SeyrüseferMühendishaneMakaleler → Köpekbalığı Derisinin Muhteşem Hidrodinamiği

Köpekbalığı Derisinin Muhteşem Hidrodinamiği

Mühendishane - Makaleler
Salı, 05 Ocak 1999

Köpekbalığıİnsanların köpekbalığı derisinin faydalı niteliklerini bilmediğini söylemek pek doğru olmaz. Örneğin 100 yıldan fazla bir süredir onun zımpara olarak kullanıldığı biliniyor. Köpekbalığı derisi sahip olduğu yapı sebebiyle özellikle mobilyaların parlatılmasında bir zamanlar vazgeçilmez bir malzeme halini almıştı. Geçtiğimiz bir kaç on yıl zarfında yapılan araştırmalar sonucunda bir kullanım alanı daha ortaya çıkmaya başladı: Su içinde hareket ederken oluşan direncin azaltılması...

Önceleri Sovyet bilimadamları bazı köpekbalıklarının yüksek hidrodinamik verimlerinin sebeplerini araştırırken derilerinin sahip oldukları niteliğinin buna olan büyük katkısını fark ettiler. Bununla birlikte söz konusu araştırmalar tamamen askeri amaçlarla yapıldığından ve o yıllardaki malzeme teknolojisi uygun malzemelerin imâl edilmesine olanak vermediğinden bu projeler rafa kalkmış oldu.

Sonraları bazı Amerikalı araştırmacılar aynı teknolojinin uçak gövdelerine uygulanması konusunda çalıştılarsa da onlar da çeşitli nedenlerle bu teknolojiyi gerçek hayata uyarlayamadılar. Fakat özellikle bu iki ülkenin öncülüğünde büyük askeri araştırma geliştirme bütçeleriyle yapılan çalışmalar sonucunda önemli bir bilgi birikimi oluştu.

Çok basite indirgersek, köpekbalıklarının derileri örneğin yunuslar gibi son derece pürüzsüz değil tam aksine deri dişçikleri olarak adlandırabileceğimiz geriye eğik ve düzenli bir şekilde deri üstüne sıralanmış keskin yapılarla kaplanmıştır. İlk anda akla gelebileceğinin aksine bu pürüzlü yapı hayvanın su içindeki direncini artırmaz, aksine azaltır. Hayvanın derisi üzerindeki bu yapıların şekil ve büyüklükleri gövde üzerinde bulundukları yere göre değişiklik gösterirler.

Köpekbalığı derisinin yapısı

Resim.1) Köpekbalığı derisi üzerindeki dişçikleri gösteren 350 kat büyütülmüş bir mikroskop görüntüsü (kaynak)

Daha az sürtünme direnci daha düşük güçle daha hızlı yol alabilmek anlamına gelir ve üstelik bu tür bir teknolojinin uygulama alanı ilk anda tahmin edilebilenden çok daha geniştir. Yapılan büyük askeri ar-ge çalışmalarına rağmen bu alandaki ilk başarılı uygulama mayo sektöründen geldi ve Speedo firması bu potansiyeli ticari bir başarıya dönüştürmeyi başardı. Speedo firmasının ilk geliştirdiği ürün olan Aquablade adlı kumaş ile imal edilmiş mayolar 1996 Atlanta Olimpiyatlarında kamuoyunun dikkatini çekti. Sonuçta bu olimpiyatlardaki yüzme madalyalarının %77'si bu mayoları giyen yüzücüler tarafından kazanıldı.

Daha sonra yapılan ar-ge çalışmalarıyla bu teknoloji daha da geliştirildi. 16 mart 2000 tarihinde yine Speedo tarafından piyasaya sürülen ve köpekbalığı derisini taklit eden Fastskin adlı kumaştan üretilen mayolar daha da yüksek performans gösterdiler. Test sonuçlarına göre Fastskin Aquablade'den %3 daha az sürtünme direncine sahiptir ve en pürüzsüz kumaştan da yaklaşık %7.5 daha hızlıdır. Fakat bu kumaşın sporcular tarafından kullanılmasının sportmenliğe gölge düşürdüğü yolundaki eleştiriler oldukça yaygındır. Bu nedenle uluslararası yüzme federasyonu FINA ancak kasım 1999 yılında bu kumaşın yüzme yarışlarında kullanılabilmesini onaylamıştır.

Sonuç olarak Sydney 2000 Olimpiyatlarında; 14 dunya rekorundan 11'i bu mayoları giyen yüzücüler tarafından kırıldı ve 33 altın madalyadan 27'si de (%82) yine bu mayoları giyen yüzücüler tarafından kazanıldı.

Köpekbalıkları çok değişik türlere sahiptir ve bu türler boyut olarak büyük çeşitlilik gösterirler. En büyük köpekbalığı türü olan "balina köpekbalığı" (rhincodon typus) 13 metreden daha uzun olabilirken "pigme kediköpekbalığı" (eridacnis radcliffei) ancak 22-25 cm'lik bir boya ulaşabilir.

Genel olarak köpekbalıklarının vücut şekilleri zaten hidrodinamik direnci azaltacak ve yüzme için gereken güç ihtiyacını en aza indirecek şekilde mükemmel bir hidrodinamik yapıya sahiptir. Yüzgeçleri kıkırdak çubuklarının etrafında bulunan çok ince bir et tabakası ve bunları kaplayan deriden oluşur. Bu yüzgeçlerin görevleri, itiş gücü sağlamak, yüzerken kaldırma kuvveti oluşturmak, rota dengesini ve manevraları sağlamak olarak sıralanabilir.

Balık üzerindeki su direncini üç temel bileşene ayırmak mümkündür:

  1. Sürtünme direnci; köpekbalığının derisi ile etrafında hareket eden su arasındaki sürtünme sebebiyle oluşur.
  2. Basınç direnci; hareket eden köpekbalığının bu esnada saptırdığı su akışı nedeniyle gövde üzerinde hasıl olan basınç farkı sebebiyle oluşur.
  3. Uyartılmış direnç; yüzgeçlerin uçlarında meydana gelen basınç farkları sebebiyle oluşur.

Bir köpekbalığı için bu üç tür direnç bileşeni içinde en belirleyici olan sürtünme direncidir. Çekiçbaş ve mako gibi en hızlı türlerin 45 denizmili/saat gibi çok yüksek sürâtlere ulaşabildikleri söylenmektedir. Böyle müthiş bir sürâte ulaşabilmek için diğer bazı niteliklerin yanında derinin direnç azaltıcı özelliklerinin de büyük etkisi vardır.

En hızlı türlerde deriyi kaplayan dişçikler yaklaşık 0,1mm'lik aralıklarla dizilmiştir ve gövde üzerinde bulundukları noktadaki akış hatlarına paralel ve geriye eğik olarak yerleşmişlerdir. Son derece keskin kenarlı olan bu yapıların yükseklikleri balığın gövdesi etrafındaki akış içinde oluşan sınır tabakanın içine girecek şekilde optimum bir değere sahiptir. Derideki dişçik dizileri arasındaki enine mesafe de akış içinde oluşan küçük girdapların aralığından daha azdır.

Sonuç olarak bu yapı kendi yarattığı minyatür girdaplardan yararlanarak yüzey etrafındaki akışın içindeki momentum değişimini azaltır ve böylece su direncinin de pürüzsüz bir yüzeye göre daha az olmasını sağlar. Su pürüzsüz bir yüzey üzerinden aktığında yüzey etrafında küçük girdaplar oluşur ve bu girdaplar yüzeye dik akış hareketlerine ve yüzey etrafında düzensiz basınç değişmelerine sebep olarak akışı yavaşlatır, köpekbalığı derisindeki yapılar ise kendi oluşturdukları girdaplar ile bu kayıpları bir miktar azaltırlar.

Köpekbalığı derisini kaplayan bu küçük dişçiklerin boyutları balıkların cinslerine göre sabittir ve balık büyüdükçe büyümez sadece sayıları artar. Bu dişçikler suda küçük girdaplar yaratarak balığın yüzme (sevk) verimini arttırır. Ayrıca bu dişçiklerin yapıları, optimum verimin elde edilebilmesi için balık üzerinde bulundukları yerlere göre de farklılık gösterir.

Şu anda mayo üreticisi bazı şirketler böyle teknolojiler üzerinde çalışmaya devam ediyorlar. Bu fikir 1987 Amerika Kupasını kazanan Stars and Stripes adlı tekneye de NaSa tarafından başarıyla uygulanmıştı. Resmi olarak açıklanmamakla birlikte dirençte %10'a varan kazançlar elde edilebildiği söyleniyordu ki bu %3-5 kadar bir hız artışı sağlayabilirdi.

Bütün bu bilinenlere rağmen deneysel çalışmalarda laboratuvarlarda üretilen suni köpekbalığı derilerinde henüz tam bir başarı kazanılamadı ve üretilen suni deriler yüksek hızlı köpekbalığı türlerine ait derilerin verimine ulaşılamadı. Son zamanlarda yapılan bazı araştırmalar bunun nedenlerini de ortaya çıkardı. Köpekbalıkları deri altlarındaki kasları kullanarak deri dişçiklerinin açılarını dinamik olarak ayarlayabiliyorlar ve böylece dişçiklerin yüksekliklerini yüzdükleri sürate en uygun seviyeye getirerek her sürât için azami direnç kazancını elde edebiliyorlardı; muhteşem bir tasarım!

Araştırmacılar şimdi bu yeteneği de taklit etmek için çalışıyorlar. İlk örnekler mems (mikro elektro mekanik sistemler) adı verilen malzemeler olarak ortaya çıktı ve deneysel amaçlarla uçak ve denizaltı gövdelerine uygulandı. Bu sistemlerde bir bilgisayara bağlı binlerce basınç algılayıcının yüzeyde ölçtüğü basınç değişimlerine karşılık olarak hesaplanan optimum yüzey kaplaması şeklinin kaplamaya dinamik olarak uygulanmasıyla, köpekbalıklarının yaptığı gibi daha fazla direnç kazancı elde etmek mümkün olabiliyor. Bununla birlikte böyle aktif direnç azaltıcı sistemlerin hayata geçirilebilmesi için daha fazla zamana ihtiyaç var çünkü çok karmaşık, hassas ve pahalılar.

♦ Kaynaklar

1. Resim.1) http://saveourseas.com/projects/shark_riddle/robert_and_the_electron_microscope
 







Telif Hakkı © 1997-2018 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.