Salmanın Tekne Üzerindeki Etkisi

Kaynak: Boğaziçi Üniversitesi Yelken Takımı

Oytun Babacan

Ağustos 2009

http://www.sailing.boun.edu.tr/html/arastirmalar.html

Salma yelkenli teknenin vazgeçilmez bir parçasıdır. Teknenin ihtiyaç duyduğu safraya ev sahipliği yapar. Taşıdığı safranın yerleştirilmesi teknenin baş ile kıçının yatay çizgiye göre konumunu belirler. Taşıdığı safranın büyüklüğü ile teknenin su hattını çizer. Tekneye etkiyen yanal kuvvetlere karşı kaldırma kuvveti üreterek direnç gösterir ve aynı zamanda teknenin bu kuvvetlere karşı gösterdiği toplam direncin merkezini belirler. Ürettiği kaldırma kuvveti ile teknenin hızına katkıda bulunur. Teknenin ağırlık merkezini derine çeker ve teknenin dengesini arttırır. Salmanın tüm bu işlevleri yerine getirmesi elbette belli başlı fiziksel kurallara bağlı olarak gerçekleşebilmektedir fakat özellikle salmanın su akışıyla ilgili tasarımında teorik çalışmalar yapmak hesaplamaların karmaşıklığından ötürü tercih edilmemektedir ve bazı zamanlar mümkün bile değildir. Bu yüzden çağdaş salma üretimi ağırlıklı olarak su havuzlarında uygulanan deneysel yöntemler ile birlikte yürütülmektedir. Buna karşın teorik çalışmalar tasarımcıya temel bazı görüşleri edinmesinde yardımcı olması açısından önemlidir. Zira tasarımcının neyin işe yarayıp neyin yaramayacağını örnek üretimden önce kestirebilmesi ona hem zaman kazandıracaktır hem de son ürünün maliyetini düşürecektir.

Kaldırma Kuvveti

Tasarımcının salma tasarımında yararlandığı en temel teorik ilişki kaldırma kuvveti hakkındadır. Kaldırma kuvveti ihtiyacını karşılayacak bir tasarım yaratmak için üç değişkeni belirleyebilmek önemlidir. Bu değişkenler tasarım için öngörülen alan, tasarımın hızı ve tasarım etrafından akacak akışkanın yoğunluğudur. Bu üç değişkenin kaldırma kuvveti ile olan ilişkisi Denklem 1?de verilmiştir.

Kaldırma Kuvveti (KK) = 0.5 x KK Sabiti x Akışkan yoğuluğu x Salma Alanı x (Salma Hızı)2         (1)

İlk olarak akışkan yoğunluğunu irdeleyelim. Eski dönemlerde yelkenli tekneler yöresel olarak üretilip yöresel olarak kullanılırken değişik coğrafyalarda benzer amaçlar için kullanılan tekneler arasında birçok farklılık yakalamak mümkündü. Bu farklılıkların bazıları bölgenin kültürüyle yakından ilgili olsa bile çoğu farklılıklar tamamen bölgenin özelliği ile ilintiliydi. Suyun niteliğinin salma üzerindeki etkisi de bu tür bölgesel bir ilişkidir. Örneğin göl suyunun yoğunluğu deniz suyundan azdır. Bu yüzden bir göl yelkenlisi kendisine benzer bir deniz yelkenlisinden değişik (büyük, uzun vs.) bir salmaya ihtiyaç duyar. Başka bölgesel bir farklılık suyun sıcaklığıdır. +4°?ye kadar suyun sıcaklığı düştükçe suyun yoğunluğu artar. Bu durumda Avrupa?nın kuzeyinde kullanılacak bir yelkenli teknenin ülkemizde kullanılacak eş bir yelkenli tekne ile benzer bir salma kullanmaları beklenmemelidir. Günümüzde küresel bir kullanım alanı yakalayacak tekneler üreten tasarımcıların tasarımlarında bu değişkeni göz önünde bulundurması gereklidir. Küçük teknelerde bazı zamanlar göz ardı edilebilecek bu değişken üstün başarım beklenen büyük teknelerde önemli bir etken olabilir.

Denklem 1?de görüleceği üzere salma hızı üretilen kaldırma kuvveti üzerindeki en etkili değişkendir. Dolayısıyla hıza yatkın bir tekne yavaş teknelere kıyasla daha küçük bir salma ile daha büyük bir kaldırma kuvveti üretebilir. Tasarımcı için salma alanı ve hızının arasındaki ilişki hakkında önemli bir denge ise şu şekildedir: Salma alanının büyümesi salma üzerinden akan suyun yarattığı sürtünme kuvvetini arttıracak ve tekneyi yavaşlatacaktır. Yani salma alanı arttığı için büyüyen kaldırma kuvveti, salma hızı azaldığı için küçülecektir. Eğer artan salma alanına göre tekne bir hayli yavaşlıyorsa sonuçta elde edilen kaldırma kuvveti öncekinden küçük olacaktır. Öte yandan eğer salma alanı büyüdükçe hızda önemli bir değişiklik olmuyorsa kaldırma kuvveti öncekinden yüksek olabilir. Görüldüğü üzere tasarımcının en uygun tasarıma karar verebilmesi için akışkan direnci hakkında da yeterli bilgisinin olması gerekmektedir.

Akışkan Direnci

Salmanın temel bir işlevi kaldırma kuvveti üretmektir. Öte yandan kaçınılmaz bir durum salmanın akışkan direnci ile karşılaşmasıdır. Bu istenmeyen direnç, tekneyi ilerletmek için yelkenler aracılığıyla dönüştürülen gücün israfına neden olur ve tekneyi yavaşlatır. Yelkenli tekneler, içten yanmalı motor kullanan teknelere kıyasla hız odaklı işlevlere sahip olmasalar bile koşulların izin verdiği azami hıza erişmek yelkenli tekne tasarımlarında birincil amaçlar arasında gelir. Sadece tasarım safhasında değil, kullanım sırasında da temel amaç tekneyi verimli, yani çoğu zaman hızlı kullanmaktır. Bu nedenledir ki yelkenciliğin özü olan trim, anlık değişken şartlarda eldeki tekne ile rüzgar kuvvetinden azami ölçüde yararlanmayı amaçlar. Tasarımcı da tekne suya inmeden onu yavaşlatacak her etkeni kısıtlamaya gayret eder. Salma ise tasarımcının aşması gereken zorlu engellerden biridir. Yazının ilerleyen kısımlarında göreceğimiz üzere akışkan direnci tasarımı çoğu açıdan kısıtlayan sonuçlar yaratır.

Akışkanların içinde yol alan katı cisimler hareketlerini azaltan akışkan direncine maruz kalırlar. Yelkenli tekne salmalarını ilgilendiren akışkan direnci iki temel tür olarak görülür: Asalak direnç ve indüklenmiş direnç.

Asalak Direnç

Asalak direnç büyüklüğü ne olursa olsun sürekli varolması nedeniyle ?asalak? olarak tanımlanmıştır. Temel olarak iki alt türden oluşur: Akış halindeki suyun salma yüzeyine teması ile oluşan sürtünme direnci ve tasarım şeklinden kaynaklanan biçim direnci. Asalak direnç orsa, apaz veya pupa seyirlerinde koşullardan bağımsız hep varolacağı için bu direnci düşük tutmak tasarımın genel başarımını arttıracaktır. Bu dirençlerin tasarımda oluşumu çeşitli örnekleri irdeleyerek görebiliriz. Teknenin su ile temas eden yüzey büyüklüğü arttıkça oluşan sürtünme direnci de artacaktır. Bu nedenle salmayı olabildiğince küçük tutmak gerekir. Diğer yandan hatırlayacağımız üzere salmayı küçültmek üretilecek kaldırma kuvvetini de küçültür. Tasarımcı salmayı daha çok küçültemediği durumlarda sürtünme direncini azaltmak için yüzeyi daha pürüzsüz yapabilir fakat bu da salmanın üretim maliyetini arttıracaktır. Bu değişkenler arasındaki dengeyi tasarımın neye ihtiyaç duyduğu belirleyecektir. Asalak direncin ikinci üyesi olan biçim direncinin oluşmasında salmanın kalınlığı ve bıçak kesiti önemlidir. Kaba bir deney düzeneği ile basitçe kanıtlayabileceğimiz üzere kalın bir cismin suyu yarması daha ince bir cisme göre zordur. (Örneğin bir bıçağın keskin ucu ile yan kısmının suyu yarma kolaylığını kıyaslayabiliriz.) Buradan çıkarabileceğimiz bir sonuç şöyledir: Salmanın kalınlığının artması biçim direncini arttıracaktır. Nitekim dikkatle yapılmış deneysel çalışmalar da bunu kanıtlar. Buna ek olarak salmanın neresinin kalın neresinin ince olacağı da önem taşır. Yapılan araştırmalar bıçak kesitlerinin azami kalınlıkları değişmese bile en kalın yerlerinin suyu kestiği uca uzaklığının biçim dirençlerini değiştirdiğini saptamıştır.

Tekne gövdelerinde önemli bir etkisi olan dalga oluşumdan kaynaklanan direnç salma gibi tamamen su içinde bulunan ve dolayısıyla dalga üretmeyen uzantılar için önem taşımamaktadır. Diğer yandan seyir esnasında gövdenin ürettiği dalgalar teknenin hareketine gösterilen toplam direnç içerisinde ciddi bir paya sahiptir.

İki direnç çeşidi hakkında bilinmesi gereken önemli bir bilgi iki çeşidin birbirine sıkı bir şekilde bağlı olduğudur. Şekil 3 ?fin? tipi salma tasarımlarında görülen balbın çap/uzunluk oranına göre değişen biçim direncini göstermektedir. Biçim direnci, balb ince ve düz bir şekle sahipken tasarımın inceliğinden dolayı azdır fakat toplam yüzey alanı yüksek olduğu için sürtünme direnci fazladır. Balb daha dolgun, yağmur damlasına benzer bir biçim aldıkça yüzey alanı ve dolayısıyla sürtünme direnci azalmakta, kalınlaşan şeklinden ötürü ise biçim direnci artmaktadır. Şekil 3?de görüldüğü üzere ve benzer örnekler incelendiğinde görüleceği üzere ne sürtünme direncini ne de biçim direncini azaltmak için bağımsız kararlar verilemez. En az biçim direncine veya en az sürtünme direncine sahip bir tasarım gerçekte en az asalak dirence sahip bir tasarım olmayabilir. Nitekim şekil 3?de yuvarlak içine alınmış nokta asgari direnç noktasını belli etmektedir. Tasarımcının arzuladığı ?iki direncin toplamının? asgari olduğu bu noktaya ulaşmaktır.

Uçak kanadı bıçak kesitlerinin farklı etkileri Ira H. Abbot ve A.E. von Doenhoff?un ¨Theory of Wing Sections¨ adlı eserinde ayrıntılı bir şekilde incelenebilir. Birçok salma tasarımcısı kanat bıçak kesitlerinin deneysel verilerini yorumlayarak uygun gördükleri bıçak şekillerini salmaya uyarlamaktadır.

Şekil 3?de sadece asalak direnç ile balbın çap/uzunluk oranı arasındaki ilişki irdelenmiştir. Etkin tüm değişkenler hesaba katıldığında ilişkiler bu kadar basit kalmamaktadır. Buna ek olarak indüklenmiş direnç ile asalak direnç arasında da ideal bir nokta bulunması gerekir. Salmanın en/boy oranı, tekne hızı, suyun hücum açısı gibi birçok değişkenin bu dirençler üzerindeki farklı etkisini düşündüğümüzde tasarımın birçok açıdan kısıtlandığını, tasarımcının işinin ise gittikçe karmaşıklaştığını aklımızda canlandırabiliriz.

İndüklenmiş Direnç

İndüklenmiş direnç asalak direncin aksine salma üzerinde her zaman etkili değildir. İndüklenmiş direnç, kaldırma kuvveti üretimi sırasında oluşur. Belli bir hücum açısı ile sürüklenmekte ve bu sayede kaldırma kuvveti üretmekte olan salmanın derin kısmına (uç bölgeye) doğru ilerledikçe su akışının denetimsiz bir şekilde gerçekleştiğini görürüz. Bu durum Şekil 4?de gösterilmiştir. Uç bölgenin aksine salmanın tekne ile birleştiği bölge daha düzgün bir akışa sahiptir çünkü tekne gövdesinin alt yüzeyi, salmanın yardığı su akışı karşısında bir duvar görevi görür ve su akışının sadece salma boyunca ilerleyip kuyruk kısmında birleşmesine izin verir. Salmanın uç kısmında ise suyun akışını denetleyici bir etken yoktur. Salmanın rüzgaraltında oluşan yüksek basınçlı su akışı salma boyunca ilerlemek yerine salmanın açık olan ucundan rüzgaraltındaki alçak basınç bölgesine doğru yönelir. Akışın gitmeyi seçtiği bu ?kestirme? yol yüzünden salma kuyruğunda bir girdap oluşur ve bu girdap oluşumu teknenin enerjisini ?harcar?. Bu olayın önemli bir sonuçu salmanın uç kısmında basınç farkının korunamaması nedeniyle üretilen kaldırma kuvvetinin azalmasıdır.

Rüzgaraltına düşmenin daha az olduğu veya olmadığı geniş seyirlerde indüklenmiş direnç etkisini göstermez fakat dar seyirlerde teknenin başarımını arttırmak için tasarımcı indüklenmiş direncin etkisini azaltacak önlemler almalıdır. Örnek olarak salma uzunluğunu arttırmak etkili bir yöntemdir. Zira indüklenmiş direnç etkili salma uzunluğununun karesi ile ters orantı içindedir. Buna rağmen tasarımcı her zaman uzun bir salma tercih etmez. Üretilecek teknenin sığ sularda seyir yapabilmesi ve yat limanlarına girebilmesi için salma boyunun belli ölçülerde olması gerekir. Özellikle koy koy gezmeyi seven yelkenciler için her salma boyu uygun değildir. Yine de şartların el verdiği ölçüde uzun bir salma kullanmak dar seyirlerde tekne başarımını oldukça arttıracaktır.

Kaynaklar

[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

Salmanın Tekne Üzerindeki Etkisi” hakkında 2 yorum

Bir cevap yazın