Trauka (fizika) – jėga ir variklio stūmimas, matavimas niutonais
Trauka (fizika): jėga ir variklio stūmimas, matavimas niutonais — supraskite Niutono dėsnius, traukos panaudojimą varikliuose ir konversiją į svarus.
Trauka – tai jėga arba stūmimas, kurią vienas kūnas (pavyzdžiui, variklis, propeleris ar raketa) perduoda kitam, kad pagreitintų arba palaikytų judėjimą tam tikra kryptimi. Kai sistema stumia arba greitina masę viena kryptimi, tokia pat didelė trauka (jėga) veikia priešinga kryptimi. Matematiškai ir fiziškai šis reiškinys aprašomas antruoju ir trečiuoju Izaoko Niutono dėsniais, kurie susieja jėgą su pagreičiu ir sukeltu impulsu. Trauka vartojama apibūdinti, kaip stipriai stumia arba varo variklis ar propulsijos sistema; ją taikoma įvairiems transporto ir jėgos įrenginiams, pavyzdžiui, raketoms, motorinėms valtims, sraigtams ir reaktyviniams varikliams.
Apskaičiavimas ir fizikinis pagrindas
Fizikoje trauka yra vektorinė jėga, kurią galima paaiškinti impulsų tvermės dėsnio pagalba: stumdama išmetamuosius dujų srautą arba skysčio/oro srautą, variklio sistema pakeičia masės greitį ir taip sukuria į priešingą pusę nukreiptą jėgą. Raketų ir reaktyvinių variklių atveju pagrindinė traukos formulė yra
T = ṁ · v_e
čia ṁ – masės srautas (kg/s), v_e – išmetimo greitis (m/s). Tikroje situacijoje dažnai pridedamas ir išmetimo slėgio skirtumo terminas: T = ṁ · v_e + (p_e − p_a)·A_e, kur p_e – išmetimo slėgis, p_a – aplinkos (atmosferos) slėgis, A_e – išmetimo angos plotas.
Vienetai ir matavimas
Trauka metrinėje sistemoje matuojama niutonais (N). JAV ir dalyje kitų šalių praktikoje naudojamas „svaras traukos“ (angl. pound-force, lbf). Tiksli konversija: 1 lbf ≈ 4,448221615 N (dažnai suapvalinama iki ~4,45 N). Svaras traukos – tai tokia jėga, kuri Žemės paviršiuje prilygsta gravitacinei traukai veikiančiai vienam svarui masės.
Trauką praktiškai matuoja specialūs prietaisai: stendai su jėgos matuokliais (load cell), dinamometrai, įtempių matavimo davikliai (strain gauges) ir specialūs turbinos ar variklio bėgių stendai. Bandymų metu matavimai gali būti statiniai (variklis fiksuotas) arba dinaminiai (matuojama trauka skrydžio sąlygomis arba tunelyje).
Veislės ir ypatumai
- Statinė trauka – matuojama, kai variklis stovi vietoje (pvz., raketos paleidimo stende).
- Dinamika – trauka gali keistis priklausomai nuo aplinkos slėgio, oro tankio, variklio režimo ir greičio.
- Specifinis impulsas (Isp) – rodo, kiek efektyviai variklis paverčia reaktyvinę masę trauka; dažnai išreiškiamas sekundėmis arba kaip trauka vienetui degimo produktų masės srauto.
- Traukos ir svorio santykis – svarbus rodiklis kosminiuose paleidimuose: didesnis traukos/svorio santykis reiškia geresnį pagreitį ir galimybę įveikti gravitaciją.
Pavyzdžiai
Raketos: trauka gaunama iš aukšto greičio išmetamųjų dujų; raketų gamybos dokumentacijoje dažnai nurodomas tiek maksimali, tiek strograma trauka. Reaktyviniai varikliai (oro reakciniai) ir reaktoriai taip pat kuria trauką išmetdami dujas. Propeleriai (sraigtais) sukuria trauką veikdami kaip sparnai sukuriant slėgio skirtumą ir stumdami orą atgal; tą patį principą naudoja motorinės valtys (vandens propeleriai).
Praktiniai patarimai
Kalbant apie matavimą arba pirkimą, svarbu atskirti masės vienetus (pvz., svaras kaip masės matas) nuo jėgos vienetų (svaras traukos, lbf). Projektuojant variklius ar transporto priemones, traukos ir jos pokyčių prognozavimas padeda nustatyti reikalingą galingumą, kuro sąnaudas ir saugos rezervus.
Apibendrinant: trauka yra pagrindinė propulsijos koncepcija — tai jėga, kuri leidžia judėti ir manevruoti, ir ją galima kiekybiškai aprašyti fizikiniu lygčių ir praktinių matavimų pagalba.
Estes A10-PT raketinio variklio traukos kreivė. Traukos kreivė rodo, kokią trauką (niutonais) variklis sukuria per tam tikrą laiką (sekundėmis). Taip pat pateikiama informacija apie impulsą, degalų kiekį ir savitąjį impulsą.
Trauka, palyginti su galia
Labai dažnai užduodamas klausimas, kaip palyginti lėktuvo variklio traukos skaičių su stūmoklinio variklio mechanine galia (toks variklis yra automobiliuose ir daugelyje lėktuvų su propeleriais). Šiuos du variklius palyginti sunku. Taip yra todėl, kad matuojamas ne tas pats dalykas. Stūmoklinis variklis lėktuvo nejudina. Jis tik suka propelerį, kuris judina lėktuvą. Todėl stūmokliniai varikliai vertinami pagal tai, kokią galią jie suteikia propeleriui.
Tačiau reaktyvinis variklis neturi sraigto - jis stumia orlaivį judėdamas už jo esančiu karštu oru. Naudingas būdas reaktyvinio variklio galiai išmatuoti yra nustatyti, kokią galią reaktyvinis variklis suteikia lėktuvui dėl savo traukos jėgos. Tai vadinama "reaktyvinio variklio varomąja galia". Galia yra tai, kiek jėgos reikia, kad kažką perkeltume tam tikru atstumu, padalytos iš laiko, per kurį tas atstumas nueinamas:
P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}} 
,
Kur P - galia, F - jėga, d - atstumas, t - laikas. Raketos ar reaktyvinio variklio jėga yra tokia pati kaip variklio sukuriama trauka. Atstumas, padalytas iš laiko, dar vadinamas greičiu. Taigi galia yra tokia pati kaip trauka, padauginta iš greičio.
P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}} 
,
Kur T - trauka, o v - greitis. Tai galia, kurią variklis išvysto esant tam tikrai traukai arba greičiui. Reaktyvinio variklio traukos galia didėja didėjant greičiui.
Trauka, palyginti su svoriu
Kai raketos ar variklio trauka lyginama su svoriu, ji vadinama traukos ir svorio santykiu. Skaičius, gautas palyginus, neturi vienetų, nes tai yra santykis. Santykis šiuo atveju reiškia, kad variklio trauka (niutonais) dalijama iš svorio (niutonais). Šio palyginimo tikslas - parodyti, kaip gerai veikia variklis arba transporto priemonė, pavyzdžiui, koks yra pagreitis. Tai skaičius, kurį galima naudoti lyginant įvairių tipų variklius, pavyzdžiui, lėktuvų variklius, reaktyvinius variklius, raketų variklius ar automobilių variklius.
Šis lyginamasis skaičius gali keistis varikliui veikiant. Taip yra todėl, kad variklio svoris mažėja, kai naudojami degalai. Traukos ir svorio santykis, naudojamas varikliams faktiškai palyginti, yra skaičius, nustatytas varikliui pradėjus veikti.
Trauka JAV matuojama "traukos svarais", o pagal metrinę sistemą - niutonais. 4,45 niutono traukos prilygsta 1 svarui traukos. Svaras traukos - tai traukos jėga, kurios reikia, kad vieną svarą sveriantis objektas nejudėtų veikiamas gravitacijos jėgos Žemėje.
Pavyzdžiai
Lėktuvas sukuria priekinę trauką, kai oras stumiamas priešinga skrydžiui kryptimi. Trauką sukuria besisukančios oro sraigto mentės. Trauką taip pat gali sukelti besisukantis ventiliatorius, stumiantis orą iš reaktyvinio variklio galinės dalies. Dar vienas būdas - išmetant karštas dujas iš raketinio variklio.
Atbulinė trauka yra priešinga priekinei traukai. Tokiu būdu oras stumiamas taip pat, kaip ir kūno judėjimas. Atvirkštinė trauka gali būti naudojama stabdymui nusileidus. Tai galima padaryti nukreipiant turboreaktyvinio ar reaktyvinio variklio trauką arba keičiant sraigtiniu varikliu varomo orlaivio menčių kampą.
Paprastai paukščiai skrydžio metu trauką pasiekia plasnodami sparnais.
Valtis su varikliu sukuria trauką arba atvirkštinę trauką, kai sukant sraigtus vanduo stumiamas atgal (arba į priekį). Dėl šios traukos laivas stumiamas priešinga kryptimi, nei stumiamas vanduo.
Raketą į priekį stumia traukos jėga, kuri yra tokia pat didelė kaip jėga, kurią sukuria išmetamosios dujos, išeinančios iš raketos tūtos. Jėga, kurią sukuria išmetamosios dujos, vadinama išmetamųjų dujų greičiu. Greitis matuojamas lyginant su raketos greičiu. Kad vertikalus raketos paleidimas būtų sėkmingas, pradinė traukos jėga turi būti didesnė už raketos svorį.
| Variklis | Trauka (N) | Traukos ir svorio santykis |
| F-15C Eagle | 155,240 | 1.12 |
| F-16 Fighting Falcon | 76,300 | 1.095 |
| J-58 (SR-71 Blackbird reaktyvinis variklis) | 150,000 | 5.2 |
| "Boeing 747-400" (varikliai) | 1,008,000 | 6.3 |
| F-1 (Saturn V pirmosios pakopos raketos variklis) | 7,740,500 | 94.1 |
| Kelių variklių traukos ir traukos bei svorio santykis | ||
Jėgos, veikiančios aerodinaminio sparno skerspjūvį
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra trauka?
A: Trauka - tai jėga arba postūmis, atsirandantis, kai sistema stumia arba greitina masę viena kryptimi, o priešinga kryptimi sukelia tokią pat didelę jėgą.
K: Kaip trauka apibūdinama matematikoje ir fizikoje?
A: Antrasis ir trečiasis Izaoko Niutono dėsniai apibūdina traukos sąvoką matematikoje ir fizikoje.
K: Kokių rūšių transporto priemonėms ir varikliams taikoma trauka?
A: Trauka taikoma daugelio rūšių transporto priemonėms ir varikliams, pavyzdžiui, raketoms, motorinėms valtims, sraigtams ir reaktyviniams varikliams.
K: Kaip paprastai matuojama trauka JAV?
A.: JAV trauka matuojama "traukos svarais".
K: Kaip paprastai matuojama trauka metrinėje sistemoje?
A.: Metrinėje sistemoje trauka matuojama niutonais.
K: Kiek niutonų traukos prilygsta vienam svarui traukos?
A: 4,45 niutono traukos atitinka 1 svarą traukos.
K: Ką reiškia vienas svaras traukos?
Atsakymas: Vienas svaras traukos - tai traukos jėga, kurios reikia, kad vieno svaro svorio objektas nejudėtų veikiamas gravitacijos jėgos Žemėje.
Ieškoti