Uçaklar Nasıl Uçar?

Pek çoğumuzun merak ettiği konulardan biri de “Uçaklar nasıl uçar?” sorusunun cevabıdır. Tepemizden bir uçak geçtiğinde veya çoğu kez seyahatlerimizde tonlarca ağırlıkta olan bu metal parçasının nasıl havada asılı durabildiğini hayatlarımızda en az bir kez düşünmüşüzdür. Öyle ki, dünyanın en büyük kalkış ağırlığına sahip olan uçağının Antonov-An 225 uçağının azami kalkış ağırlığı 640 tondur. Bir uzay mekiğini taşıma amacıyla üretilen bu uçak nasıl olur da havada asılı kalabiliyor? Bu soruyu ne kadar teorik olarak anlatırsak anlatalım illa ki aklımıza takılan, anlam veremediğimiz, yine de bizi bir türlü tatmin etmeyen fikirlere kapılabiliriz. Bu yüzden bu soruyu cevaplamada asıl olan “fizik bilgisi” dir. Bu sorunun cevabı fizik biliminin mucizevî sonucunda elde edilmiştir. Yine de ümitsizliğe kapılmayalım. Pek çoğumuz elektrostatik, manyetik alanlar veya momentum konusunda ihtisas yapmadık. Ancak basit bir fizik bilgisiyle uçağın nasıl uçtuğunu anlatabilmek ve bunun sonucunda bu olağanüstü icadın temelini kavrayabilmek mümkün.

Bir uçağın nasıl uçtuğu ve bir pilotun havada uçağı nasıl kontrol edebildiğini mantıklı ayrıntılarıyla basit bir şekilde anlatılabiliriz. Bunu yaparken ise basit resimler ile bunu zihinde canlandırmak faydalı olacaktır. Böylece kafamızda soru işareti de kalmayacaktır.

Öncelikle detaylı bir şekilde modern uçakların kanat ve kuyruk yapılarına bakalım. Özellikle kanat profilini dikkatli incelersek kanadın tek başına büyük bir parçadan oluşmadığını, üzerinde sürekli hareket halinde parçalar olduğunu göreceğiz. Bu hareket halinde olan parçaların hareket ettiğini sadece uçuş sırasında görmeyiz. Uçak park pozisyonundan çıktığında pist başına doğru giderken bile kanat üzerinde bu parçalar hareket etmektedir. Bunu kokpit ekibi; kumandaları, uçuş kontrol yüzeylerini, hidroliklerin çalışma durumunu test etmek amacıyla yapmaktadır. Aynı uygulama uçağın kuyruk kontrol yüzeylerini test etmek için de uygulanır. Ancak bunu tabii ki uçak içinden görmemiz imkânsız olacaktır.

Kanada daha da yakından baktığımızda ise üzerinde sürekli hareket eden bu parçalar aslında bir fizik başlığı olan akışkan mekaniğinin konusudur. İşte tam da burada asıl fark edilmesi gereken kanadın şekil yapısıdır. Havacılıkta kanadın bu şekline “Airfoil” denilmektedir.

Şekilde de görüldüğü üzere uçak kanatları biraz eğri duracak şekilde, resim olarak akışkanı andıracak bir görünüm ile tasarlanmıştır. Bu tasarımın arkasında da yine fizik biliminden yararlanılmıştır. Kanadın üst yüzeyi görüldüğü üzere çok eğimli iken, alt yüzeyi çok daha az eğimlidir.

Bu sadece bugün modern çağın uçaklarına ait bir tasarım değildir. Uçağın ilk mucitleri Wright kardeşler de ilk uçaklarında bu kanat yapısını kullanmışlardır. Şekilde de görüldüğü üzere, aynı eğimli kanat yapısı tarihin ilk uçağında da mevcuttur. Bu uçaktaki eğimli yapı hava akışının aşağı doğru akması için oldukça yeterlidir. Ayrıca detaylı bakılırsa, Wright Kardeşlerin uçağında altta ve üstte olmak üzere iki adet kanat bulunmaktadır.

Kanatların bu eğimli yapısının temel amacı kaldırma kuvveti oluşturmaktır. Bu da Newton’un hareket kanunundan yola çıkılarak ulaşılmış bir başarıdır. Bu kanun der ki : “ir cisme kuvvet uygulanır ise, cisim de kuvvet kaynağına aynı büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygular”. Bu demektir ki eğer kanatlar karşısından aldığı havayı aşağıya doğru bir akım olacak şekilde bastırırsa, hava da kanatları ters yönde bastırarak bir kaldırma kuvveti oluşturur.

Kanadın ön tarafından giren hava kanadın üst yüzeyini geçerken alt yüzeyine kıyasla daha uzun bir yol kat eder. Bu yüzden hava kanadın üst kısmında hızlanarak hareket eder. Burada artan hava hızı, basıncı azaltır. Bu da kanat üzerinde düşük basınç oluşmasını sağlar. Bu durum fizik bilimindeki Bernoulli Prensibinin tam karşılığıdır. Bernoulli Prensibinin detayları için ilgili yazıya tıklayabilirsiniz. Uçaklara dair farklı kanat tasarımlarının (airfoil) neler olduğunu ve kanatlara ait tüm detayları kanat tasarımları adlı başlıkta bulabilirsiniz.

• Bernoulli Prensibi Nedir?
• Uçak Kanat Tasarımları
• Uçak Kanat Yüzeyi – Flap ve Slat

Kısacası kanatlar kaldırma kuvveti sayesinde uçağın havada asılı kalabilmesini sağlar ve de ayrıca ağırlığı dengeleme işlevi görür. Başta bahsedilen kanat üzerinde hareket halinde olan yapılar da kaldırma kuvvetini arttırma da etkilidir. Nasıl mı? Kanadın şeklini tekrar ele alacak olursak, şekilde görüldüğü üzere kanat üzerinde slat ve flap adı verilen parçalar hareket ederek kanadın şeklini değiştirmektedirler. Slat ve flap açılarak daha geniş bir kanat yapısı elde edilmektedir. Bu da kaldırma kuvvetinin etkisini arttırma da işe yarar.    

O halde, şimdi bir uçağın kalkışını hayal edelim. Park pozisyonundan çıkan uçağımız pist başına gitmek üzere taksi yapıyor. Bu sırada yolcu kabin camlarından da görüleceği üzere kokpit ekibi kanat üzerindeki flap ve slatları ayrıca arkada kuyruk kumanda yüzeylerini hareket ettirerek “Flight Control Check” denilen kontrol işlemini gerçekleştiriyor.

Pist başına gelen uçağımız öncelikle motorları çalıştırarak uçağın hızını arttırıyor. İstenilen hıza ulaşıldığında ise, pilot flap ve slatları aktif ediyor. O sırada kanat yüzeylerinin bir anda genişlediğini göreceksiniz. Bu sayede kaldırma kuvveti elde ediliyor. Uçak artık kalkış için hazırken, pilot bu sefer uçağın kuyruğunda bulunan elevator yüzeyini yukarı kaldırıyor. Ardından uçak hücum açısı (angle of attack) sağlanıp, airfoil yükseltiliyor. Kaldırma kuvveti tam bu sırada aniden artıyor, ve artık uçak yerden kesilmiş oluyor.

Şöyle hayal edelim, ortalama hızla giden bir arabanın camını açın ve elinizi dışarı uzatın. Parmaklarınız kapalı elinizi karşıdan gelen hava akımına karşı, parmak ucunuz aracın istikametinde olacak şekilde hafif yukarı kaldırın. Karşıdan gelen hava avcunuza bir kuvvet uygulayacak ve elinizi yukarı doğru yönlendirme eğiliminde olacaktır. En basit ifadeyle, bir uçağın kalkışındaki aerodinamik yapıyı zihninizde bu şekilde pekiştirebilirsiniz.

Uçağın kalkışından bahsederken, kalkış için hücum açısının 15 derece olması gerekmektedir. Peki, nedir bu hücum açısı? En basit ifadeyle tarif edecek olursak, hücum açısı yani İngilizcesiyle “angle of attack” uçağın yatay hareketine göre burnunun yer yüzeyiyle arasında kalan açıdır. Kaldırma kuvvetinin büyüklüğü hücum açısına ve uçağın hızına bağlıdır. Hücum açısının aşılması durumunda uçak stall durumuna girer. Ayrıntı için “Stall Nedir?” ve “Hücum Açısı Nedir?” başlıklarını inceleyebilirsiniz.

• Stall Nedir?
• Hücum Açısı Nedir?

Uçağa itme kuvvetini ise motor verir. Modern sivil havacılık uçakları, günümüzde turbofan motoru denilen motor tipini kullanmaktadır. Motorun içine giren hava sırasıyla compresor, yanma odası ve en son turbin kademelerinden geçer. Pilot uçak motorlarını çalıştırdığında motorların içlerindeki pervaneler dönmeye başlamaktadır. Pervanelerin dönmesi ile uçağın arka kısmında kalan hava sıkışır, ön kısmında kalan hava ise dönen pervaneler sayesinde seyrelir. Bu durumda arka kısımdaki hava basıncı ön kısımlara etkiyen hava basıncından daha büyük olur. Bu da uçağa ileri yönde net bir kuvvet etki eder ve uçak ileri doğru hareket eder.

Kısacası uçağın motoru uçağı öne doğru itki hareketi verir. Uçak öne doğru hareket ederken ise, uçak kanadının hem üstünden hem altından geçen hava hızlı bir akım gösterir. Başta bahsedildiği gibi uçak hareketiyle kanadın üzerinde oluşan hava basıncı altındaki hava basıncından düşük olur. Uçağın hızı arttıkça, hava basıncı farkı da artacaktır. Basınç farkı belirli bir seviyeye ulaştığında ise uçak yerden teker keser. Aslında, uçaklar motorsuz da havada asılı kalabilir. Buna örnek olarak planörler veya yamaç paraşütleri gösterilebilir. Her ikisi de herhangi bir motor itki kuvveti olmaksızın süzülerek hız kazanırlar ve tamamen hızın kanatlar üzerinde oluşturduğu etki ile havada asılı kalırlar.

İşin özü, uçağa etki eden dört temel kuvvet vardır. Bunlar;

1) Kaldırma Kuvveti (Lift)

Uçağın kanatları sayesinde uçağın havalanması ve havada kalması sağlanır.

2) Motor Gücü (Thrust)

Kaldırma kuvvetinin sağlanması için kanatların etrafında hava akımı olmalıdır. Buradaki hava akımı motor gücünden sağlanır.

3) Hava Direnci (Drag)

Hava direnci uçağın havadaki akıma karşı gösterdiği karşı dirençtir. Uçağın itme yönünün tam tersi yönünde olur.

4) Ağırlık (Gravity)

Uçağın toplam ağırlığıdır. Uçak ağırlaştıkça yer çekimine karşı direnir, uçak hafif ise yer çekimini bir o kadar kolay yenebilir.