Uçaklar Nasıl Uçuyor? Tam Mekanizmasını Kimse Bilmiyor!

Bazı şeyleri "bariz" olarak görmeye çok alışığız; çünkü bir şeyin nasıl veya neden o şekilde olduğunu anladığımız konusunda kendi kendimizi kandırmayı başarabilirsek, merakımızı da dizginlemiş oluruz. Halbuki bilimin temel varsayımlarından birisi, Evren'de hiçbir şeyin bariz olmadığı yönündedir. Ve eğer uçakların uçabilmesini sağlayan şeyin jet motorları veya kanatlar olduğunu düşünüyorsanız, yanılıyorsunuz. En azından kısmen... Hele ki bilim insanlarının uçakların tam olarak nasıl uçtuğunu bildiğini düşünüyorsanız, yine yanılıyorsunuz.

Mars 2020 aracını, Mars'a gönderilmeden önce son kez kendi gözlerimizle görebilmek üzere 10 Ocak 2020'de Kaliforniya'daki NASA Jet İtim Laboratuvarı'na gittik ve Teksas'tan bir uçağa bindik. Yolculuğumuzu (ve serinin ilk videosunu) aşağıdan izleyebilirsiniz:

Uçak Uçuşunun Klasik Açıklaması: Eşit Yol Teorisi

Bir grup bilim insanının ve bilim aşığının her uçağa bindiğinde olduğu gibi, bu sefer de söz uçakların nasıl uçtuğundan açıldı; yukarıdaki videoda da bir kısmını görebilirsiniz. Makina Mühendisliği eğitiminin verdiği güç ile yine klasik o açıklamalar havada uçuştu:

Bir uçağın uçma prensibi gerçekten heyecan verici! Herkes uçağı uçuran şeyin jet motorları olduğunu zanneder; ancak jet motoru sadece geriye doğru itki sağlayabilir. Dolayısıyla uçağı yalnızca ileri doğru itebilir; havaya doğru itemez! Havaya doğru gitmesini sağlayan tek şey, kanatlardır. Kanatların da bunu başarabilmesini sağlayan şey, ilginç kanat şeklidir. Jet motoru uçağı ileri ittikçe, kanatlar üzerlerine gelen havayı ikiye yarar ve bir kısmı kanadın üzerinden, diğeri altından akar.

Ama kanadın kesidine bakacak olursanız, asimetrik bir damlacığa benzediğini görürsünüz: Üst taraf daha bombelidir; alt taraf daha düzdür. Buna "erfoil" (İng: "airfoil") denir. Bu şekilden ötürü, üst taraftan akan hava, aynı zaman diliminde aynı miktarda yolu kat edebilmek için hızlanmak zorunda kalır. Bernoulli Prensibi çerçevesinde, hızı artan bir havanın basıncı düşer. Bu da, kanadın üstündeki basıncın düşmesine neden olur. Alt taraf ise düzdür veya daha az bombelidir. Bu nedenle basınç aynı kalır (veya eşit miktarda düşmez). Bu da, kanadı yukarı doğru iter ve uçak havalanır! Yani olay motorlarda değil, kanat şeklinde!

Ne harika bir açıklama, öyle değil mi? Buna Eşit Yol (Kat Etme) Teorisi ya da İngilizce tabiriyle Equal Transit Theory deniyor. Mühendislerin çoğu bunu böyle açıklayacaktır; çünkü böyle öğrenmişlerdir. Uçak Mühendisleri gibi konu hakkında özelleşmiş mühendisler bazı nüansları öğrenmiş olabilir ve bunları size aktarabilir; fakat sıradan bir mühendis veya bilim tutkunu bir uçağın uçuşunu neredeyse kesin olarak böyle izah edecektir. Öyle ki, bazı mühendisler kendi açıklamalarının mutlak doğruluğunu yoğun bir tutkuyla savunur! Hatta yabancı sitelerde aratacak olursanız, neredeyse tüm popüler bilim sitelerinin uçağın uçma prensibini böyle anlattığını görebilirsiniz. Bazıları üstten akan havanın "yoğunluğunun azaldığı" gibi "alternatif açıklamalar" sunabilir; ama özünde hepsinin anlattığı prensip aynıdır.

Klasik Açıklamanın 3 Büyük Problemi

Ama bir sorun var. Hatta 3 sorun var. Sizin de fark etmiş olabileceğiniz gibi bu açıklama, 3 önemli noktada sorunludur:

1. Klasik açıklamada kanadın üstünden ve altından akan havanın, kanadın arka ucuna aynı anda varabilmek için farklı hızlarda hareket ettiği söyleniyor. Yani üstteki hava, "daha uzun yol kat etmek zorunda olduğu için" hızlanıyor ve bu nedenle basıncı düşüyor. İyi ama... İkiye ayrılan hava molekülleri neden aynı anda kanadın sonuna varmak zorunda olsun ki? Pekala kanadın üstündeki hava molekülleri, altındakilere göre çok daha hızlı ve önce varabilir (ve hatta tam tersi de olabilirdi)!
2. Eğer uçakların uçma prensibi buysa, akrobasi uçakları ve jet uçakları nasıl baş aşağı uçabiliyor? Bunlar bir yana, bir kargo uçağı nasıl baş aşağı uçabiliyor? Öyle ki, Boeing 747 gibi uçaklar da teorik olarak baş aşağı uçabilir. Bunu gösteren bir rüzgar tüneli deneyini buradan izleyebilirsiniz. Ama tabii ki gerçek hayatta bir yolcu uçağı bunu yapsaydı pilot konforu, hidrolik/yakıt akışı gibi konularda sorunlar yaşanabilirdi. Ama ne olursa olsun, eğer klasik açıklama doğruysa, bir uçak baş aşağı döndüğü anda yere doğru çakılmaları gerekirdi!
3. Eğer uçakların uçma prensibi buysa, kanatlarında hiçbir "bombe" olmayan kağıt uçaklar nasıl uçabiliyor? Öyle aceleyle yaptığınız ve 30 santimetre uzağa gidenlerden söz etmiyoruz. Guinness Rekorlar Kitabı'na giren 69.14 metrelik uçuş gibi kağıt uçak uçuşlarından söz ediyoruz!

Elbette sorulardan sonuncusu biraz daha retorik; çünkü kağıt uçaklar daha ziyade "süzülüyorlar" ; uçmuyorlar (aradaki farkı buradaki videomuzdan veya aşağıdan öğrenebilirsiniz). Ama arkalarına bir itici takacak olursanız, onlar da rahatlıkla uçabilirlerdi.

İkinci soru çok daha büyük bir problem yaratıyor: Çünkü jet uçakları baş aşağı uçabilmekle kalmıyorlar; aynı zamanda bu şekilde yükselişe de geçebiliyorlar! Bunu nasıl izah edeceğiz? Örneğin Seeker tarafından 29 Eylül 2017'de uçakların baş aşağı uçabilmesiyle ilgili yayınlanan bir videoda, uçakların ana uçma prensibinin kanat şekli olduğunu söyledikten sonra, baş aşağı uçabilen uçakların bunu başarabilmek için kanatlarının "simetrik" tasarlandığı ileri sürülüyor. Ama bu, ilk açıklamaları ile çelişiyor; zira eğer uçağın uçabilmesindeki ana prensip "asimetrik damlacık" tasarımı ise, simetrik damlacık tasarımına sahip uçakların en baştan havalanamaması gerekirdi!

İlk soru ise açıklamayı doğrudan can damarından vuruyor: Sahi, hava molekülleri neden kanadın sonuna aynı anda varmak zorunda olsun ki? Ayrı zamanlarda da varabilirlerdi ve bu nedenle hızlarında herhangi bir değişim olması gerekmezdi.

Kaliforniya dönüşünde çektiğimiz videoları düzenlemeye başladığımızda, uçağın uçma prensibini de videolarımızdan ilkine kısaca eklemek istedik; ancak "klasik açıklamanın" ne kadar problemli olduğunu fark ettik. O nedenle iki alternatiften söz edip, atladık. Ancak tesadüfen 1 Şubat 2020'de Scientific American'da yayınlanan bu makale, bizi de konuyu daha derinlemesine ele almaya teşvik etti.

Madem Yer Çekimi Var, Bu Uçaklar Nasıl Uçuyor?

Bu ara başlık, tabii ki evrimi anlamayanlardan sıklıkla gelen şu meşhur soruya esprili bir göndermeden ibaret. Ama espri, gerçek bir soruna işaret ediyor: Uçakların tam olarak nasıl uçtuğundan emin değiliz!

Bu noktada şunu söylemek gerekiyor: Mühendisler, bir uçağın uçuşuna yönelik sahip oldukları teoriler ve matematiksel formüller çerçevesinde hangi özelliklere (kütle, aerodinamik tasarım, vb.) sahip uçakların havalanabileceğini çok net bir şekilde biliyorlar. Uçaklar, sahip olduğumuz en güvenli ulaşım araçlarından birisi; bunu burada detaylıca anlatmıştık.

Sorun uçak güvenliği veya uçak mühendisliği değil. Sorun şu: Elimizdeki formüller doğada gördüğümüze uyuyor olsa da, mekanizmayı açıklamak konusunda yetersiz kalıyor. Yani teorilerimizi takip ettiğimiz müddetçe uçakları, helikopterleri ve roketleri rahatlıkla uçurabiliyoruz; ancak teorilerimizin detaylarına yönelik hakimiyetimiz, uçağı uçuran ana faktörün tam olarak ne olduğunu izah etmeye yetmiyor.

Eldeki teorilerimiz çerçevesinde, bir uçağın üzerinde 4 ayrı yönde 4 ana kuvvet olduğunu biliyoruz:

1. Ağırlık (İng: "Weight"): Uçağın kütlesi ve Dünya'nın kütleçekiminden ötürü aşağı doğru uygulanan kuvvettir.
2. İtki/İtim (İng: "Thrust"): Jet motorlarının geriye doğru "fırlattığı" hava moleküllerinden ötürü, uçak üzerine ileri doğru etkiyen kuvvettir.
3. Sürükleme (İng: "Drag"): Uçağın ilerlediği yöne dik olan kesit alanına çarpan hava moleküllerinin sürtünmesinden ötürü oluşan, uçağı yavaşlatan (geriye doğru etkiyen) kuvvettir.
4. Taşıma (İng: "Lift"): Uçağın yukarı doğru hareketini sağlayan kuvvettir. Ama... Neden? Bu kuvvet nereden gelmektedir?

Bu kuvvetlerden itki, sürüklemeyi yeniyor ve uçak ileri doğru gidebiliyor. Taşıma ise ağırlığı yeniyor ve uçak havalanabiliyor. Bunun özünde hiçbir sıkıntı yok. Ama 4. kuvvetteki "Neden?" sorusu milyon dolarlık soru. İlk üçündeki mekanizmaları çok (daha) net bir şekilde biliyoruz ve nedenlerini izah edebiliyoruz. Ama dördüncüsü sorudaki "Neden?" sorusuna kesin bir yanıt henüz verilemiyor. Ama 2 olası açıklama var.

İlki, yukarıdaki klasik açıklama. Bu açıklamanın sorunlarından zaten bahsettik. O açıklamayı savunanların, eleştirilere verdikleri bazı yaygın yanıtlar var: Örneğin kağıt uçakların gerçekte uçmadığını ve süzüldüğünü söylüyorlar. Veya baş aşağı uçan uçakların sadece geçici bir süre öyle uçabileceğini, bu sırada da uçmadıklarını, halihazırda sahip oldukları hız ve hücum açısı (İng: "angle of attack"), yani kanadın, kanat üzerine düşen hava molekülleri ile yaptığı açısı gibi kavramlardan faydalanarak bir süre süzüldüğünü söylüyorlar. Yani pratik uygulamalara yönelik yanıtları var. Ancak moleküllerin neden aynı anda kanadın arkasına varması gerektiğine yönelik izahları pek tatmin edici değil. Cambridge Üniversitesi'nden Holger Babinsky şöyle diyor:

Taşıma kuvvetinin popüler açıklaması yaygın, çabuk ve ilk etapta kulağa mantıklı gelen bir açıklamadır. Aslında doğru cevabı da verir; ama aynı zamanda hatalı bir algıya da sebep olur. Hiçbir mantığı olmayan fiziksel bir argümana sahiptir ve hatalı bir şekilde Bernoulli Denklemi'ni kullanır.

Bu noktada, merak edenler için Bernoulli Denklemi, 1738 yılında Daniel Bernoulli'nin Hydrodynamica isimli eserinde ilan ettiği, modern formunu ise büyük matematikçi Leonhard Euler'in verdiği şu denklemdir:

$P_1+\frac{1}{2}\rho {v_1}^2+\rho g{h}_1=P_2+\frac{1}{2}\rho {v_2}^2+\rho g{h}_2$

Burada $P$ basınç (enerjisi), $\rho$ özkütle, $v$ hız, $h$ yükseklik, $g$ ise kütleçekim ivmesidir. Bu çerçevede denklemin söylediği birim hacim başına düşen enerjinin (ki bu enerji basınç, kinetik enerji ve potansiyel enerjilerin toplamıdır) sabit olduğudur. Ancak bu denklemin bazı kısıtlamaları vardır. Örneğin denklem bu haliyle sadece sıkıştırılamayan akışkan davranışı için geçerlidir. Birçok sıvı ve gaz, düşük Mach hızlarında bu şekilde davranır. Ayrıca denklemin daha ileri formları da geliştirilmiştir ve yüksek Mach hızlarındaki sıkıştırılabilir akışkan davranışı için de genellenmiştir.

Fakat Dr. Babinsky'nin de dediği gibi, bir uçağın uçuşunda bu denklem devreye girmiyor olabilir. Ama onun da "doğru cevabı veriyor" diyerek kastettiği gibi, nihayetinde olayın basınç farkları ve bunlardan doğan kuvvetler ile ilgili olmasıdır. Bunu anlamak için, diğer olası açıklamaya bakalım.

İkinci Olasılık: Aşağı Akım Teorisi

Havada öylece duran moleküllerin, ileri doğru giden bir uçağın kanadı üzerinden normalde hareket etme eğilimi doğrusal olacaktır. Yani kanat dümdüz olsaydı, moleküller de pek yukarı veya aşağı doğru hareket etmeksizin akıvereceklerdi. Ancak kanat şekli, üstten akan molekülleri daha geniş bir hacme sahip olmaya zorlar; çünkü onları yukarı doğru iterek kapladıkları hacmi genişletir. Bu nedenle bu havanın basıncı düşer. Basıncı düşen havanın hızı artar. Yani klasik teorideki "hız farkı basıncı değiştirir" açıklamasının tam tersine odaklanılır: Hız farkını doğuran, zaten ilk etapta oluşan basınç farkıdır. Klasik teorinin önerdiği gibi, moleküllerin önce hızı değişmeye zorlanıp da sonra basınçları değişmez.

Kanadın altından akan hava ise daha küçük bir hacme zorlanır; çünkü kanat, altında kalan hava üzerinde uçmaktadır ve adeta altta kalan havayı sıkıştırarak daha küçük hacme zorlamaktadır. Bu nedenle de bu havanın basıncı yükselir. Basıncı yükselen havanın hızı düşer. Aradaki bu basınç farkı, kanat üzerinde yukarı doğru bir kuvvet yaratır. Bu kuvvete taşıma kuvveti (İng: "lift force") diyoruz.

Açıkçası klasik teorinin zaten yanlış olduğunu biliyoruz: Çünkü rüzgar tüneli deneylerinin bariz bir şekilde gösterdiği üzere, kanadın üstünden ve altından akan moleküller, kanadın sonuna aynı anda varmaz; üst taraftan akan moleküller çok daha hızlı ve önce varırlar. Bunu aşağıdaki videodan görebilirsiniz:

Gerçekten de bu ikinci teori, rüzgar tünellerinde test edilen kanatların üzerinden ve altından akan havanın davranışını izah edebilmektedir. NASA'nın simülasyonlarında da bunu görmek mümkündür. Simülasyonlarda görülen kanat üstü molekül hızı, Eşit Yol Teorisi'nin öngördüğünden çok daha fazladır.

Aşağı Akım Teorisi'nin sınanabilir ve ilginç bir sonucu vardır: Kanadın bu hareketi, aşağı doğru bir hava akımı yaratmalıdır. Tıpkı helikopter kanadı altında duracak olursanız, üzerinize doğru akan müthiş bir hava hissetmeniz gibi... Ancak uçaklarda bu çok daha az hissedilir olmalıdır; çünkü kanat bir merkez etrafında dakikada 450-3000 defa dönmez. Ama yine de aşağı doğru bir akım olmalıdır; çünkü helikopter bıçağı ile uçak kanadı aynı şekle sahiptir. Yapılan incelemelerin gösterdiğine göre, gerçekten de uçak kanatları aşağı doğru bir hava akımı yaratmaktadır!

Bu teorinin bir diğer önemli açısı ise, Newton Fiziği açısından da daha makul olmasıdır. Newton'un 3. Yasası'na göre her etkinin (etki kuvvetinin) eşit ve zıt yönlü bir tepkisi (tepki kuvveti) olmalıdır. Dolayısıyla, eğer ki bir uçağın üzerinde bir taşıma kuvveti varsa, buna eşit ve zıt yönlü bir tepki kuvveti de olmalıdır. İşte aşağı doğru olan akım, bu tepki kuvvetinden kaynaklanır. Bu, uçağın kanat şeklinden bağımsızdır! Hava, kanadın altından aktıkça uçağı yukarı doğru iter ve aynı zamanda geriye doğru da sürtünme kuvveti yaratır.

Burada fark edilmesi gereken önemli bir nokta, uçak kanatlarının uçuş sırasında hareket yönüne tam paralel olmadığıdır. Yukarıdaki rüzgar tüneli videosundan da görebileceğiniz gibi, uçak kanatları yatay uçuş sırasında bile hava içerisinde belli bir açıyla uçar. Buna, yukarıda da değindiğimiz gibi hücum açısı denir. Bu açı nedeniyle hem kanadın üzerinden akan hava hem de kanadın altından akan hava aşağı doğru hareket etmeye zorlanır. Ancak kanadın üzerinden akan hava daha fazla aşağı doğru harekete zorlandığı için, tepki kuvveti de bir o kadar büyük olur ve taşıma kuvveti yaratılmış olur.

Kavga Bitmiş Değil!

Günümüzde uçaklar, Navier-Stokes Denklemleri isimli çok daha kapsamlı bir teori çerçevesinde inşa ediliyor; ancak bu teori de tek başına taşıma kuvvetini yaratan faktörün ne olduğunu izah edemiyor. Çünkü modern teknoloji sayesinde elde ettiğimiz Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonları, kanat etrafındaki basınç bölgelerinin çok daha karmaşık olduğunu gösteriyor. 2012 yılında Aerodinamiği Anlamak: Gerçek Fizikten Argümanlar isimli bir kitabın yazarı olan, onlarca yılını Boeing'de CFD uzmanı olarak geçiren Doug McLean şöyle diyor:

Kanadın damlacık tasarımı, basınç alanı adı verilen çok daha geniş bir bölgeyi etkiliyor. Taşıma kuvveti yaratıldığında, kanadın üzerinde her zaman yoğun bir düşük basınç alanı oluşuyor. Altında ise yoğun bir yüksek basınç alanı oluşuyor. Bu basınç alanlarının (ya da basınç bulutlarının) kanada temas ettiği noktalar, kanat üzerinde taşıma kuvvetini gördüğümüz noktalar oluyor. Bu durumda, taşıma kuvvetini yaratmak için 4 faktör gerekiyor: Hava akışının aşağı dönmesi gerekiyor, hava akışının hızlanması gerekiyor, düşük bir basınç alanı gerekiyor ve yüksek bir basınç alanı gerekiyor.

Bu dört faktör birbiriyle farklı şekillerde etkileşiyor ve karşılıklı bir neden-sonuç ilişkisine sahipler. Hiçbiri, diğerleri olmadan var olamıyor. Basınç farkları kanat üzerindeki taşıma kuvvetine neden oluyor ama diğer iki faktör de bu iki basınç alanının sürekliliğini sağlıyor. Bu dört kuvvet arasında bir döngüsellik olması gerekiyor. Bu dört faktör sanki bir arada yaratılıyor ve birbirlerini sürdürüyorlar. Ben buna döngüsel nedensellik diyorum.

Bu ilk etapta kulağa imkansız gibi gelse de, Newton'un İkinci Yasası bunu mümkün kılabilir. Hepimizin $F=ma$ şeklinde ezberlediği bu yasa, bir cismin üzerine etki eden kuvvetin, ivmesiyle orantılı olduğunu söylüyor. Bu yasa çerçevesinde, basıncın bir akışkan üzerine kuvvet uyguladığında, aynı zamanda hız ve yönde (veya her ikisinde birden) değişiklik yaratması gerektiğini biliyoruz. Ancak döngüsel bir şekilde, bu basınç farkı da aynı zamanda akışkanın ivmesinden etkileniyor. Yani uçak kanadı hareket halinde değilken, bu dört faktörün hiçbiri yaratılmıyor, çünkü birbirlerini destekleyemiyorlar. Ama kanat hava içinde ilerlerken, her bir faktör birbirini etkilemeye başlıyor ve hepsi bir arada var oluyor.

Experiments In Fluids

Aşağı Akış Teorisinin Potansiyel Problemleri

Yukarıdaki açıklamalar silsilesinde dikkatinizi çeken bir problem olabilir: Klasik teoriyi reddetme nedenimiz, kanadın iki tarafından akan havanın aynı anda kanadın sonuna varması gerektiğini varsaymasıydı. Ancak ikinci teori de benzer bir varsayımda bulunuyor: Kanadın üzerinden akan hava, kanadın eğik şeklinden dolayı aşağı doğru harekete zorlanmaktadır. İyi ama, hava molekülleri neden uçak kanadının şeklini takip etmek zorunda olsun ki? Neden yukarı doğru itildikleri yönde fırlayıp gitmiyorlar?

Bu sorunun net bir cevabı henüz bulunmuyor. Ancak MIT'den Mark Drela'ya göre bunun nedeni vakum kavramı ile ilişkili. Eğer hava molekülleri, fırlatıldıkları yönde (kanat ile tanjant/teğet yapacak şekilde) uçup gitselerdi, altlarında bir vakum oluşurdu. Bu vakum, etraftaki molekülleri hızla üzerine çekerdi ve moleküller tekrardan bu vakumu doldurmuş olurdu. Dolayısıyla kanadın şeklinden ötürü itelenen moleküller, yarattıkları vakumu anında doldurarak kanat şeklini takip etmektedir. Ama bu açıklama herkesi ikna etmiş değil. Babinsky şöyle diyor:

Sevgili meslektaşım Mark Drela ile zıt düşmekten nefret ediyorum; ancak vakum gerçekten bir açıklama olsaydı, bazı durumlarda cisimler üzerinden akan havanın, cisim yüzeylerinden gerçekten de ayrıldığını gördüğümüz gerçeğini izah edemezdik. Bence tüm yaklaşımı doğru ama o kısım hatalı. Sorun şu: Uçakların uçabilme nedeninin basit ve hızlı bir açıklaması yok.

Uzun lafın kısası, biri size "Bir uçak nasıl uçar?" diye soracak olursa, tek bir cümleyle tüm mekanizmayı izah edebilmeyi beklemeyin. Uzmanlar bile bunu yapamıyorlar! En güvenli cevap şu olur: "Kanadın iki yüzünde basınç farkı oluşuyor; ancak bu farkı yaratan mekanizmanın basit bir izahı yok."

Ya da basitçe:

Reddit