Тяга (физика): определение, мерни единици (ньютон, паунд) и приложения
Тяга (физика): ясно определение, мерни единици (ньютон, паунд), преобразувания и приложения в ракети, двигатели и транспорт — лесно и точно обяснено.
Тягата е сила, която се проявява при изтласкване на тяло или газ в една посока; поради принципа на действие и противодействие, когато една система изтласква или ускорява маса в една посока, в противоположната посока се появява равна по големина тяга. Това се формулира от втория и третия закон на Исак Нютон и е основен принцип за работа на всички реактивни и пропулсивни системи. Тягата описва колко „силно“ бута или дърпа един двигател или устройство.
Мерни единици
В международната система (SI) тяга се измерва в нютони (N). В англоезичните страни и особено в авиацията и корабостроенето често се използва и паунд сила (lbf), известен в разговорен език като „паунд тяга“. Преобразуването между двете единици е:
- 1 lbf (паунд сила) ≈ 4.44822 N
- 1 N ≈ 0.224809 lbf
Важно уточнение: 1 lbf е дефиниран като силата, необходима за да се поддържа маса от 1 фунт (avoirdupois) в покой при стандартно гравитационно ускорение. Един фунт маса е приблизително 0.45359237 kg, така че да се задържи маса от 1 kg срещу тежестта на Земята е необходимо около 9.81 N, което е ≈ 2.20462 lbf.
Физична формула (за ракетна тяга)
За реактивни двигатели и ракети общият израз за тяга (F) включва импулса от изхвърления масов поток и динамичното налягание на изхода:
F = ṁ · v_e + (p_e − p_a) · A_e
където ṁ е масовият поток на изхвърляните продукти, v_e — относителната скорост на изхвърляне (ефективна скорост на изпускане), p_e и p_a са наляганията на изхода и на околната среда, а A_e е площта на дюзата. При пропелери и винтове основната компонента на тягата идва от промяна на скоростта на въздуха или вода, която те предизвикват.
Приложения и измерване
Тягата е ключов параметър при проектирането и избора на двигатели и задвижващи системи. Примери за приложения:
- Ракети и балистични и космически апарати;
- Моторни лодки и корабни винтове;
- Витла и пропелери за самолети и плавателни съдове;
- Реактивни двигатели и турбореактивни установки за самолети.
Тягата може да се измерва статично (при неподвижен апарат — „статична тяга“) и динамично (при движение). За измерване се използват специални стендове за тяга (thrust stands), рамки с динамометри и сензори, които улавят вектора и стойността на силата.
Практически бележки
- Тяга и мощност са свързани, но различни понятия: тяга е сила (N), а мощността (W) зависи от скоростта при която тя се прилага (мощност = тяга × скорост).
- За малки модели и хоби-проекти тяга се дава в нютони или грамове сила; за големи ракети и двигатели често се използват кН (килонютони) или МN (меганютони).
- При сравняване на двигатели е полезно да се гледа и специфичният импулс (specific impulse, Isp), който дава представа за ефективността на преобразуване на горивото в тяга.
Тягата е в основата на движението на много машини и превозни средства, от малки пропелери за дронове до големи ракетни първични ускорители; разбирането ѝ и правилното измерване са ключови за безопасността и ефективността на техните системи.
Крива на тягата за ракетен двигател Estes A10-PT. Кривата на тягата показва каква тяга (в нютони) произвежда двигателят за определен период от време (в секунди). Тя също така съдържа информация за импулса, количеството гориво и специфичния импулс.
Тяга в сравнение с мощност
Много често срещан въпрос е как да се сравни тягата на самолетен двигател с механичната мощност на бутален двигател (двигателят в автомобилите и в много самолети с витла). Трудно е да се сравнят тези два вида двигатели. Това е така, защото те не измерват точно едно и също нещо. Буталният двигател не движи самолета. Той само завърта витлото, което движи самолета. Поради тази причина буталните двигатели се оценяват по това каква мощност дават на витлото.
Реактивният двигател обаче няма витло - той задвижва самолета, като движи горещ въздух зад себе си. Полезен начин за измерване на мощността на реактивен двигател е да се определи каква мощност дава реактивният двигател на въздухоплавателното средство чрез силата на тягата си. Това се нарича "двигателна сила на реактивния двигател". Мощността е каква сила е необходима, за да се премести нещо на определено разстояние, разделена на времето, необходимо за преместването на това разстояние:
P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}} 
,
Където P е мощност, F е сила, d е разстояние, а t е време. За ракетен или реактивен двигател силата е същата като тягата, произвеждана от двигателя. Разстоянието, разделено на времето, се нарича още скорост. Така че мощността е равна на тягата, умножена по скоростта.
P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}} 
,
Където T е тягата, а v е скоростта. Това е мощността, която се подава от двигателя при определена тяга или скорост. Мощността на реактивния двигател се увеличава със скоростта му.
Теглителна сила в сравнение с теглото
Когато тягата на ракета или двигател се сравнява с теглото, това се нарича съотношение тяга/тегло. Числото, което се получава от това сравнение, няма единици, защото е съотношение. Съотношението в този случай означава, че тягата на двигателя (в нютони) е разделена на теглото (в нютони). Целта на това сравнение е да се покаже колко добре се представя двигателят или превозното средство, например какво е ускорението. Това е число, което може да се използва за сравняване на различни видове двигатели, като например самолетни двигатели, реактивни двигатели, ракетни двигатели или автомобилни двигатели.
Това сравнително число може да се промени, докато двигателят работи. Това се дължи на факта, че теглото на двигателя намалява с използването на гориво. Съотношението тяга/тегло се използва за реално сравнение на двигателите, като това е числото, установено при първата работа на двигателя.
В САЩ тягата се измерва в "паунди тяга", а в метричната система - в нютони. 4,45 нютона тяга се равняват на 1 паунд тяга. Един паунд тяга означава колко тяга би била необходима, за да се задържи един килограмов обект неподвижен срещу силата на гравитацията на Земята.
Примери
Самолетът създава тяга напред, когато въздухът се изтласква в посока, обратна на полета. Тягата се създава от въртящите се лопатки на витлото. Тяга може да се създаде и от въртящ се вентилатор, който изтласква въздуха от задната част на реактивния двигател. Друг начин е чрез изхвърляне на горещи газове от ракетен двигател.
Обратната тяга е противоположна на тягата напред. По този начин въздухът се изтласква по същия начин, както движението на тялото. Обратната тяга може да се използва за подпомагане на спирането след кацане. Това може да стане чрез пренасочване на тягата в турбовентилационен или реактивен двигател или чрез промяна на ъгъла на лопатките на самолет с витло.
Птиците обикновено постигат тяга по време на полет, като размахват крилата си.
Лодка с двигател създава тяга или обратна тяга, когато витлата се завъртат, за да изтласкат водата назад (или напред). Тази тяга тласка лодката в посока, обратна на посоката, в която се тласка водата.
Ракетата се изтласква напред със сила на тягата, която е толкова голяма, колкото е силата на изгорелите газове при излизане от дюзата на ракетата. Силата, която изхвърлят изгорелите газове, се нарича скорост на изгорелите газове. Скоростта се измерва в сравнение с ракетата. За да се осъществи вертикално изстрелване на ракета, началната тяга трябва да е по-голяма от теглото на ракетата.
| Двигател | Теглителна сила (N) | Съотношение на тягата към теглото |
| F-15C Eagle | 155,240 | 1.12 |
| F-16 Fighting Falcon | 76,300 | 1.095 |
| J-58 (реактивен двигател на SR-71 Blackbird) | 150,000 | 5.2 |
| Boeing 747-400 (двигатели) | 1,008,000 | 6.3 |
| F-1 (двигател за първата степен на ракетата Saturn V) | 7,740,500 | 94.1 |
| Съотношения на тягата и тягата към теглото за няколко двигателя | ||
Сили върху напречното сечение на аероплан
Въпроси и отговори
В: Какво е тяга?
О: Тягата е сила или тласък, който се появява, когато дадена система избутва или ускорява маса в една посока, в резултат на което се появява също толкова голяма сила в противоположната посока.
В: Как се описва тягата в математиката и физиката?
О: Вторият и третият закон на Исак Нютон описват понятието "тяга" в математиката и физиката.
В: За какви видове превозни средства и двигатели се прилага тягата?
О: Тягата се прилага за много видове превозни средства и двигатели, като ракети, моторни лодки, витла и реактивни двигатели.
В: Как обикновено се измерва тягата в САЩ?
О: В САЩ тягата се измерва в "паунди тяга".
В: Как обикновено се измерва тягата в метричната система?
О: В метричната система тягата се измерва в нютони.
В: Колко нютона тяга се равняват на един паунд тяга?
О: 4,45 нютона тяга се равняват на 1 паунд тяга.
В: Какво представлява един фунт тяга?
О: Един паунд тяга представлява количеството тяга, което е необходимо, за да се задържи един килограмов обект неподвижен срещу силата на гравитацията на Земята.
обискирам