Şemsiyelerin şiddetli rüzgarlarda kontrolden çıkmasının, ellerimizden kurtulmaya çalışmasının veya aniden ters dönmesinin temel nedeni, akışkanlar mekaniğinin en temel kurallarından biri olan Bernoulli prensibidir; rüzgar şemsiyenin kavisli üst yüzeyinde daha hızlı hareket ederek bir alçak basınç bölgesi oluşturur ve bu basınç farkı şemsiyeyi yukarı doğru emerek yapısal dengesini zorlar. Bu fiziksel fenomen sadece şemsiyelerin neden "uçma" eğiliminde olduğunu açıklamakla kalmaz, aynı zamanda devasa yolcu uçaklarının tonlarca ağırlığa rağmen havada nasıl süzüldüğünü de anlamamızı sağlar. Şemsiyenizi rüzgara karşı tutarken hissettiğiniz o çekim kuvveti, aslında doğanın görünmez ama son derece güçlü olan basınç dengesi mekanizmasının doğrudan bir sonucudur.
Akışkanlar mekaniği, sıvıların ve gazların hareketlerini ve bu hareketlerin çevrelerindeki nesneler üzerindeki etkilerini inceleyen fizik dalıdır. Bernoulli prensibi, bu alanın en temel taşlarından biri olarak, bir akışkanın hızı ile o akışkanın uyguladığı statik basınç arasındaki ters orantıyı tanımlar.
Hava hızı ve basınç arasındaki ilişki, doğanın en şaşırtıcı dengelerinden biridir. Bernoulli’nin gözlemlerine göre, bir gaz veya sıvı ne kadar hızlı hareket ederse, çevresine uyguladığı dikey basınç o oranda düşer. Bu durumu anlamak için şu temel noktaları göz önünde bulundurmak gerekir:
Havanın bu davranışı, rüzgarlı bir günde şemsiyenizin üst kısmındaki havanın hızlanmasıyla birlikte oradaki baskının azalması anlamına gelir ki bu da şemsiyenin neden yukarı doğru bir kuvvetle çekildiğini net bir şekilde açıklar.
Daniel Bernoulli, 1738 yılında yayımladığı "Hydrodynamica" adlı eserinde, akışkanların hareketini enerjinin korunumu ilkesiyle ilişkilendirmiştir. Bir akışkanın toplam enerjisinin; kinetik enerji (hız), potansiyel enerji (yükseklik) ve basınç enerjisinin toplamından oluştuğunu savunmuştur. Kapalı bir sistemde veya sürtünmesiz bir akışta bu toplam enerji sabit kalmak zorundadır.
Bernoulli’ye göre, eğer bir akışkanın kinetik enerjisi (hızı) artıyorsa, toplam enerjinin korunabilmesi için basınç enerjisinin veya potansiyel enerjisinin azalması gerekir. Günlük hayattaki uygulamalarda yükseklik farkı genellikle ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, hızdaki artış doğrudan basınçtaki düşüşle dengelenir. Bu matematiksel kesinlik, günümüzde otomotiv tasarımından bina mühendisliğine kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Şemsiyeler söz konusu olduğunda ise bu yasa, nesnenin neden rüzgarda bir "kanat" gibi davranmaya başladığının bilimsel kanıtıdır.
Şemsiyeler, yağmurdan korunmak için tasarlanmış olsalar da formları gereği aerodinamik olarak bir uçak kanadına (airfoil) inanılmaz derecede benzerler. Bu benzerlik, rüzgarlı havalarda şemsiyeyi sadece bir korunak olmaktan çıkarıp aktif bir kaldırma kuvveti üreten bir mekanizmaya dönüştürür.
Şemsiyelerin dışbükey, yani yukarı doğru kavisli tasarımı, aslında suyun aşağı süzülmesini sağlamak için düşünülmüştür. Ancak bu tasarımın fiziksel bir yan etkisi vardır: rüzgarı bir kanat profili gibi yönetmek. Kavisli yüzeyin temel amacı ve etkileri şu şekilde sıralanabilir:
Bu kavisli yapı, havanın izlediği yolu değiştirerek şemsiyenin üzerindeki ve altındaki fiziksel koşulların birbirinden tamamen farklı hale gelmesine neden olur.
Bir rüzgar esintisi şemsiyenin kenarına ulaştığında ikiye bölünür. Havanın bir kısmı şemsiyenin altındaki boşluktan geçerken, diğer kısmı şemsiyenin kubbe şeklindeki üst kısmından geçer. Fiziksel bir zorunluluk olarak, üstten giden hava parçacıkları, alttan gidenlerle şemsiyenin diğer ucunda yaklaşık aynı zamanda buluşmak zorundadır (Eşit Transit Teorisi her ne kadar tartışmalı olsa da, akışkanın üstteki daha uzun yolu kat etmek için hızlanması gerektiği gerçektir).
Üstteki kavisli yol daha uzun olduğu için hava burada çok daha hızlı hareket eder. Alttaki hava ise şemsiyenin iç bükey yapısı nedeniyle genellikle hapsolur veya daha yavaş ilerler. Üstteki hızlanan hava, Bernoulli prensibi uyarınca basıncı düşürürken; alttaki yavaş hava yüksek basıncını korur. İşte bu "yol farkı", şemsiyenin üzerinde bir vakum etkisi yaratarak onu yukarı doğru emmeye başlar.
Şemsiyelerin ters dönmesi (inversion), sadece rüzgarın gücüyle ilgili değil, şemsiyenin iç ve dış yüzeyleri arasındaki dramatik basınç farkıyla ilgilidir. Bu durum, fiziğin "kaldırma kuvveti" (lift) olarak adlandırdığı olgunun kontrolsüz bir şekilde gerçekleşmesidir.
Şemsiyenin dış yüzeyinde rüzgar hızla aktığında, bu bölgede bir "basınç çukuru" oluşur. Bu bölge, çevresindeki durgun havadan çok daha düşük bir basınç değerine sahiptir. Alçak basınç alanı, üzerinde bulunduğu nesneyi kendine doğru çekme eğilimi gösterir. Bu etkiyi şu şekilde gözlemleyebiliriz:
Bu alçak basınç bölgesi, şemsiyenin yapısal direncini test eden ilk cephedir ve rüzgarın şiddetiyle doğru orantılı olarak güçlenir.
Şemsiyenin ters dönmesine neden olan asıl darbe ise alt kısımdan gelir. Şemsiyenin altı, rüzgarı adeta bir çanak gibi hapseder. Burada hava hızı oldukça düşüktür, bu da basıncın yüksek kalması anlamına gelir. Şemsiyenin altındaki yüksek basınç ile üstündeki alçak basınç arasındaki bu fark, net bir yukarı yönlü kuvvet oluşturur.
Bu süreç şu şekilde sonuçlanır:
Sonuç olarak şemsiye, bu devasa basınç dengesizliğine dayanamayarak bir anda ters döner. Bu, havanın şemsiyeyi "devirme" çabasının değil, onu "uçurma" çabasının bir sonucudur.
Rüzgar hızı doğrusal bir artış gösterse de, şemsiye üzerindeki etkileri genellikle logaritmik bir yıkıma yol açar. Hızın iki katına çıkması, basınç farkının ve dolayısıyla kaldırma kuvvetinin dört katına çıkması anlamına gelebilir.
Her şemsiyenin tasarımı, belirli bir rüzgar hızına kadar dayanabilecek şekilde mühendislik hesaplamalarına tabidir. Bu "kritik hız eşiği" aşıldığında, malzeme yorgunluğu ve aerodinamik kuvvetler iskeletin esneklik sınırlarını zorlar.
Şemsiyelerin dayanıklılığını etkileyen faktörler şunlardır:
Bu faktörlerin birleşimi, şemsiyenin rüzgara karşı ne kadar süre "direneceğini" belirler; eşik aşıldığında ise fiziksel deformasyon kaçınılmazdır.
Rüzgar nadiren pürüzsüz ve sürekli bir akış halindedir; özellikle şehir içindeki binalar arasında esen rüzgar oldukça türbülanslıdır. Türbülans, hava akımında ani yön ve hız değişimleri yaratarak şemsiye üzerindeki basınç dengesini sürekli olarak altüst eder.
Bu kaotik hava akımı, şemsiyenin elinizde titremesine ve bir sağa bir sola savrulmasına neden olur. Türbülans anında şemsiyenin üstündeki alçak basınç bölgesi aniden yer değiştirebilir veya şiddetlenebilir. Bu dengesizlik, kullanıcının şemsiyeyi tutuş açısını bozarak rüzgarın doğrudan şemsiyenin içine dolmasına ve böylece anlık bir basınç patlamasıyla şemsiyenin ters dönmesine zemin hazırlar.
Modern mühendislik, Bernoulli prensibinin yıkıcı etkilerini azaltmak için yenilikçi tasarımlar geliştirmiştir. Bu tasarımların başında gelen "ventilli" veya "çift katmanlı" şemsiyeler, aerodinamik yasalarını engellemek yerine onları akıllıca kullanmayı hedefler.
Çift katmanlı şemsiyeler, kumaşın iki ayrı parça halinde üst üste binmesiyle oluşturulur. İki katman arasında rüzgarın geçebileceği bir boşluk veya "ventil" bulunur. Bu sistemin çalışma prensibi oldukça basittir ancak etkisi büyüktür:
Bu tasarım sayesinde şemsiye, rüzgarı göğüslemek yerine onun "içinden geçmesine" izin vererek ters dönme riskini minimize eder.
Bazı özel üretim fırtına şemsiyeleri, geleneksel dairesel form yerine asimetrik veya uçak kanadına benzer formlar kullanır. Örneğin, arka kısmı daha uzun ve alçak olan tasarımlar, rüzgarın şemsiyeyi yukarı kaldırmak yerine onu yere doğru bastırmasını sağlayacak şekilde optimize edilmiştir.
Bu tür tasarımlar, Bernoulli prensibini tersine çevirerek "negatif kaldırma" (downforce) oluşturmayı amaçlar. Şemsiyenin ön kısmı rüzgarı yararken, arka kısmın eğimi hava akışını kontrol altında tutar ve türbülansı azaltır. Bu mühendislik harikası şemsiyeler, 100 km/s hıza ulaşan rüzgarlarda bile formunu koruyarak kullanıcısına güvenli bir koruma alanı sunar.
Şemsiyenizin neden ters döndüğünü anlamak, aslında dünyayı yöneten fizik kurallarından birine hakim olmaktır. Bernoulli prensibi sadece rüzgarlı günlerde hayatımızı zorlaştıran bir kural değil, modern teknolojinin pek çok alanında hayati rol oynayan bir fenomendir.
Örneğin, bir uçağın kanatları tam olarak şemsiyenin kavisli yapısını taklit eder; kanadın üst kısmından geçen hızlı hava alçak basınç yaratarak devasa gövdeyi havaya kaldırır. Yarış arabalarındaki "spoiler" yapıları ise bunun tam tersini yaparak, arabayı hızlandıkça yere daha sıkı bastırır. Bacaların rüzgarlı havalarda daha iyi çekmesi de yine bacanın tepesindeki hızlı hava akımının yarattığı alçak basınç sayesinde içerideki dumanı yukarı emmesiyle ilgilidir. Hatta bir parfüm şişesinin sprey mekanizması veya bir beyzbol topunun havada kavis çizmesi bile Bernoulli’nin o basit ama etkili "hız artarsa basınç düşer" ilkesine dayanır.
Özetle, bir bahçe şemsiyesinin rüzgarda uçma veya ters dönme eğilimi, şanssızlık veya kalitesiz malzeme sorunu değil, evrensel fizik yasalarının bir yansımasıdır. Bernoulli prensibi çerçevesinde, havanın hızlanarak oluşturduğu alçak basınç ile iç kısımdaki yüksek basınç arasındaki fark, şemsiyeyi bir kanat gibi davranmaya zorlar. Bu durumu kontrol altına almak ise ancak gelişmiş aerodinamik tasarımlar ve basınç tahliye sistemleri ile mümkündür. Bir sonraki rüzgarlı havada şemsiyenizle mücadele ederken, aslında ellerinizde bir uçak kanadı tuttuğunuzu ve doğanın devasa basınç dengeleriyle etkileşime girdiğinizi hatırlayabilirsiniz.
1954’te Sacettin Akaydın tarafından kurulan Akaydın Şemsiye, küçük bir çadır ve branda atölyesinden Türkiye’nin önde gelen şemsiye üreticilerinden biri haline gelmiştir. Rıfat ve Suat Akaydın kardeşlerin öncülüğünde büyüyen firma, bugün Çekmeköy’deki beş katlı tesisinde üretim yapmaktadır. 2009’da Suncool markasıyla markalaşan Akaydın Şemsiye, 2011’den bu yana fuarlarda yer almakta, ihracatı ve özgün tasarımlarıyla sektörde öncü konumunu sürdürmektedir.
