Uçaklar Nasıl Uçar? Kaldırma Kuvveti, Kanatlar ve Ünlü Bir Efsane

Bir yolcu uçağının gökyüzüne tırmanışını izlemek sihir gibi gelebilir. İnsanlar, valizler ve yakıtla dolu, yüzlerce ton ağırlığındaki bir makine pistten havalanır ve saatlerce havada kalır. Ama arkasındaki fizik şaşırtıcı derecede gerçekçidir ve her şey kanatların havayı nasıl hareket ettirdiğine dayanır.

Uçuşun dört kuvveti

Bir uçağa her an dört kuvvet etki eder:

• Ağırlık onu yere doğru çeker.
• Kanatların ürettiği kaldırma kuvveti onu yukarı iter.
• Motorların ya da pervanelerin ürettiği itki onu ileri iter.
• Havanın direnci olan sürükleme onu geri tutar.

Düz ve dengeli uçuşta kaldırma kuvveti ağırlığı, itki de sürüklemeyi dengeler. Tırmanmak için daha fazla kaldırma, hızlanmak için sürüklemeden daha fazla itki gerekir.

Kanat kaldırma kuvvetini nasıl üretir?

Kanadın kanat profili denen özel bir kesiti vardır: önde yuvarlak, arkada ince ve genellikle üst tarafı daha kavisli. Ayrıca gelen havayla hafif yukarı doğru bir eğimle, hücum açısıyla karşılaşır.

Uçak ilerlerken kanat, çevresinden akan havanın yönünü değiştirir. Kanadın arka kenarından çıkan hava aşağı doğru yönlendirilir. Newton’un üçüncü yasasına göre her etkiye eşit ve zıt bir tepki vardır: Kanat havayı aşağı iterse hava da kanadı yukarı iter. Büyük bir yolcu uçağı her saniye tonlarca havayı aşağı gönderir.

Aynı etki basınçla da anlatılabilir. Kanadın kavisli üst yüzeyinden akan hava hızlanır ve basıncı düşer. Kanadın altındaki hava biraz yavaşlar ve basıncı artar. Alttaki yüksek basınç, üstteki düşük basıncın aşağı ittiğinden daha güçlü biçimde yukarı iter. Hız ile basınç arasındaki bu ilişkiyi Bernoulli ilkesi açıklar.

Bunlar birbiriyle yarışan kuramlar değildir. Aynı hava akışını anlatmanın iki yoludur ve havacılık mühendisleri ikisini de kullanır.

Eşit varış süresi efsanesi

Pek çok ders kitabı eskiden kaldırma kuvvetini şöyle açıklardı: Kanadın üstünden giden havanın yolu daha uzundur, bu yüzden alttan giden havayla arka kenarda “buluşmak” için daha hızlı gitmek zorundadır. NASA’nın Glenn Araştırma Merkezi bu açıklamayı açıkça yanlış olarak niteler.

İki hava akımının yeniden buluşması gerektiğine dair bir kural yoktur. Hatta rüzgâr tüneli deneyleri, üstten akan havanın kanadın arkasına alttaki havadan daha önce ulaştığını gösteriyor. Efsane ayrıca düz ya da simetrik kanatların ve ters uçan uçakların nasıl kaldırma kuvveti üretebildiğini de açıklayamaz. Asıl neden, kanadın şeklinin ve açısının hava akışını döndürmesidir.

Hız, boyut ve hava

Bir kanadın ne kadar kaldırma kuvveti üreteceği şunlara bağlıdır:

• hız: Kaldırma kuvveti hızın karesiyle artar; hızı ikiye katlamak kaldırmayı kabaca dörde katlar;
• kanat alanı: Büyük kanatlar daha çok kaldırma üretir;
• hava yoğunluğu: Yüksek irtifada ya da sıcak günlerde seyrek hava daha az kaldırma üretir;
• hücum açısı: Daha dik bir açı belli bir noktaya kadar daha çok kaldırma üretir.

Uçakların pistte yüksek hızlara ulaşması gerekmesinin, sıcak ve yüksek rakımlı şehirlerdeki havalimanlarının çoğu zaman çok uzun pistlerinin olmasının ve uçakların kalkış ve inişte flapları ve slatları açmasının nedeni budur. Bu düzenekler kanadı daha büyük ve daha kavisli yaparak düşük hızlarda yeterli kaldırma üretmesini sağlar.

Kaldırma kaybolunca: stall

Hücum açısı çok dikleşirse kanadın üstündeki düzgün hava akışı artık kanadın kavisini takip edemez. Türbülanslı girdaplara ayrılır ve kaldırma kuvveti birden düşer. Buna stall (tutunma kaybı) denir. Motorun durmasıyla hiçbir ilgisi yoktur. Pilotlar açıyı azaltıp düzgün akışı yeniden kazanmak için burnu indirerek toparlanır.

Özetle

• Bir uçağa dört kuvvet etki eder: kaldırma, ağırlık, itki ve sürükleme.
• Kanatlar havayı aşağı yönlendirerek kaldırma üretir; hava da kanadı yukarı iter.
• Aynı etki kanadın üstünde düşük, altında yüksek basınç olarak da görülür.
• “Eşit varış süresi” açıklaması bir efsanedir.
• Kaldırma kuvveti hıza, kanat alanına, hava yoğunluğuna ve hücum açısına bağlıdır.
• Stall, açı çok dikleştiğinde ve hava akışı koptuğunda yaşanır.