Article Thumbnail

Uçaklar

  • 22 Ekim 2021 08:12

Dünyanın bir ucundan diğer ucuna birkaç saat içinde uçabileceğimizi varsayıyoruz, ancak bir asır önce bu inanılmaz havada yarışma yeteneği daha yeni keşfedilmişti. Elektrikli uçuşun öncüleri olan Wright kardeşler, yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde her gün 100.000 uçağın gökyüzüne çıktığı bir çağda ne yapardı? Elbette hem şaşıracaklar hem de çok sevineceklerdi. Motorlu uçuşla ilgili başarılı deneyleri sayesinde, uçak haklı olarak tüm zamanların en büyük icatlarından biri olarak kabul edilmektedir. Nasıl çalıştığına daha yakından bakalım!

 

Uçaklar nasıl uçar?

Daha önce bir jet uçağının kalkışını veya inişini izlediyseniz, fark edeceğiniz ilk şey motorların gürültüsü olacaktır. Sürekli bir yakıt ve hava akışı yakan uzun metal borular olan jet motorları, geleneksel pervaneli motorlardan çok daha gürültülü (ve çok daha güçlü). Bir uçağı uçurmanın anahtarının motorlar olduğunu düşünebilirsiniz, ancak yanılıyorsunuz. Planörler (motorsuz uçaklar), kağıt uçaklar ve gerçekten de süzülerek uçan kuşların bize kolayca gösterdiği gibi, şeyler motorlar olmadan oldukça mutlu bir şekilde uçabilir.

Uçakların nasıl uçtuğunu anlamaya çalışıyorsanız, motorlar ve kanatlar arasındaki farklar ve yaptıkları farklı işler hakkında net olmalısınız. Bir uçağın motorları, onu yüksek hızda ilerletmek için tasarlanmıştır. Bu, havayı yere doğru fırlatan kanatlar üzerinde hızlı bir şekilde hava akışını sağlar ve uçağın ağırlığını yenen ve onu gökyüzünde tutan kaldırma adı verilen yukarı doğru bir kuvvet oluşturur. Yani bir uçağı ileriye doğru hareket ettiren motorlar, kanatlar ise onu yukarı doğru hareket ettiriyor.

 

Kanatlar nasıl kaldırma yapar?

Bir cümlede, kanatlar, motorlar onları gökyüzüne doğru fırlatırken, onlara çarpan havanın yönünü ve basıncını değiştirerek kaldırma işlemini gerçekleştirir.

 

Basınç farklılıkları

Tamam, kanatlar bir şeyi uçurmanın anahtarıdır - ama nasıl çalışırlar? Çoğu uçak kanadının kavisli bir üst yüzeyi ve daha düz bir alt yüzeyi vardır, bu da kanat profili (veya İngiliz iseniz aerfoil) adı verilen bir kesit şekli oluşturur.

Pek çok bilim kitabında ve web sayfasında, bunun gibi bir kanat profilinin nasıl kaldırma oluşturduğuna dair yanlış bir açıklama okuyacaksınız. Şöyle gider: Hava, kavisli üst kanat yüzeyinin üzerine hücum ettiğinde, altından geçen havadan daha uzağa gitmesi gerekir, bu nedenle daha hızlı gitmesi gerekir (aynı anda daha fazla mesafe kat etmesi için). Bernoulli yasası olarak adlandırılan bir aerodinamik ilkesine göre, hızlı hareket eden hava, yavaş hareket eden havadan daha düşük bir basınçtadır, bu nedenle kanadın üzerindeki basınç, aşağıdaki basınçtan daha düşüktür ve bu, uçağı yukarı doğru hareket ettiren kaldırmayı yaratır.

Kanatların nasıl çalıştığına dair bu açıklama geniş çapta tekrarlansa da yanlıştır: Doğru cevabı verir, ama tamamen yanlış nedenlerle! Bir an düşünün ve gerçek olsaydı akrobatik uçakların baş aşağı uçamadığını göreceksiniz. Bir uçağı ters çevirmek "indirme" yaratır ve onu yere çarpmasına neden olur. Sadece bu da değil, simetrik olan (kanada dümdüz bakan) kanatlara sahip uçaklar tasarlamak mükemmel bir şekilde mümkündür ve yine de kaldırma üretirler. Örneğin, kağıt uçaklar (ve ince balsa ağacından yapılmış olanlar), düz kanatları olmasına rağmen kaldırma kuvveti oluşturur.

Ancak, kaldırmanın standart açıklaması bir başka önemli nedenden dolayı da sorunludur: kanadın üzerinden ateş eden hava, altından geçen hava ile uyumlu olmak zorunda değildir ve hiçbir şey aynı anda daha büyük bir mesafe kat etmesi gerektiğini söylemez. . İki hava molekülünün kanadın önüne geldiğini ve ayrıldığını hayal edin, böylece biri yukarıdan fırlar ve diğeri doğrudan alttan ıslık çalar. Bu iki molekülün kanadın arka ucuna tam olarak aynı anda ulaşması için hiçbir neden yok: bunun yerine diğer hava molekülleriyle buluşabilirler. Bir kanat profilinin standart açıklamasındaki bu kusur, "eşit geçiş teorisi"nin teknik adıyla gider. Bu, hava akımının kanat profilinin önünde ayrıldığı ve arkada düzgün bir şekilde tekrar buluştuğu (yanlış) fikrin süslü bir adıdır.

Peki gerçek açıklama ne? Kavisli bir kanat profili kanat gökyüzünde uçarken havayı saptırır ve üstündeki ve altındaki hava basıncını değiştirir. Bu sezgisel olarak açık. Bir yüzme havuzunda yavaşça yürüdüğünüzde ve suyun vücudunuza doğru iten gücünü hissettiğinizde nasıl hissettiğini düşünün: Vücudunuz suyun içinden geçerken suyun akışını değiştiriyor ve bir kanat kanadı aynı şeyi yapıyor (çok daha dramatik bir şekilde). —çünkü bunu yapmak için tasarlandı). Bir uçak ileriye doğru uçarken, kanadın kavisli üst kısmı, doğrudan üzerindeki hava basıncını düşürür, böylece yukarı doğru hareket eder.

Bu neden oluyor? Hava, kavisli üst yüzey üzerinden akarken, doğal eğilimi düz bir çizgide hareket etmektir, ancak kanadın eğrisi onu aşağı doğru çeker. Bu nedenle, hava etkili bir şekilde daha büyük bir hacme doğru gerilir - aynı sayıda hava molekülü daha fazla yer kaplamaya zorlanır - ve bu da havanın basıncını düşürür. Tam tersi bir nedenle, kanat altındaki havanın basıncı artar: ilerleyen kanat, önündeki hava moleküllerini daha küçük bir alana sıkıştırır. Üst ve alt yüzeyler arasındaki hava basıncı farkı, hava hızında büyük bir farka neden olur (geleneksel kanat teorisinde olduğu gibi tersi olmaz). Hızdaki fark (gerçek rüzgar tüneli deneylerinde gözlemlenen), basit (eşit geçiş) teorisinden tahmin ettiğinizden çok daha büyüktür. Yani iki hava molekülümüz önde ayrılırsa, üstten geçen, alttan geçenden çok daha hızlı bir şekilde kanadın kuyruk ucuna ulaşır. Ne zaman ulaşırlarsa ulaşsınlar, bu moleküllerin ikisi de aşağı doğru hızlanıyor olacak ve bu, ikinci bir önemli şekilde kaldırmanın üretilmesine yardımcı oluyor.

 

Aşağı doğru akım

Daha önce bir helikopterin yanında durduysanız, gökyüzünde nasıl durduğunu tam olarak bileceksiniz: ağırlığını dengeleyen devasa bir "aşağı doğru hareket eden" (aşağı doğru hareket eden hava akımı) hava yaratır. Helikopter rotorları uçak kanatlarına çok benzer, ancak uçaktakiler gibi düz bir çizgide ilerlemek yerine bir daire içinde dönerler. Öyle olsa bile, uçaklar helikopterlerle tamamen aynı şekilde aşağı doğru akım yaratır - sadece biz fark etmeyiz. Aşağı yıkama çok açık değil, ancak bir helikopterde olduğu kadar önemlidir.

Kaldırma işleminin bu ikinci yönünü anlamak, en azından bir fizikçi için, basınç farklılıklarını anlamaktan çok daha kolaydır: Isaac Newton'un üçüncü hareket yasasına göre, eğer hava bir uçağa yukarıya doğru bir kuvvet veriyorsa, uçak bir (eşit ve zıt) vermelidir. ) havaya aşağı doğru kuvvet. Böylece bir uçak, havayı arkasından aşağı doğru itmek için kanatlarını kullanarak da kaldırma kuvveti üretir. Bunun nedeni, kanatların tahmin edebileceğiniz gibi tamamen yatay olmaması, ancak çok hafif bir şekilde geriye doğru eğilmesi ve böylece bir saldırı açısıyla havaya çarpmalarıdır. Açılı kanatlar, hem hızlandırılmış hava akışını (üstlerinden) hem de daha yavaş hareket eden hava akışını (altlarından) aşağı doğru iter ve bu, kaldırmayı sağlar. Kanat profilinin kavisli tepesi, daha düz alttan daha fazla havayı saptırdığı (aşağı ittiği) (başka bir deyişle, gelen havanın yolunu çok daha çarpıcı biçimde değiştirdiği) için, önemli ölçüde daha fazla kaldırma üretir.

Havanın neden bir kanadın arkasına aktığını merak ediyor olabilirsiniz. Örneğin, neden kanadın ön tarafına çarpmıyor, üstte eğriliyor ve sonra yatay olarak devam etmiyor? Neden sadece yatay bir "geri yıkama" yerine bir aşağı yıkama var? Önceki basınç tartışmamızı tekrar düşünün: bir kanat, hemen üzerindeki hava basıncını düşürür. Daha yüksekte, uçağın çok üzerinde, hava hala normal basıncındadır, bu da kanadın hemen üzerindeki havadan daha yüksektir. Bu nedenle, kanadın oldukça yukarısındaki normal basınçlı hava, hemen üstündeki düşük basınçlı havayı aşağı doğru iter ve bir geri yıkamada havayı etkili bir şekilde aşağı ve kanat arkasına "fışkırtır". Başka bir deyişle, bir kanadın yarattığı basınç farkı ve arkasındaki havanın aşağı yönlü hareketi iki ayrı şey değil, aynı etkinin parçaları ve parselleridir: açılı bir kanat profili kanat, aşağı doğru bir basınç farkı yaratır ve bu, aşağıdakileri üretir. kaldırmak.

Artık kanatların havayı aşağı doğru itmek için tasarlanmış cihazlar olduğunu görebiliyoruz, düz veya simetrik kanatlara sahip uçakların (veya baş aşağı dublör uçaklarının) neden hala güvenle uçabildiğini anlamak kolay. Kanatlar aşağı doğru bir hava akışı oluşturduğu sürece, uçak onu havada tutacak eşit ve zıt bir kuvvet - kaldırma - yaşayacaktır. Başka bir deyişle, baş aşağı pilot, uçağı havada tutmaya yetecek kadar düşük basınç oluşturan belirli bir hücum açısı yaratır.

 

Ne kadar kaldırma yapabilirsin?

Genel olarak, bir kanadın üstünden ve altından akan hava, kanat yüzeylerinin eğrisini çok yakından takip eder - tıpkı bir kalemle ana hatlarını çiziyor olsaydınız bunu takip edebileceğiniz gibi. Ancak hücum açısı arttıkça kanat arkasındaki düzgün hava akımı bozularak daha çalkantılı hale gelir ve bu da kaldırmayı azaltır. Belli bir açıda (değişiklik gösterse de genellikle yaklaşık 15° yuvarlak), hava artık kanat çevresinde düzgün bir şekilde akmaz. Sürüklemede büyük bir artış, kaldırmada büyük bir azalma var ve uçağın durduğu söyleniyor. Bu biraz kafa karıştırıcı bir terim çünkü motorlar çalışmaya devam ediyor ve uçak uçmaya devam ediyor; durak basitçe kaldırma kaybı anlamına gelir.

Uçaklar, kanat şeklindeki kanatlar olmadan uçabilir; Eğer bir kağıt uçak yaptıysanız bunu bileceksiniz ve bu 17 Aralık 1903'te Wright kardeşler tarafından kanıtlandı. Orijinal "Uçan Makine" patentinde (ABD patenti #821393), hafif eğimli kanatların ("uçaklar" olarak adlandırdıkları) buluşlarının temel parçaları olduğu açıktır.

Onların "uçakları", ahşap bir çerçeve üzerine gerilmiş kumaş parçalarıydı; bir airfoil (aerfoil) profiline sahip değillerdi. Wrights, hücum açısının çok önemli olduğunu fark etti: "Bu buluşun ilgili olduğu karakterdeki uçan makinelerde, aparat, hava ile bir veya daha fazla uçağın alt yüzeyi arasındaki temas nedeniyle havada desteklenir, temas -yüzeyin havaya küçük bir geliş açısıyla sunulması." [Vurgu eklenmiştir]. Wright'lar parlak deneysel bilim adamları olmalarına rağmen, modern aerodinamik bilgimizden ve kanatların tam olarak nasıl çalıştığına dair tam bir anlayıştan yoksun olduklarını hatırlamak önemlidir.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, kanatlar ne kadar büyük olursa, o kadar fazla kaldırma kuvveti yaratırlar: bir kanadın alanını ikiye katlamak (bu, yukarıdan aşağıya baktığınızda gördüğünüz düz alandır), yaptığı kaldırma ve sürüklemeyi iki katına çıkarır. Bu nedenle devasa uçakların (en üstteki fotoğrafımızdaki C-17 Globemaster gibi) devasa kanatları vardır. Ancak küçük kanatlar, yeterince hızlı hareket ederlerse büyük bir kaldırma kuvveti de sağlayabilirler. Kalkışta ekstra kaldırma sağlamak için, uçakların kanatlarında daha fazla havayı aşağı itmek için uzatabilecekleri kanatlar bulunur. Kaldırma ve sürükleme hızınızın karesine göre değişir, bu nedenle bir uçak karşıdan gelen havaya göre iki kat daha hızlı giderse, kanatları dört kat daha fazla kaldırma (ve sürükleme) üretir. Helikopterler, rotor kanatlarını (aslında bir daire içinde dönen ince kanatlar) çok hızlı bir şekilde döndürerek büyük miktarda kaldırma kuvveti üretir.

 

Kanat girdapları

Artık bir uçak tamamen temiz bir şekilde arkasına hava atmıyor. (Örneğin, bir askeri nakliye aracının arka kapısından büyük bir hava kasasını itip dümdüz yere düştüğünü hayal edebilirsiniz. Ama bu pek de öyle olmuyor!) Her kanat aslında havayı aşağı doğru gönderiyor. hemen arkasında dönen bir girdap (bir tür mini kasırga). Bu biraz, bir tren istasyonunda bir peronda dururken yüksek hızlı bir trenin durmadan yanından geçip arkasında büyük bir vakum gibi hissettiren bir şey bırakmasına benzer. Bir düzlemle, girdap oldukça karmaşık bir şekildir ve çoğu aşağı doğru hareket eder - ama hepsi değil. Merkezde aşağı doğru hareket eden büyük bir hava akımı var, ancak bir miktar hava aslında kanat uçlarının her iki yanında yukarı doğru kıvrılarak kaldırmayı azaltıyor.

 

-

Referanslar: https://www.explainthatstuff.com/howplaneswork.html