Uçakların nasıl uçtuğu konusunda bazı açıklamalar duymuş olabilirsiniz, ancak duyduğunuz açıklamalar ya kısmen doğrudur ya da en kötüsü tamamen yanlıştır. Uçakların nasıl uçtuğu konusundaki pek çok yanılgının nedeni fiziksel ve kavramsal dinamiklerin doğasında olan karmaşıklığından kaynaklanmaktadır. En bilimsel şekliyle bir uçağın nasıl uçtuğunu açıklamaya çalışacağız: daha spesifik haliyle kanatların kaldırma gücünü nasıl oluşturduğunu.

Konuyu tam olarak anlamak için bir Airbus A380 düşünün. 589.670 kilogram maksimum kalkış ağırlığı, 320.000 litre maksimum yakıt kapasitesi ve 550 yolcu kapasitesi ile muazzam bir uçaktır. Kısacası, bu mühendislik harikası akıl almaz derecede ağır ve devasa. Ve bu yüzden şunu sormadan edemiyoruz: bu kanatlar 589.670 kilogram olan bir uçağın gökyüzünde güvenli bir şekilde uçmasını sağlayacak kaldırma kuvvetini nasıl üretiyor?

Kanatların kaldırma kuvvetini nasıl oluşturduğu kavramını tam olarak anlamak için iki temel doğa yasasını anlamamız gerekir. Her yasayı ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.

1) Kütle Korunum Kanunu

2) Momentum Korunum Kanunu

Kütlenin Korunumu;

Kütlenin korunum yasası şöyle der:

"Yoktan bir kütle oluşturulamaz veya var olan kütle yok edilemez"

Bu kavram, havanın nasıl aktığı ile ilgili önemli etkiye sahiptir, örneğin belirli bir hava kütlesinin akış oranına sahip bir tüp, belirli bir hava kütlesi hızının ölçüsünü verir.

Bu tüp, aşağıda gösterildiği gibi daraldığında, kütle korunum yasasına göre tüpün dar kesitinden geçen hava daha hızlıdır.

Bu durumu anlamak aslında oldukça kolay, sabit bir kütle akış oranı ile içinden su geçen bir hortum borusu düşünün. Hortum borusunun bir kısmını sıkıştırdığınızda, bu kısımdan geçen suyun hızı daha yüksek bir hıza sahip olur. Bu çetrefilli konuyu gerçekten anlamak için kullanılan kavram Bernoulli ilkesi olarak adlandırılır.

"Bir akışkanın hızında görülen bir artış, basıncın düşmesiyle veya akışkanın potansiyel enerjisindeki bir azalmayla aynı anda gerçekleşir"

Basitçe söylemek gerekirse, Bernoulli, bir sıvıya daha düşük basınç uygulandığında sıvının daha hızlı akacağını söyler.

Bu aşamada, bu ilkenin bir kanatta nasıl bir kaldırma kuvveti oluşturduğunu sorabilirsiniz.

Bir uçak ileriye doğru hızlanmış iken, kanatlar havanın içerisinden geçiyor demektir, ancak bunu açıklamak için bu duruma kanat perspektifinden bakacağız. Yukarıdaki şekilde de görebileceğiniz gibi hava kanadın çevresinden geçerken, ön kenarın üstündeki hava akımı, alt kenardakine oranla daha daralan bir kesitten geçmeye zorlanmışken, alt taraftan geçen hava akımı ise ihmal edilebilir bir değişime uğramaktadır. Kanadın üstünde, gelen havanın kanatın daha dar bir kesitte akmasına neden olan bir sınır varmış gibi düşünün.

Kütlenin Korunum Yasası bu durumda şunları söylemektedir: Kanadın üstündeki havanın daha hızlı gitmesi gerekmekte çünkü yol alacağı alan daha uzun. Bernoulli ilkesinin önemini şimdi görebiliyor musunuz? Kanat üzerindeki hava kanadın altındaki havadan daha hızlı hareket ederse, kanadın üstünde düşük basınç, kanadın altında ise yüksek basınç oluşur.

Peki basınç nedir? Basıncın matematiksel olarak ifadesi aşağıdaki denklemle gösterilir:

Basınç = Kuvvet/Alan

Bu; kanadın alt tarafına uygulanan birim alandaki kuvvetin, kanadın üstüne uygulanan birim alandaki kuvvetten daha büyük olduğu anlamına gelir. Dengesiz kuvvetler, kaldırma kuvveti olarak adlandırdığımız net kuvvetle sonuçlanır.

Ancak bu, kaldırma kuvvetine katkıda bulunan tek olgu değildir. Momentum korunumu da kaldırma kuvvetini oluşturmada rol oynar.

Momentum korunumu;

Momentumun korunum yasası şu şekildedir:

"Tüm çarpışmalar için, çarpışmadan önceki toplam momentum, çarpışmadan sonraki toplam momentuma eşittir"

Önce momentumun ne olduğunu tanımlayalım, öncelikle momentum vektörel bir niceliktir, bu da hem yön hem büyüklüğe sahip fiziksel bir nicelik olduğu anlamına gelir.

Matematiksel olarak momentum: Momentum = Kütle x Hız

Yani, kütlesi olan her hareketli nesne bir momentuma sahiptir. Ancak anlaşılması gereken en önemli şey hızın (süratin aksine) bir yöne sahip olması nedeniyle momentumun bir yön ile tanımlanması gerektiğidir. Havanın da bir kütlesi olduğunu hatırlamak gerekir.

Gelen havanın bir hızı vardır, dolayısıyla bir yöne de sahiptir ancak kanatla çarpıştığında bazı hava kanadın üstünden geçer iken bazısı kanadın altından geçer, ancak bunu gerçekleştirmek için önemli olan hava akışının yön değiştirmesi dolayısıyla momentumunun değişmesidir. Biliyoruz ki, bir sistemdeki momentum daima korunmaktadır. Yani, havanın momentumu aşağıya doğru olduğunda, momentumun korunması için kanat momentumunun yönü yukarıya doğru olur. Bu da, bir uçakta kaldırma kuvvetinin oluşumuna katkıda bulunur.

Momentumdan kaynaklanan bu kaldırma kuvvetini katlamak için, pilot, esasen daha fazla havanın yönlenmesine izin veren hücum açısını artırabilir.

Sonuç;

Bundan sonra birisi size Airbus A380 gibi yarım milyon kilogram'lık bir canavarın nasıl uçtuğunu sorduğunda, onlara uçağın uçmasını sağlayan iki Temel Fizik Kanunu’ndan bahsedin. İlk olarak, kanadın üstünden geçen havanın kanatın altından geçen havadan daha hızlı gittiğini söyleyin.

Bu durum, kanadın üzerinde düşük basınçlı bir bölge oluşturur. Ama bu noktada durmayın! Aynı şekilde Bernoulli ilkesi olarak Momentumun Korunum Yasası da önemlidir. Onlara, momentumun her zaman korunması gerektiğinden, havanın aşağıya doğru olan momentumunun karşılanması için kanatın momentum yönünün yukarıya doğru olması gerektiğini söyleyin.