UÇAK BİLGİSİ VE UÇUŞ İLKELERİ

İlk uçan makine çizimlerinden biri 1500’lü yıllarda Leonardo da Vinci tarafından kuşların uçuşu ile ilgili yazılan el yazmaları içerisinde yer almaktadır. Bu makine insan gücünü kullanarak kanat çırpma esasına dayanan bir makinedir. Ancak bu tip makinelerle yapılan uçuş denemeleri ne yazık ki başarısızlıkla sonuçlanmıştır. Çünkü bu makinenin temeli, kuşların uçmalarını sağlayan fizyolojik yeteneklerin insanlar tarafından yerine getirilmesine dayanmaktadır. 1650 ve 1900 yılları arasında, ikinci bir deneme yapılmıştır. Bu sefer uçmak için daha az karmaşık ama daha verimli yeni nesil uçan makineler olan hafif gemiler - yani balonlar - kullanılmıştır. Bir hava aracı olarak balonlar, temelde içine sıcak hava ya da havadan hafif olan hidrojen, helyum gibi gazların doldurulduğu kapalı bir ortamın altına, yük taşımaya yarayan bir sepetin bağlanması ile oluşturulmaktadırlar.
Balon ile gerçekleştirilen ilk başarılı deneme Fransa’da, 1783 yılında Montgolfier Kardeşler tarafından yapılmıştır. Balonlar uçmayı başarmışlardır ancak üzerlerinde herhangi bir kontrol yüzeyi olmadığı için istenilen doğrultuda hareket ettirilmeleri zordur. Havalandıktan sonra rüzgârın yönüne bağlı olarak yön değiştirirler. Yönlendirme problemi, havanın direncini azaltmak için uzamış balon şeklinde tasarlanan gemilere güç teçhizatlarının ve dümenlerin takılması ile aşılmıştır. Böylelikle bir anlamda kontrol edilebilen balonlar elde edilmiştir. Bu konudaki en başarılı girişimlerden biri, Kont Ferdinand von Zeppelin tarafından yapılmıştır. 1930’ların başında Alman “Graf Zeppelin” hava gemisi, Atlantik’i
geçerek Amerika Birleşik Devletleri’ne ulaşmıştır. Bu başarılı girişim sonrasında benzer şekilde tasarlanan hava gemileri genel adıyla Zeplin olarak isimlendirilmiştir. Günümüz uçaklarının ilk adımları ise 1900’lü yılların başında iki Amerikalı kardeş olan Orville ve Wilbur Wright tarafından yapılan planör deneyleri ile atılmıştır. Wright Kardeşler, başarısızlıkla sonuçlanan birçok denemenin ardından 17 Aralık 1903’te Flyer adını verdikleri havadan ağır ve güç grubu bulunduran araçlarıyla gerçek anlamda uçmayı başarmışlardır.

Uçma kavramını, aerostatik ve aerodinamik tutunmayı, uçaklar üzerinde oluşan kuvvetleri, bu kuvvetlerin oluşma şartlarını, bu kuvvetlerin uçak davranışlarına olan etkisini ve uçma ile ilgili diğer kavramları daha iyi anlayabilmek için bazı temel fizik tanımlarının ve prensiplerinin hatırlanmasında fayda vardır. Cisimlerin, üzerlerine etki eden yükler altındaki dengesini inceleyen fizik dalı statik olarak adlandırılır. Dinamik ise cisimlerin hareketini ve bu hareketi meydana getiren kuvvetleri inceleyen fizik dalıdır. Bu durumda aerostatik ve aerodinamik, sırası ile hava
içerisinde hareket eden bir cismin (hava aracının) denge ve hareket durumlarını incelemektedir. Fizikte kullanılan büyüklükler genel özellikleri bakımından skaler büyüklükler ve vektörel büyüklükler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Skaler büyüklükler, sayısal değeri ve birimi verildiğinde tamamen belirli olan büyüklüklerdir. Kütle, hacim, yoğunluk ve
sıcaklık skaler büyüklüklere verilebilecek örneklerdir. Vektörel büyüklükler ise etki (uygulama) noktası, doğrultusu, yönü ve şiddeti ile tanımlanan büyüklüklerdir. Kuvvet, hız, ivme ve moment vektörel büyüklüklere örnek olarak gösterilebilir.

Moment büyüklüğünü arttırmak için kuvvetin ve/veya moment kolunun büyüklüğü arttırılmalıdır.
Moment vektörü, kuvvet ile moment merkezinin belirlediği düzleme, moment merkezinde dik olan bir doğrudur. Moment vektörünün yönü sağ el kuralı ile şu şekilde bulunur:
1. Öncelikle dört parmak bitişik, başparmak bunlara dik duracak şekilde sağ el açılır.
2. Daha sonra, avuç içi moment merkezine bakacak ve dört parmak kuvvet yönünde olacak şekilde sağ el kuvvet vektörünün üzerine koyulur.
3. Bu durumda başparmak moment vektörünün yönünü, kıvrılan dört parmak ise dönüş yönünü gösterir

Akma yeteneğine sahip, belirli bir şekilleri olmayan, içine kondukları kabın şeklini alabilen, üzerlerine bir kuvvet uygulandığında bu kuvveti her yöne ileterek basınca yol açan, bu kuvvet sonucunda katı bir cisim gibi kalıcı deformasyona uğramayan, viskozite özelliği bulunan maddeler akışkan olarak isimlendirilir.
Hareket hâlindeki bir akışkanın her noktasındaki hız vektörünü teğet kabul eden hayalî eğri akım çizgisi; iki akım çizgisi arasında kalan bölge ise akım borusu olarak adlandırılır.
Bernouilli Prensibine göre, bir akım borusu içindeki sürekli bir akışta, akım çizgisi boyunca birim akışkan kütlesinin toplam basıncı sabittir

Dünyanın farklı yerlerinde, farklı atmosfer şartlarında yapılan uçak performanslarının karşılaştırılabilmesi için bir referansa ihtiyaç duyulmuştur. Bu kapsamda Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (International Civil Aviation Organization, ICAO) tarafından Uluslararası Standart Atmosfer (International Standard Atmosphere, ISA) adı verilen bir referans tanımlaması yapılmıştır. Bu tanımlamada, dünya yüzeyinden yukarı doğru belirli aralıklarla seçilen yükseklik (irtifa) değerleri için basınç, sıcaklık, yoğunluk, ses hızı vb. özellikler tablolar halinde sunulmaktadır. ICAO tarafından tanımlanan ISA referans sistemine göre deniz seviyesi şartları şu şekildedir:
• Sıcaklık: 288 °K = 15 °C = 59 °F
• Basınç: 1 Atm = 760 mmHg = 1013,25 hPa
• Yoğunluk: 1,225 kg/m3
• Ses Hızı: 340 m/s

Balon ve zeplin gibi hava araçlarının uçma eylemi kapsamında ele alınan aerostatik tutunma, esasen sıvılar için tanımlanan Arşimet Kaldırma Kanunu’nun hava için uyarlanması ile ifade edilir. Buna göre aerostatik tutunmada, hava içerisindeki bir cisim, işgal ettiği hacim kadar havanın ağırlığına eşit bir kuvvet ile aşağıdan yukarıya doğru itilir. Bu kuvvet havanın kaldırma kuvveti (FK ) olarak isimlendirilir.

Havada uçmak eylemini gerçekleştiren bir uçak üzerine, aerodinamik kuvvetler olarak taşıma kuvveti (L) ve sürükleme kuvveti (D), kütlesel kuvvet olarak ağırlık kuvveti (W) ve güç grubu kuvveti olarak da tepki (itki) kuvveti (T) etki eder.

Şekilsel olarak profilin ön-küt kısmının en ucu geometrik hücum kenarı; arka-sivri kısmının en ucu ise geometrik firar kenarı olarak isimlendirilir. Profilin geometrik hücum kenarı ile geometrik firar kenarını birleştiren doğru ise geometrik veter (doğrusu) olarak tanımlanır. Veter uzunluğu, AB arasındaki mesafedir ve genellikle “c” ile gösterilir. Hava akımına maruz kalan bir profilde, hava zerreciklerinin profile ilk temas ettiği nokta aerodinamik hücum kenarı; hava zerreciklerinin profili en son terk ettiği nokta ise aerodinamik firar kenarı olarak adlandırılır. Profilin aerodinamik hücum kenarı ile aerodinamik firar kenarını birleştiren doğru ise  erodinamik veter (doğrusu) şeklinde tanımlanmaktadır. Geometrik hücum kenarı, geometrik firar kenarı ve geometrik veter doğrusu sabittir. Aerodinamik hücum kenarı, aerodinamik firar kenarı ve aerodinamik veter doğrusu ise pozisyona göre değişmektedir. Ancak pratikte bu değişim çok az olduğu için aerodinamik ve geometrik hücum ve firar kenarları ile
veter doğruları birbirleri ile çakışık kabul edilir.

Profiller farklı özellikleri dikkate alınarak farklı şekillerde gruplanabilirler:
1. Dışbükey profil / İçbükey profil / Düzlem profil
2. Simetrik profil/ Asimetrik profil
3. Sübsonik profil / Transonik profil / Süpersonik profil
Birinci ve ikinci grupta yer alan profil şekilleri Tablo 1.4’te gösterilmektedir.
Profiller, alt ve üst yüzeyleri, veter doğrusu boyunca, veterin tamamen farklı taraflarında kalıyorsa dışbükey (konveks) profil; veterin kısmen ya da tamamen aynı tarafında kalıyorsa içbükey (konkav) profil olarak isimlendirilirler. Profilin bir yüzeyinin veter doğrusu ile çakışık şekilde düz, diğer yüzeyinin ise eğri bir şekle sahip olduğu profiller de düzlem profil olarak isimlendirilmektedir. Eğrilik hattı ile veter doğrusunun çakışık olduğu ve veter boyunca incelenen tüm noktalar için profilin alt ve üst yüzeylerinin vetere olan uzaklığının birbirine eşit olduğu profiller simetrik profil olarak tanımlanırlar. Veter boyunca incelenen herhangi bir noktada, profilin alt ve üst yüzeylerinin vetere olan uzaklığının birbirinden farklı olduğu profiller ise asimetrik profil olarak adlandırılırlar. Uçaktan beklenecek hız  performansına göre tasarlanabilen sübsonik profil, transonik profil ve süpersonik profil tipleri de bulunmaktadır

Sürükleme kuvveti, bağıl rüzgâr hızına paralel doğrultuda ve hareket yönüne zıt yönde oluşan aerodinamik bir kuvvettir. Toplam sürükleme kuvveti, indüklenmiş sürükleme, parazit sürükleme ve dalga sürüklemesi bileşenlerinden oluşur. İndüklenmiş sürükleme, kanat üzerindeki taşıma kuvvetinin etkisiyle oluşan sürüklemedir.  Parazit sürükleme, yüzeyle hava arasındaki sürtünmeden oluşan yüzey sürtünme sürüklemesi, basınç dağılımı sebebi ile oluşan biçim sürüklemesi ve aerodinamik etkileşim
sebebiyle oluşan girişim (aratesir) sürüklemesinden oluşur. Dalga sürüklemesi ise ses hızına ulaşan uçak üzerinde meydana gelen şok dalgalarının etkileri sebebiyle oluşan sürüklemedir.

Cisimlerin, üzerilerine etki eden yükler altındaki dengesini inceleyen fizik dalı statik olarak adlandırılır. Dinamik ise cisimlerin hareketini ve bu hareketi meydana getiren kuvvetleri inceleyen fizik dalıdır.

Moment Kolu (Kuvvet Kolu): Kuvvetin uygulandığı nokta ile moment merkezi arasındaki dik uzaklık olarak tanımlanır.

Sivil havacılıkta kullanılmakta olan uçaklarla gerçekleştirilen uçuşların büyük çoğunluğu troposfer tabakasında ve stratosfer tabakasının ilk katmanlarında yapılmaktadır.

Uçağın sabit irtifada ve sabit hızda seyredebilmesi için taşıma ile ağırlık kuvvetleri arasında ve sürükleme ile itki kuvvetleri arasında denge sağlanmalıdır. Kuvvetler arası ilişkilere göre L > W ise uçak irtifa kazanır.

Hücum açısı, bir profilde bağıl rüzgâr doğrultusu ile (aerodinamik) veter doğrusu arasındaki açı olarak tanımlanır.

Dalga sürüklemesi ses hızına ulaşan uçak üzerinde meydana gelen şok dalgalarının etkileri sebebiyle oluşan sürüklemedir.

Stall hızını doğrudan etkileyen faktörler şunlardır:

• Ağırlık

• Yoğunluk

• Kanat alanı

• Maksimum taşıma katsayısı

• Yük katsayısı

Kanat açıklığı artarsa kanat açıklık oranı artar. Kanat açıklık oranı artarsa indükleniş sürükleme katsayısı formülünde yer alan k değeri azalır. k değeri azalırsa indüklenmiş sürükleme azalır. Sonuç olarak kanat açıklığı artarsa indüklenmiş sürükleme azalır.

Newton Kanunları

I. Kanun (Eylemsizlik Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır olduğunda cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareket ettiği doğru boyunca hızını değiştirmeden hareketine devam eder.

II. Kanun (İvmelenme Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır değil ise cisim mutlaka ivmeli hareket eder. İvmenin büyüklüğü, uygulanan bileşke kuvvetin büyüklüğü ile doğru orantılıdır. İvmenin yönü ise bileşke kuvvetin yönündedir.

III. Kanun (Etki – Tepki Kanunu): Herhangi bir cisim ikinci bir cisme bir etki kuvveti uygularsa ikinci cisim de birinci cisme, etki kuvveti ile aynı doğrultuda, zıt yönde ve eşit şiddette bir tepki kuvveti uygular.

Bir cismin, belirli bir yükseklikte (irtifada) konumunu koruması tutunma; herhangi bir referans noktasına göre pozisyonunun ve/veya konumunun değişmesi de hareket olarak tanımlanır.