünü gösteriyor. Vv oku downwashın dikey hızını gösterir ve lifti üreten bileşendir. Şekil 3.4.’te α olarak gösterilen harf ise downwashın kanada göre açısını gösterir ve bu açı angle of attack ile orantılıdır.

downwash vektör

Şekil 3.4. Downwash yönelimi.

Peki angle of attack aynı kalsaydı ve uçağın hızı iki katına çıksaydı ne olurdu? Bu durum ise Şekil 3.5.’te gösterilmiştir.

vektör

Şekil 3.5. Hız 2 katına çıktığında Downwash yönelimi.

Gördüğünüz gibi dikey hız Vv iki katına çıkmıştır. Yine buradan çıkaracağımız sonuç yönlendirilen hava miktarı da iki katına çıkmıştır. Böylelikle hem hızın hem de yönlendirilen hava miktarının 2 katına çıkması liftin 4 katına çıkmasını sağlayacaktır.

speed ve downwash

Şekil 3.6. α 2 katına çıktığında Downwash yönelimi.

Şekil 3.6.’da ise uçağın hızı sabit tutulmuş fakat angle of attack iki katına çıkarılmıştır. Bu durumda da yine dikey hava hızı 2 katına çıkmıştır ve bu da lift kuvvetinin 2 katına çıkmasını sağlamıştır. Bu şekillerden çıkaracağımız sonuç, dikey hava hızı uçağın hızı ve angle of attack ile orantılı olduğudur. Hangisini artırırsak artıralım kanadın üreteceği lift artacaktır.

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

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir