AERODİNAMİK

Fiziğin bölümlerinden mekanik bilimi­nin bir dalı olan Aerodinamik, hava ve gaz halindeki tüm akışkanların hareketini ve bu akışkanlar içinden geçen cisimlere etki eden kuvvetleri inceler. Amacı, özellikle uçakların, roketlerin ve füzelerin havadaki hareketlerinde uyut­ması gereken ilkeleri açıklamaktır. Ayrı­ca, otomobillerin, gemilerin, trenlerin ta­sarımları ile köprülerin,çok yüksek yapı­ların şiddetli rüzgârlara dayanacak şekil­de inşa edilmesini sağlamaktır. Bunlar­dan ayrı olarak bir sıvı içinde hareket eden cismin durumunu da Aerodinamik’in bir dalı olan sıvıların mekaniği dalı in­celer.

Aerodinamik, teorik ve deneysel aero­dinamik olmak üzere ikiye ayrılır:

1. Teorik Aerodinamik: Havanın belirli şartlardaki hareketini temin eden kanun­ları ortaya koymak ve araştırmak isteni­len cisme etki eden güçleri matematik­sel yollarla hesaplamaktır.

2. Deneysel Aerodinamik: Aerodina­mikte ispatlanmış teorilerin gerçeklenme- lerini ve bu olayların daha iyi açıklanma­sını sağlar (uçakların hızlarını arttırmak gibi). Newton, mekaniğin yasalarını ortaya koymakla klasik aerodinamiğin temelini atmış oldu. Modern aerodinamiğin geliş­mesinde ise Macar asıllı Mühendis Thedore Von Kârmân rol oynadı. Kârmân ses üstü hıziardaki uçuş konusunda gelişme­ler yaptı. Aerodinamik, değişik şartlarda, kulla­nılacak uçakların gövde ve kanat biçim­lerini, uçuş sırasındaki denge durumla­rını da tespit eder.

Aerodinamik ve Temel ilkeleri

Aerodinamik; havanın ya da öteki gazların hareketini ve bu hareket sırasında katılar üzerinde oluşturduğu etkilerle ilgilenen dinamik koludur. Yunanca aero (hava) ve dinamik (güç) sözcüklerinden oluşur. Havanın rölatif (görece) hareketi yalnızca uçak yapımcılarını ilgilendirmez. Örneğin otomobil yapımcıları, havanın direncinin bir etken olarak ortaya çıktığı yüksek hızlardan araçların denetimini sağlayabilmek için çalışmalar yapmaktadırlar. Balistik füze yapımcıları, havanın içinde kolaylıkla hareket edebilecek füze biçimini saptamaya çalışmaktadırlar. Gökdelen, köprü ve benzeri öteki yapımlarda çatı yapılırken aerodinamik ilkeler uygulanır. Bu nedenle, gerek engeller üzerinde, gerekse boru ve tüp gibi kapalı yerler içinde ne zaman bir hava hareketi oluşursa, aerodinamik kuramın uygulaması da başlar.

Temel İlkeler:

Havanın akışkanlığı. Aerodinamiğin genellikle ilgilendiği ortam havadır. Hava (ya da herhangi bir gaz) bir akışkan olduğundan, aerodinamik akışkanlar mekaniğinin önemli bir bölümünü oluşturur. Hareket halindeki suyun üzerinde çalışmalarla ilgili gözlemler, hareket halindeki hava üzerinde aynı uygulamayı bulur. Havanın görece hızı yanında, aerodinamikte en büyük önemi taşıyan özellikler sıcaklık, yoğunluk ve basınçtır. Standart hava, 15°C (59°F) sıcaklığa sahip 76 cm (29-291 inç) civa basıncına eşit ve yerçekimi ivmesinin saniyede 9.813 metre (32-174 fit) olduğu enlemdeki hava olarak tanımlanır.

Hava akışının biçimleri. Hava görünmez olduğundan, son zamanlara kadar havanın da öteki akışkanlara benzer bir akış birimi olduğu bilinmekteydi. Bugün bilim adamları, havanın akış biçimleri üzerinde birçok çalışmalar yapmakta ve hâlâ su gibi sıvılar içindeki akış biçimleriyle kıyaslamaktadırlar.

Düzenli akış (Laminar akış). Hava, içindeki bir cisme oranla görece hareket halindeyken, cismin çevresindeki hava akışı, cismin biçimine ve havanın hızına bağlı olarak, değişik biçimler alır. Havanın akışı anında, hava parçacıklarının izlediği yola, akım doğrusu denir. Akım doğrusu birbirine koşuttur, birbirlerini kesemezler. Bir cismin çevresindeki bozulmamış hava akımına, düzenli akış denir.

Karışık akış (Türbülanslı akış). Hava, eğik bir yüzey çevresinde hareket halindeyken daha hızlı akış gösterir ve hayali akım doğruları, cismi geçinceye kadar birbirlerine daha çok yaklaşırlar. Eğer hava hızlı hareket eder ve akım doğruları düzenli olarak oluşmazsa düzensiz akış ortaya çıkar. Cismin gerisinde anaforlar oluşmaya başlar ve hava akışı değişken bir niteliğe bürünür, ilk araştırıcılar düzenli akışın sürdürebildiği bir cisim üzerindeki aerodinamik direncin, düzensiz bir akım içindeki cisim üzerinde oluşan dirençten daha az olduğunu gözlemiştir.

Sınır tabakası. Bir cismin hava akışı içindeyken cismin yüzeyi ile havanın sürtünmesinden ötürü, hava akımının hızı azalır. Yüzeye en yakın yerde hız sıfıra kadar düşer. Yüzeyden uzaklaştıkça hız serbest akış hızına eşit olacak biçimde artar. Yüzeydeki hızın sıfır olduğu yerle serbest akış hızına eşit olduğu yer arasında kalan çok ince bölgeye sınır tabakası adı verilir.

Aerodinamik güçlerin hesaplanması. Bir hava akımının bir cisim üzerindeki görece hareketi sırasında ortaya çıkan güce aerodinamik güç denir. Bu gücün oluşmasında temel değişken nicelikler görece hava hızı ile cisim boyutudur:

Hız. bir cismin üzerinde oluşan aerodinamik güç, hızın karesi ile değişir.
Boyut. Ortaya çıkan aerodinamik güç, cismin boyutlarının karesi ile değişir.

Öteki etkenler. Genellikle aerodinamik güçlerin hesaplanmasında boyut ve hız gibi basit etkenlerden başka etkenler de kullanılır: Düşük görece hızlarda hava sıkıştırılamaz. Daha yüksek hızlarda sıkışmanın bir sonucu olarak havanın bir bölümü değişmeye başlar. Havanın sıcaklığı, yoğunluğu ve iç basıncı tümüyle etkilenir. Hareket halindeki bir cismin üzerinde hava akışının özellikleri ve burada oluşan güç değişir. Bundan başka hava akımı ile cisim arasında sürtünme ve havanın kendi içindeki sürtünme (viksozite) özellikle cismi çevreleyen sınır tabakası konusunda, daha yüksek hızlarda önemli sorunlar yaratmaktadır.

Ses hızları. Standart ses hızı, deniz düzeyinde, standart havada saniyede 342 (1.110 fit) ya da saatte 1.226.8 km (762 mil) olarak kabul edilir. Yüksekliğe bağlı olarak sıcaklık ve yoğunluk değişince bu hız da değişir. Bir cisim, 00 ile 0.75 katına kadar hızlarda hareket ettiğinde sesaltı (supsonik), sesin 0.75 katı ile 1.3 katı arasında hareket ettiğinde sesgeçiş (transonik), sesin 1.3 katı ile 5 katı arasında hareket ettiğinde sesüstü (süpersonik), sesin 1.3 katı ile 5 katı arasında hareket ettiğinde sesüstü (süpersonik), sesin 5 katından daha yüksek hızla hareket ettiğinde yukarı sesüstü (hipersonik) hızla gittiği söylenir.

Uygulamalı aerodinamik. Aerodinamik çalışmaların, gerçek uçuş sorunlarına uygulanmasında, aerodinamik kuvvetin iki önemli bileşimi özellikle büyük önem taşır: Kaldırma ve sürükleme. Kaldırma, hava içinde hareket eden cismin hareket yönüne dik olarak oluşan bileşendir (hareket yönüne bazen görece rüzgâr denir). Sürüklemeyle cismin hareket yönüne ters yönde ve paralel olarak cismin geri çekecek biçimde oluşan bileşendir. Sürükleme, hem kaldırma gücüyle indüklenir, hem de cismin biçimiyle ilgili olarak cismin yüzeyleriyle hava arasındaki sürtünmeden ortaya çıkar. Uçuş için hazırlanan bir cismin yapımında kaldırma gücünün sürüklemeye oranla daha büyük olmasına dikkat edilir. Yapımda ayrıca cismin, olanaklar elverdiği oranda, fazlaca düzenli akışa izin vermesine, en alt düzeyde karışık akış oluşturmasına önem verilir. Çünkü, karışık akış bir cisim üzerindeki sürüklemeyi artırır. Öte yandan köprü gibi sabit yapıların yapımında düzenli akışın oluşması istenmekle birlikte aerodinamik kaldırmadan kaçınılır.

Profiller. En büyük aerodinamik güç oluşturmak üzere yapılan yüzeye pofil adı verilir. Bir uçakta temel profil kanattır. Profil yapımında ilk önceleri kuş kanatları kopya edildi. Hava akışı hakkında daha çok bilgi edinilince daha başarılı profiller yapıldı. İlk profiller fazlaca karışık olan akım oluşturmaktaydı. Kuramsal bilgi arttıkça ilk düz levha biçimleri profillerden daha çok kaldırma, daha az sürükleme gücü oluşturan bombeli profillerin yapımına geçildi.

Bernuli (Bernoulli) kuramı. Bombeli bir profilin üst yüzeyinden geçen hava akışının hızı, alt yüzeyden geçen akıştan daha yüksektir. Bu da üst yüzeydeki basıncın alt yüzeye oranla daha az olmasını sağlar. Yüzeyler arasındaki basınç farkıysa aşağıdan yukarı doğru bir kaldırma gücünün olmasına neden olur. Kaldırma gücüne, profilin yüzeyinin alanı, hücum açısı (karşı hava akışı ile profil ekseni arasındaki açı) görece hız ve hava yoğunluğu etki eder.

Basınç dağılımı. Bir profilin üst yüzeyindeki basınç negatif (eksi) alt yüzeyindeki basınç (artı) pozitif basınç olarak tanımlanır. Ancak profilin alt ve üst yüzeylerinde ortaya çıkan basınç değişimi her noktada aynı değildir.

Uçuş İlkeleri:

Güçler dengesi. Kararlı bir düz uçuş sırasında uçak üzerine etki eden güçlerin birbirleri ile dengede olması gerekir. Bu güçler, kaldırma, sürükleme, ağırlık ve itme gücüdür (trast). Uçuş anında uçağın güç kaynağının yaratacağı trast, aerodinamik direnç olarak adlandırılan sürüklenme ile dengelenmelidir. Kaldırma gücü de ağırlık ile dengelenmelidir.

Kararlılık. Güçler dengesinin yanı sıra uçuşun sürdürülebilmesi için uçağın kararlılığa sahip olması gerekir. Kararlılık, uçağın denge durumunun kısa bir süre için bozulmasının ardından yeniden eski uçuş durumunu alabilmesi olarak tanımlanabilir. Uçaklar birbirine dik üç eksen çevresinde hareket edebildiklerinden her üç eksen çevresinde kararlığa sahip olmaları gerekir.

Hareket eksenleri. Bir uçak yatay, dikey ve uzunluk ekseni çevresinde serbestçe uçabilir.

Yunuslama. Uçağın yatay ekseni çevresinde yaptığı harekete yunuslama adı verilir. Eğer bir pilot uçağına yunuslama hareketi yaptırmak isterse, uçağın lövyesini (yatay ve uzunluk ekseni çevresinde uçağa hareket yaptırabilen kumanda aygıtı) ileri geri hareket yaptırabilen kumanda aygıtı) ileri geri hareket ettirir. Lövye geri çekilince uçağın kuyruğunun gerisindeki yükseklik dümeni yukarı kalkar. Bu anda hava molekülleri kuyruğu aşağı doğru bastırır. Dolayısıyla, uçağın burnu yukarı doğru hareket eder ve tırmanış olayı ortaya çıkar. Lövyenin ileri itilmesi durumunda tüm olaylar bunun tersine oluşur ve dalış (ya da alçalış) olayı ortaya çıkar.

Yatış. Uçağın uzunluk ekseni çevresinde hareketine yatış adı verilir. Lövyenin sağa-sola hareket ettirilmesi ile ortaya çıkar. Örneğin lövye sağa doğru hareket ettirilirse sol kanat gerisindeki kanatçık aşağı, sağ kanat gerisindeki kanatçık da yukarı kalkar. Hava molekülleri sol kanadı yukarı kaldırırken sağ kanadı aşağı bastırır. Bu yüzden, sağa yatış olayı ortaya çıkar. Lövye sola hareket ettirilirse tüm olaylar bunun tersine oluşur ve sola yatış olayı ortaya çıkar.

Sapma. Uçağın dikey ekseni çevresinde yaptığı harekete sapma adı verilir. Direksiyonların (ayaklar ile kullanılan iki adet kumanda aygıtıdır, biri ileri hareket ettiğinde öteki tersine geri hareket eder) hareketi ile kuyruktaki dikey kumanda yüzeyi gerisindeki yön dümeninin sağa ya da sola hareket etmesi ile ortaya çıkar. Örneğin sağ direksiyon ileri itildiğinde (sol direksiyon geri gelir) yön dümeni sağa döner. Hava molekülleri uçağın kuyruğunu sola doğru iterken, uçağın burnu sağa döner. Böylece, sağa sapma olayı ortaya çıkar. Sol direksiyon ileri itildiğin-deyse (sağ direksiyon geri gelir) tüm olaylar bunun tersine oluşur ve sola sapma olayı ortaya çıkar.

Sesüstü uçuş. Ses hızında uçuşlarda, denge ve kararlılıktan başkaca yapım etkenleri de büyük önem taşır. Uçak ile hava arasında oluşan sürtünme sorunu, sürekli düzenli akış sağlanmasını zorlaştırır. Yüksek hız nedeniyle kanat alanlarını küçültmek gerekir. Bu da uçağın kanat yükünü (uçak ağırlığının kanat alanına oranı) artırır, uçağın perdövites hızını artırır. Bu nedenle düzenli akışı sağlamak için değişik yapım teknikleri uygulanması zorunluluğu ortaya çıkar. Sesgeçişi ve sesüstü hızlarda oluşan şok dalgaları da ayrıca büyük sorun yaratmaktadır. Şok dalgalarla büyük titreşimlere neden olurlar. Onun için sürükleme ansızın aşırı ölçüde artarak uçağın (sesüstü hızlarına uygun biçimde yapılmamışsa) kararlılığını bozar. Bu sorunları önlemek için kanatların geriye “ok” açılı, gövdenin şişe biçiminde yapılması gibi değişik yapım teknikleri kullanılır.

Mak (Mach) numarası. Sesüstü hızlar genellikle mak numarasıyla belirlenir. Mak numarası bir cismin hızının, bulunduğu ortamdaki ses hızına oranıdır. Örneğin, deniz düzeyinde ses hızıyla hareket eden cismin hızı 1 Mak’ tır.

Şok dalgaları. Hava içinde bir cismin hareket sırasında, cismin çevresinden dışarıya doğru basınç dalgalan yayılır. Bu dalgalar ses hızı ile hareket ederler. Eğer cisim ses hızından daha yavaş hareket ederse basınç dalgaları cismin her yerinde duyulabilir. Cisim sesüstü hızlarda hareket ederse basınç dalgaları karşı hava akışıyla karşılaşmaya başlar. Bu karşılaşma noktasından sonra, basınç dalgası daha ileriye gidemez ve yığılma olur. Basınç dalgalarının hava akışına karşı daha fazla ilerleyemedikleri bu noktaya şok dalgası adı verilir.

Rüzgar tünelleri. Çağdaş aerodinamik araştırmalar; rüzgâr tünellerinin ortaya çıkmasıyla başladı. Yeni bir model uçmada, önce, rüzgâr tünellerinde çeşitli koşullar altında denenir.