Mühendislik Mekaniğinin Yaşamımızdaki Rolü

Mühendislik alanında, mekanik bilimi her zaman büyük bir öneme sahip oldu. Yaşadığımız yüzyılda günlük yaşamda karşılaştığımız birçok yapının ve sistemin arkasında, mühendislik mekaniğinin ilkeleri yer alır.

Bina ve köprülerden taşıt araçlarına, dev makinelerden minik bileşenlere kadar hemen her şeyin tasarımı bu bilim dalının rehberliğinde gerçekleşir. Ancak mühendislik mekaniği yalnızca hesaplamalar ve denklemlerden ibaret değildir; aynı zamanda insanlık için güvenlik, verimlilik ve estetiği bir araya getirmenin yoludur.

Mekanik denildiğinde ilk akla gelen şey kuvvet, moment ve hareketin incelenmesidir. Bir köprüye adım attığınızda ya da bir araca bindiğinizde, aslında bu kuvvetler ve momentlerin hassas bir denge içinde olduğunu bilirsiniz.

Mühendisler ve mühendislik alanında çalışan profesyoneller, tasarım sürecinde malzemelerin dayanımını, yapının taşıyabileceği yükleri ve sistemlerin çevresel koşullara karşı nasıl davranacağını dikkatle analiz eder.

İster bir rüzgârın köprüye uyguladığı kuvvetler olsun, isterse bir otomobilin fren yaparken tekerleklerine ilettiği yükler, her durumda yapılmak istenen şey dengeyi sağlamaktır.

Özellikle inşaat ve makine mühendisliği gibi alanlarda, mühendislik mekaniği vazgeçilmez bir yol arkadaşıdır.

Bir kulenin yapısal tasarımında, yapılara etki eden yüzlerce değişkenin (sıcaklık farkları, rüzgâr, deprem, binanın ağırlığı, katlardaki yükler, yanal ve eksenel kuvvetler gibi) bir dengeye oturtulması gerekir.

İşte bu noktada devreye statik analizi girer.

Statik, durağan ve dengede olan cisimlerin davranışını inceler ve sistemin hangi noktada çökeceğini, hangi malzemenin bu kuvvetleri en iyi şekilde karşılayacağını tahmin etmemizi sağlar. Statik analiz olmayan bir yaşamda bugün metropollerde gördüğümüz gökdelenlerin varlığı söz konusu dahi olamazdı.

Ancak statik tek başına yeterli değildir.

Dinamik analiz de en az statik kadar önemlidir, çünkü gerçek dünyada hiçbir şey tamamen durağan değildir.

Arabaların viraj dönüşü esnasında maruz kaldığı merkezkaç kuvveti ya da bir trenin raylardaki titreşimleri gibi hareketli sistemlerde dinamik analiz gereklidir.

Bir aracın motoru çalışırken içindeki her parça belirli bir kuvvet ve hızla hareket eder. Bu parçaların birbiriyle uyumlu çalışabilmesi, kinetik enerjinin doğru yönlendirilmesiyle sağlanır. Dinamik analiz olmaksızın üretilen bir makinenin düzenli çalışmasını neredeyse imkansızdır.

Malzemelerin davranışını incelemek de mühendislik mekaniğinin önemli bir parçasıdır.

Mukavemet, malzemelerin harici kuvvetler altında nasıl tepki verdiğini anlamamıza olanak tanır.

Bu bilim ile, büyük yapılarda neden çoğunlukla çelik kullanıldığını ve neden bazı durumlarda plastik veya ahşap malzeme kullanıldığını anlarız.

Bir köprüyü inşa ederken ya da bir uçak kanadını tasarlarken mukavemet hesaplarını doğru yapmazsanız, sonuç felaket olabilir. İşte bu yüzden mühendislik mekaniği yalnızca bir hesaplama süreci değil, insan güvenliği için gerekli bir süreçtir.

Bunu Bernoulli prensibini kullandığımız bir örnekte şu şekilde açıklayabiliriz;

Bernoulli prensibi bir akışkanın hızının artması ile basıncının düşmesi arasındaki bağlantıyı anlatır.

P + ½.p.v2 + p.g.h = sabit ile formülize edilir.

Burada P havanın basıncı, p akışkanın yoğunluğu, v akış hızı, g yerçekim ivmesi, h ise yüksekliktir.

Basit olarak bu formülizasyon kullanılarak uçağın kaldırma kuvveti bulunabilir.

Uçak kanadının üst yüzeyinde hava akış hızı 300 km/s, alt yüzeyinde ise 250 km/s aktığı ve 20 m2 yüzey alanına sahip bir kanat tasarımı düşünüldüğünde, kanadın kaldırma kuvveti şe şekilde hesaplanır;

• Kanat üst yüzeyindeki hız (v1) = 300 km/s = 83.33 m/s

• Kanat alt yüzeyindeki hız (v2) = 250 km/s = 69.44 m/s

• Hava yoğunluğu = 1.225 kg/m3

• P2 – P1 = ½.p.(v12 – v22) – (Bernoulli denklemi)

• P2 – P1 = ½ x 1.225 x (6,946.11 – 4,823.39) = 1,299.55 Pa

Kaldırma Kuvveti hesabı: L = (P2 – P1) x A = 1,299.55 x 20 = 25,991 N = 26 kN

Eğer burada üretilen kaldırma kuvveti istenen değerlerde olmaz ise uçak havada kalamaz ve düşme tehlikesi geçirir. Bunun en bilinen nedenlerinden birisi pilotaj hatası veya yanlış hesaplamalardan ötürü uçak burnunun gereğinden fazla kaldırılması sonucunda kanatta oluşan yüksek açı sebebi ile uçağın stall hatası vermesi ve uçuş güvenliğinin tehlikeye girmesidir.

Mühendislik mekaniği, son yıllarda teknolojik gelişmelerle birlikte büyük bir dönüşüm geçiriyor.

Artık yalnızca klasik yöntemler değil, bilgisayar destekli analizler ve simülasyonlar da kullanılmaya başlandı.

Bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve sonlu elemanlar yöntemi (FEM) gibi araçlar sayesinde artık karmaşık yapıların ve sistemlerin davranışını bilgisayar ortamında inceleyebiliyoruz.

Bu sayede, bir uçağın imal edilmeden önce bilgisayar ortamında test edilmesi ve olası zayıf noktaların belirlenmesi mümkün oluyor.

Bu tür analizler, hem maliyeti azaltıyor hem de güvenliği artırıyor.

Mühendisler artık yalnızca matematiksel hesaplar yapmakla kalmıyor; aynı zamanda bilgisayar ortamında sanal modellerle gerçek dünya koşullarını simüle ediyorlar.

Önümüzdeki yıllarda mühendislik mekaniğinin daha da ilginç uygulamalarına şahit olacağız.

Şu anda üzerinde çalışılan projeler arasında, akıllı malzemeler, sürdürülebilir dizaynlar ve nano ölçekli mekanik sistemler dikkat çekiyor.

Nano teknolojide kullanılan mekanik, klasik mekaniğin çok ötesinde bir alandır ve molekül ölçeğindeki sistemlerin nasıl çalıştığını anlamaya çalışır.

Bu sayede, geleceğin mikro-makineleri ve biyomedikal cihazları tasarlanabilir hale gelecek.

Nano-mekanik alanında bir örnek vermek gerekirse, nano-ölçekli bir karbon nanotüpün (CNT) elastik modülünü hesaplayabiliriz.

Bir karbon nanotüp küçük bir kuvvet uygulandığındaki şekil değişimini basit bir gerilme-şekil analizi ile bulabiliriz.

Kurguya göre bir 1.2 nm (1.2x10-9 m) çapında ve 50 nm (50x10-9 m) uzunluğunda bir nanotüpe, boyuna eksen boyunca 0.5 nN (0.5x10-9 N) çekme yüküne maruz bırakılıyor. Bu nanotüpün gerilme ve şekil değiştirme değerini hesaplayalım.

• Kesit alanının hesaplanması; A= π x (d/2)2 = 1.13x10-18 m2

• Gerilme; σ = F/A = 4.42x108 Pa

• Şekil Değiştirme; ε = ΔL/L = 4.421 × 10⁻⁴

• Boydaki Uzama; ΔL = (FxL) / (AxE) = 2.21 × 10⁻¹¹ m (0.022 nm)

0.022 nm, nanotüp uzunluğunun yaklaşık % 0.0442 oranında bir uzamaya karşılık gelir.

Aynı şekilde, akıllı malzemeler, sıcaklık, basınç ya da elektrik gibi çevresel etkenlere tepki vererek yapısal değişimler gerçekleştirebiliyor.

Bu tür malzemelerin kullanımı, mühendislik mekaniğinde devrim niteliğinde bir dönüşümü başlatabilir.

Kısacası, mühendislik mekaniği yalnızca mühendisler için bir araç değildir; aynı zamanda toplumun güvenli ve konforlu bir şekilde yaşamasını sağlayan, görünmez bir yapı taşıdır.

Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte, bu yapı taşı daha da güçlenmekte ve yaşamımızı her geçen gün daha da sağlamlaştırmaktadır.

Ancak, her ne kadar teknoloji ilerlerse ilerlesin, mühendisliğin temel prensipleri olan kuvvet, denge ve hareketi doğru anlamak ve kontrol etmek gibi kavramlar hep aynı kalacaktır. İşte bu yüzden mühendislik, insanlık için ilk başta bir bilim olarak görünmesine karşın aslında bir sanattır.