Uçak Neden Havada Kalır? Dört Kuvvetle Tanışın

Bu yazıyla Adım Adım Havacılık serisine başlıyoruz. İki günde bir, uçuşun temellerini bir adım ileri taşıyacağız. İlk adım, bütün konuların temeli: Havadaki bir uçağa etki eden dört kuvvet.

Bir yolcu uçağı da, bahçede uçurduğunuz bir model uçak da aynı fizik kurallarına uyar. Havada sabit hızla, aynı yükseklikte ve düz bir çizgide uçan her uçağa dört temel kuvvet etki eder: kaldırma, ağırlık, itki ve sürükleme.

1. Ağırlık: Yer çekiminin payı

Ağırlık, Dünya’nın uçağı kendine doğru çekmesidir ve her zaman aşağıya, Dünya’nın merkezine doğru yönelir. Gövde, kanatlar, motor, yakıt ya da batarya ve taşınan yük; hepsi toplam ağırlığa katılır.

Hesaplarda ağırlığın, ağırlık merkezi denen tek bir noktadan etkidiği kabul edilir. Bu noktanın yeri uçağın dengesi için çok önemlidir; ona ayrı bir adım ayıracağız.

2. Kaldırma: Ağırlığa karşı koyan kuvvet

Kaldırma, uçağı havada tutan aerodinamik kuvvettir ve büyük ölçüde kanatlar tarafından üretilir. Yönü uçuş doğrultusuna diktir; düz uçuşta yukarıyı gösterir.

Kaldırmanın iki şartı vardır: hava ve hareket. Kanat havayla temas etmeli ve hava ile kanat arasında bağıl bir hız olmalıdır. Havası olmayan bir ortamda kanat işe yaramaz; kanadın üzerinden hava akmıyorsa da kaldırma oluşmaz. (Yerde duran bir model bile kuvvetli rüzgârda kaldırma üretebilir; bu yüzden rüzgârlı havada modeller yerde sabitlenir.)

3. Sürükleme: Havanın direnci

Sürükleme, havanın harekete gösterdiği dirençtir ve uçuş yönünün tam tersine etki eder. Uçağın şekline, havanın yoğunluğuna ve hıza bağlıdır. Hız arttıkça sürükleme hızla büyür; uçağın şekli ve hücum açısı aynı kaldığında hızı iki katına çıkarmak sürüklemeyi kabaca dört katına çıkarır. (Kaldırmanın yan ürünü olan “indüklenmiş sürükleme” ise hız arttıkça azalır; bunu ileride göreceğiz.)

Elinizi hareket eden bir bisikletten yana açtığınızda hissettiğiniz kuvvet de bir tür sürüklemedir.

4. İtki: Sürüklemeyi yenen kuvvet

İtki, motorun ürettiği ve uçağı ileri iten kuvvettir. Pervaneli uçaklarda pervane havayı geriye doğru hızlandırır; jet motorlarında ise sıcak gazlar motordan yüksek hızla dışarı atılır. Her iki durumda da hava ya da gaz bir yöne itilirken uçak ters yöne itilir.

Kuvvetler dengede olunca ne olur?

Burada Newton’un birinci yasası devreye girer: Bir cisme etki eden kuvvetler dengedeyse, cisim ya durur ya da sabit hızla aynı doğrultuda hareketine devam eder.

Yani kaldırma ağırlığa, itki de sürüklemeye eşitse uçak durmaz; aynı hızda ve aynı yükseklikte uçmaya devam eder. Buna düz ve dengeli uçuş denir.

Kuvvetlerden biri diğerinden büyük olduğunda ise uçak büyük kuvvetin yönünde ivmelenir:

• İtki sürüklemeden büyükse uçak hızlanır.
• Sürükleme itkiden büyükse uçak yavaşlar.
• Kaldırma ağırlıktan büyükse uçak yukarı doğru ivmelenir ve tırmanmaya başlar.
• Ağırlık kaldırmadan büyükse uçak alçalmaya başlar.

Model uçakçı için ne anlama geliyor?

• Her gram önemlidir. Modeliniz ağırlaştıkça kanatların daha fazla kaldırma üretmesi gerekir. Bu da daha yüksek uçuş hızı ve daha yüksek stall (perdövites) hızı demektir.
• Motor ve pervane, sürüklemeyi rahatça yenebilmeli. Güçsüz bir motorla uçak kalkış hızına ulaşamaz ya da tırmanamaz.
• Ağırlığın nerede olduğu da önemlidir. Bataryanın birkaç santimetre ileri ya da geri kayması uçağın davranışını değiştirir.

Kendin dene

Aşağıdaki araçta dört kuvveti kendiniz ayarlayın. Kaldırmayı ağırlığa, itkiyi sürüklemeye eşitlediğinizde uçağın neden durmadığını, sabit hızla uçmaya devam ettiğini görün.

Bir sonraki adım

Kaldırmanın uçağı havada tuttuğunu söyledik; peki kanat bu kuvveti nasıl üretiyor? İnternette ve bazı ders kitaplarında hâlâ dolaşan yaygın bir açıklama aslında yanlış. Bir sonraki adımda bu yanlışı ve doğru açıklamayı birlikte inceleyeceğiz.