Etiket arşivi: Bernoulli İlkesi

Salma Tasarımı

Ne tasarımı olursa olsun, o tasarıma neden ihtiyaç duyduğumuzu irdelemek ve bu ihtiyaçlarımızın tasarım tarafından nasıl karşılandığını anlayabilmek günlük kullanımımızı daha verimli ve anlamlı kılacaktır. Bu makale de temel olarak salmanın bir yelkenli tekne için ne ifade ettiği üzerine kurulmuştur. Sade görünüşünün aksine karmaşık bir yapıyla elzem görevler üstlenen salmayı incelemek yelkencilikle uğraşan kişiler için önem taşımaktadır. Zira yelkende üretilen güçten faydalanabilmek çoğu koşulda salma sayesindedir. Aynı zamanda ¨İdeal tek bir salma tasarımı olabilir mi?¨ gibi önemli bir sorunun cevabını verecek teknik bilgiyi edinmenin yelkencilere denizde değişik bir bakış açısı kazandıracağı inancındayım. Öte yandan amacım okuyuculara salma tasarımı konusunda ayrıntılı teknik ve pratik bilgi kazandırmak değil, okuyucuların salma ve tasarımı hakkında akışkanlar mekaniği açısından belli başlı fikirleri tanımasını sağlamaktır.

Salmanın Çalışma Şekli

Yelkenli bir tekne gövdesi su yüzeyinde, kanatları ise dikey düzlemde ilerleyen farazi bir uçağa benzetilebilir. Gerçek bir yelkenli teknenin de bu farazi uçak gibi iki “kanadı” vardır: Salması ve yelkeni. Böyle bir benzetmenin yapılması uçakta kanatların, yelkenli teknede ise salmanın ve yelkenin temelde aynı fizik kuralına bağlı olarak çalışmasından dolayıdır. Bu ortaklığı yaratan fiziksel ilke Bernoulli İlkesi’dir. Bernoulli İlkesi basitleştirilmiş haliyle şu kuralı ortaya koyar: Akmaya direnç göstermeyen bir akışkan kümesinin hızı arttıkça yarattığı basınç düşer. Su ve hava akmaya karşa az da olsa direnç gösteren akışkanlardır fakat gündelik yaşamımızdaki çoğu uygulamada su ve hava akmaya direnç göstermeyen akışkanlar olarak kabul edilebilir. Yapılan bu varsayım bu akışkanların akış davranışlarını Bernoulli İlkesi ile incelemeyi mümkün hale getirir. Bu sayede ise salma ve yelken etrafındaki akışı gerçekte olduğundan daha basit ama gerçeğine çok yakın bir şekilde biçimlendirebiliriz.

Şekil 1’de bir uçak kanatı etrafında akan havanın kanat üzerinde yarattığı değişik büyüklükteki basınç bölgelerini görmekteyiz. Kanadın burnuna ulaşan hava molekülleri burada kanadın iki tarafından akmaya zorlanır. Kanadın üst tarafından akan moleküller kanadın şeklinden ötürü daha uzun bir yol katetmek zorunda kalırlar. Bunu sağlamak için kanadın üst tarafı dışbükey, alt tarafı ise düz olarak tasarlanmıştır. Bir varsayım yapalım: Burunda ayrılan ve üst uzun taraftan akan hava eğer alt kısa taraftan akan havayla eş hızda aksaydı kuyruğun üstünde havasız bir bölge, yani boşluk (vakum) oluşurdu. Gerçek hayatta hava bu boşluğun içine doğru çekilir veya başka bir ifadeyle hava boşluk oluşumunu engellemek için hızlanmak zorundadır. Bernoulli İlkesi bu durumda kanadın üst kanadında basıncın düşeceğini öngörür. Hava yüksek basınçtan alçak basınca doğru akmak isteyeceğinden kanat üzerinde yukarı doğrultuda bir kaldırma kuvveti ortaya çıkar ve bu sayede uçağımız havalanır. Bu olgu konuyla ilgili yazılmış eserlerde “Uzun Yol Açıklaması” diye de adlandırılmaktadır.

Uçak kanatlarında görülen bu olgu benzer bir şekliyle yelkenli teknenin salmasında da görülmektedir. Bilindiği üzere salma etrafında hava molekülleri yerine su molekülleri akar ama salmalar ve kanatlar birçok yönden benzer şekilde tasarlanırlar. İkisinin de uzunlukları tasarımın üretmesi gereken kaldırma kuvvetine göre belirlenir. Genelgeçer bir kural olarak daha yüksek bir kaldırma kuvveti gerektiren kanat veya salma tasarımları daha uzun olmalıdırlar. İkinci olarak tasarımlardan ileri götürücü kuvvetten azami derecede faydalanmaları beklenir. Bu nedenle yapıları harekete karşı oluşan direnci azaltmaya yönelik tasarlanır. Örnek olarak bıçak incelikleri veya yüzey pürüzleri iki tasarım içinde önemlidir.

Salma ile kanadı birbirinden ayıran en temel özellik şekilleridir. Uçak kanadının temel yapısı uçağın yüksekliğini arttırmaya, yani yerçekimi kuvvetini yenmeye çalışacak şekilde tasarlanır. Bu yüzden alışılmış kanatların üst şeklinin dışbükey, alt şeklinin düz veya içbükey olmasında bir sakınca yoktur. Öte yandan salma her iki tarafa da kaldırma kuvveti üretmelidir çünkü sancak ile iskele kontrada yelkenli tekne farklı yönlere kaldırma kuvveti ihtiyacı içinde olacaktır. Bu yüzden uçak kanadına benzeyen bir salma tasarımı bir kontrada gözle görülür bir üstünlük sağlayacakken diğer kontrada ciddi sıkıntılar yaşatacaktır. Bu nedenle salmalar yaygın olarak bakışımlı (simetrik) bir şekilde tasarlanırlar. İlk bakışta bakışımlı bir tasarımdan ¨Uzun Yol Açıklaması¨na uygun olarak kaldırma kuvveti yaratamayacak olması beklenir. Zira bakışımlı bir tasarımın iki yüzeyi üzerinden akacak akışkan aynı yolu katedecektir ve akışkan gereken basınç farkını yaratamayacaktır. Bu duruma karşın bakışımlı salmalar hücum açısı sayesinde kaldırma kuvveti üretebilir. Bakışımlı salmalar için hücum açısı (rüzgaraltına düşme açısı) Şekil 2’de görülebileceği üzere suyun bıçağa çarparken bıçağın merkez çizgisi ile yaptığı açıdır ve sabit salmalarda rüzgaraltına düşme sayesinde oluşur.

Bakışımsız (asimetrik) salma tiplerinin çeşitli uygulamaları yaygın olmasa da mevcuttur. Örnek olarak yarış amaçlı teknelerde ikiz bakışımsız oynar salma tasarımları denenmektedir. Bakışımlı salmaya sahip teknelere göre üstün seyir özelliklerine sahip olmalarına karşın kullanım ve tasarım açısından zorluğu nedeniyle özellikle seyir amaçlı yelkenlilerde henüz tercih edilmemektedir.

Rüzgaraltına düşme yelkenli teknenin izlediği rota üzerinde istenmeyen bir şekilde rüzgaraltına doğru sürüklenmesidir. Rüzgaraltına düşmenin başlıca nedeni rüzgar, akıntı ve/veya dalganın tekne üzerinde yarattığı yanal kuvvettir. Salmanın en temel işlevi tekneyi sürükleyen bu yanal kuvveti karşılamak ve yelkenli teknenin istenilen rotaya doğru ilerlemesini sağlamaktır. Bu amaca karşın bakışımlı salmaların kaldırma kuvveti üretip rüzgaraltına düşmeyi engelleyebilmeleri için rüzgaraltına düşmeye ihtiyaçları vardır. Bu ikilem Şekil 2 ile daha anlaşılır hale gelecektir. Şekil 2’de görülebileceği üzere tasarımı itibariyle merkez çizgisine göre bakışımlı olan salma rüzgaraltına düşme sayesinde ¨Uzun Yol Açıklaması¨nı yapay olarak kullanabilir hale gelir. Salmanın rüzgaraltı tarafından akan su sürüklenme nedeniyle salmanın kuyruğuna daha kısa bir yol izleyerek ulaşır. Diğer yandan salmanın rüzgarüstü tarafından akan su kuyruğa ulaşmak için daha uzun bir yol izlemek zorunda kalır. Bu nedenle rüzgarüstü tarafından akan su hızlanır ve hızlanırken basıncı düşer. Böylece salma üzerinde rüzgaraltı taraftan rüzgarüstü tarafa doğru bir kaldırma kuvveti oluşturur. Bu kaldırma kuvveti sayesinde yanal kuvvete karşı bir direnç oluşur ve rüzgaraltına düşme büyüklüğü azalır.

Bir bakışımlı salmanın verimi birim oranda rüzgaraltına düşme sırasında üretebildiği kaldırma kuvveti ile ifade edilebilir. Az rüzgaraltına düşme ile yüksek kaldırma kuvveti üretebilen salma üstün nitelikte bir salmadır ve tasarımcının peşinde olduğu da buna ulaşmaktır. Buradan çıkarılabilecek önemli bir sonuç ise akıntı gibi etkenleri yoksaydığımızda teorik olarak bakışımlı sabit bir salmaya sahip hiçbir yelkenli teknede hedeflenen rota ile teknenin izlediği rota aynı olamaz. Öte yandan bakışımlı salmamız eğer omurga hattı boyunca uzanmak yerine istendiği vakit omurga hattıyla belli bir açı yapabilecek bir mekanizmaya sahip olursa oldukça az bir rüzgaraltına düşme ile kaldırma kuvveti üretebilir. Zira salma için gerekli hücum açısı salmayı konumlandırarak sağlanabilir. Diğer yandan tasarım açısından barındırdığı zorluklar nedeniyle bu tür yönlenebilir salma tasarımları özellikle büyük teknelerde rağbet görmemektedir.

Kaynak: Boğaziçi Üniversitesi Yelken Takımı

Oytun Babacan

Ağustos 2009

[1] S. Killing and D. Hunter, Yacht Design Explained, W.W. Norton, New York, 1998
[2] C.A. Marchaj, Aero-Hydrodynamics of Sailing, Adlard Coles, London, 1988
[3] L. Larsson and R.E. Eliasson, Principles of Yacht Design, International Marine, Great
Britain, 2000
[4] D. Vacanti, Keel Parameters and Performance, Sail Magazine, Boston, August 1985
[5] B. Gladstone, Performance Racing Trim, North U., Madison CT, 2003
[6] C. Hamlin, Preliminary Design of Boats and Ships, Cornell Maritime Press,
Maryland, 1989
[7] A.J. Alexander, J.L. Grogono and D.J. Nigg, ¨Hydrofoil sailing¨, Juanita Kalerghi,
London, 1972

Yelkenli Teknenin İlerlemesi

Rüzgarın, hareketsiz bir yelken üzerindeki etkisi

  • Hava molekülleri, tıpkı suyun yukarıdan aşağı akması gibi; yüksek basınçtan, alçak basınca doğru akar.
  • Hareket eden hava molekülleri rüzgarı yaratır.
  • Yelkenli tekneler, rüzgarın yelken üzerinde yarattığı kuvvetler sayesinde ilerleyebilir.

Bilindiği gibi, yelkenlerin torlu (ortası bombeli, konveks) bir yapısı vardır. Yelken üzerine gelen hava molekülleri yelkenin üstünden ve altından (rüzgarüstü ve rüzgaraltı) geçecek şekilde ikiye ayrılır.

Yelkenin rüzgarüstü kısmına çarpan ve buradan geçen hava molekülleri, yelkenin üzerinde bir ‘itiş’ kuvveti oluşturur. Yelkenin rüzgaraltı kısmından geçen hava molekülleri ise yelkenin üzerinde bir ‘emiş’ kuvveti oluşturur.

Yelkene uygulanan emiş ve itiş kuvvetleri

Yelkenin torlu yapısı nedeniyle, iki farklı yolu takip eden hava moleküllerinin bir rüzgaraltı kısmında kalanları daha da hızlanır. Bu hız farkının sonucu olarak Bernoulli İlkesine göre, yelkenin iki tarafında bir basınç farkı oluşur. Bu nedenle itiş ve emiş kuvvetlerinin büyüklükleri de farklılaşır.

Şöyle ki; emiş kuvveti genelde itiş kuvvetinin 4-5 mislidir ve yelkende oluşan emiş kuvveti, yelken üzerine etki eden toplam kuvveti artırmada daha da önemlidir.

Uçak kanatlarının da çalışma mantığı budur. Aynı yelkenin formunda olanı uçak kanatlarının, alt ve üst kısmında oluşan, basınç farkları nedeniyle, uçağın kanatlarına yukarı doğru bir basınç uygulanır. Böylece uçak havalanır.

Rüzgarın yelkene gelme açısı 0 derece olduğunda yelken tıpkı bir yaprak gibi sallanır ve rüzgarla dolmaz. Yelkenin formu ve biçimine göre yelkenin rüzgarla dolma açısı farklılık gösterebilir.

Yelkenin rüzgaraltından akmakta olan hava moleküllerinin rüzgarüstünden akan hava molekülleri ile birleşmesi temel amaçtır. Fakat bu moleküller, yelkendeki tor nedeniyle yelkenin arka tarafından sıyrılabilir ve bu da rüzgaraltı bölgesinde bir türbülans yaratır. Bu türbülansın etkisiyle bu bölgedeki alçak basınç kuvveti yok olur, bu da emiş kuvvetinin etkisini azaltır.

Aynı şekilde, hızla ilerleyen bir yelkenin dalgalar ve rota değişiklikleri nedeniyle sürekli yavaşlaması da, yelken üzerindeki türbülansı artıracak ve performans düşüklüğüne neden olacaktır.

Her yelkenin dolabilmesi için, rüzgarın esiş doğrultusu ile arasında belli bir açı olması gereklidir. Üçgen yelkenler için bu açı 22-250 olabildiği gibi, Serenli yelkenlerde 30-350 olabilir.

Gerçek ve Zahiri (Hissedilen) Rüzgar (True Wind- Apparent Wind)

Bu iki kavram, temel olarak şöyle açıklanabilir:
Hareketsiz bir cisim üzerine gelen rüzgar gerçek rüzgardır. Rüzgarlı bir günde, sahilde otururken, yüzümüzde hissettiğimiz rüzgar gerçek rüzgardır. Bu sırada yüzümüze bir rüzgar ölçer yerleştirirsek, okuyacağımız değer, rüzgarın gerçek hızı olacaktır.

Zahiri rüzgar, diğer adıyla göreceli veya hissedilen rüzgar ise hareketli bir cisme etki eden rüzgardır.

Şöyle ki; yine aynı sahil boyunca, bu sefer oturmayıp, koşalım. Gerçek rüzgarın değeri aynıdır, atmosferde ve mekanda değişme olmadıkça değişmez. Bununla beraber, koştuğumuz için, yüzümüze daha fazla hava molekülü çarpmaya başlamıştır.

Bu durumda yüzümüz artık, iki farklı rüzgar yönünün etkisi altındadır. Yüzümüze yerleştireceğimiz bir rüzgar ölçer, bu nedenle artık yalnızca gerçek rüzgarı değil, aynı zamanda koşu hızımız nedeniyle suratımıza çarpan hava moleküllerini de ölçecektir. Bu nedenle ölçülen rüzgar, yani hissedilen rüzgar (apparent wind), gerçek rüzgardan (true wind) hem daha farklı yönde, hem de farklı bir büyüklükte olacaktır.

Tıpkı hareket etmeyen bir arabadan başınızı çıkardığınızda hissettiğiniz rüzgarın, hareket eden arabadan başınızı çıkardığınızda hissedeceğinizden farklı oluşu gibi. Arabanın hızı arttıkça, suratınızda hissedeceğiniz rüzgar artacaktır. Bununla birlikte arabanın hızının artması demek, rüzgarın önden daha çok hissedilmesi demek.

Yani hareket eden cismin hızı arttıkça zahiri rüzgar da artar, ve zahiri rüzgarın yönü, cismin hareket yönü doğrultusunda kayma gösterir.

Gelelim, yelkenli teknelere:

Teknemizde, rüzgardan çabuk etkilenen yelken gibi bir parça olduğu için, zahiri rüzgara çok dikkat etmeliyiz. Teknemizin hızının artmasıyla, yelkene etki eden rüzgarın hızının artacağını ve bu nedenle daha fazla kuvvete maruz kalabileceğini unutmamalıyız.

Hissedilen rüzgarın yönü, tekne hızı ve hissedilen rüzgar hızı arttıkça, teknenin yönü doğrultusunda bir kaymaya uğrayacaktır. Bu nedenle, teknenin baş tarafından gelecek bir gerçek rüzgar yönü, teknemizin hissedilen rüzgarını artırmaya çok yardımcı olacaktır.

Gerçek rüzgarın, tekneye en dik gelebildiği orsa seyrinde, teknemizin en hızlı gitmesini sağlayan bir faktör de, hissedilen rüzgardır. Bu nedenle, orsa seyrinde hissedilen rüzgarın kullanımı çok önemlidir. Bunun için, orsa seyrinde, dümenle ve yelkenin trimiyle mümkün olduğunca az oynayıp, yelken üzerinde akmakta olan rüzgarı kesmekten kaçınmalıyız.