Potisk: definicija, fizika, enote in uporaba pri raketah ter motorjih
Potisk: jasna definicija, fizikalni principi, enote (N, lbf) in praktična uporaba pri raketah ter motorjih — vsebinski vodnik za inženirje in navdušence.
Potisk (angl. thrust) je v osnovi sila, ki deluje na vozilo ali motor v nasprotni smeri izmetu mase ali zraka. Ko sistem potiska ali pospešuje maso v eni smeri, se z isto silo v nasprotni smeri odzove vozilo — to je neposredna posledica drugi in tretji zakon Isaaca Newtona. Potisk tako opisuje, kako močno motor ali pogon "potiska" plovilo, letalo ali raketo; uporablja se za rakete, motorni čolni, propelerji in reaktivni motorji, pa tudi za turbofane, turboventilatorje in druge pogonske sisteme.
Fizika potiska
Temeljna zveza, ki povezuje potisk in premik vozila, je drugi Newtonov zakon: F = m · a, kjer je F sila (potisk), m masa vozila in a pospešek. Če smo z motorjem zmožni razviti potisk T, je teoretični pospešek vozila (ob zanemarjanju upora in težnosti) a = T / m.
Pri raketnih motorjih se potisk običajno izračuna z natančnejšo enačbo, ki upošteva izmet plinov in razlike tlakov:
- T = ṁ · v_e + (p_e − p_a) · A_e
kjer je ṁ masa plina, ki jo izmet motorja na sekundo (mass flow), v_e efektivna izstopna hitrost izmeta glede na motor, p_e je tlak na izhodu šobe, p_a je atmosferski tlak, in A_e je površina odprtine šobe. Prvi člen (ṁ · v_e) je posledica spremembe gibalne količine, drugi člen pa predstavlja dodatni potisk zaradi tlačnega razmerja med izhodom šobe in okoljem — ta člen je pomemben pri nižjih višinah, v vakuumu pa je p_a = 0.
Enote in pretvorbe
V mednarodnem sistemu enot (SI) se potisk meri v njutonih (N). V ZDA in nekaterih drugih državah se uporablja funt potiska (pound-force, lbf). Pretvorba je:
- 1 lbf ≈ 4,448221615 N (pogosto zaokroženo na 4,45 N)
V praksi to pomeni, da motor z močjo 1000 lbf razvije približno 4 448 N potiska.
Pričakovana uporaba izraza in pomembni pojmi
Specifični potisk oziroma efektivna izstopna hitrost se pogosto meri z izrazom specifični impulz (Isp), ki pove, koliko časa lahko 1 kg goriva proizvede enoto potiska, in se v raketništvu običajno izraža v sekundah. Povezava z efektivno izstopno hitrostjo je: Isp = v_e / g0, kjer je g0 standardna gravitacija (≈ 9,80665 m/s²).
Razmerje potisk/masa (thrust-to-weight ratio) je ključna zmogljivostna metrika: T/W, kjer je W teža vozila (v N). Večje razmerje pomeni večji začetni pospešek in bolje zmogljivost pri vzletu ali manevriranju.
Potisk pri različnih pogonih
- Raketni motorji: Potisk izvira iz izmeta soproči plinov z visoko hitrostjo. Ker raketa nosi lastno oksidant, učinkovitost merimo z Isp in efektivno hitrostjo izmeta.
- Reaktivni motorji in turbofani: Potisk nastane zaradi spremembe impulza zraka, ki ga motor pospeši in izmetne nazaj. Pri turbofanih večji delež zraka obkroži jedro motorja, kar vpliva na specifičen potisk in porabo goriva.
- Propelerji in vijaki: Ti proizvajajo potisk s prisilnim premikom zraka ali vode; učinkovitost je odvisna od oblike lopatic, hitrosti vrtenja in gostote medija.
Merjenje in dejanski pogoji
Potisk se meri na testnih stojalih s senzorji sile (thrust stands). Pomembno je razlikovati:
- statni potisk — izmerjen ko je vozilo nepremično (npr. stojnica za raketni motor),
- dynamčni potisk — med premikanjem, ko se pojavi spreminjanje dovoda zraka, dinamični tlak in upori okolja.
Pri realnih pogojih sta atmosfera (p_a) in vodna gostota za plovila pomembna: potisk v vakuumu (nad atmosfero) se po navadi poveča, ker izpušni tlak nima nasprotnega atmosferskega tlaka. Zato so raketne šobe pogosto optimizirane za določeno višino ali za večini letenja kompromisne oblike.
Zaključek
Potisk je temeljni pojem v mehaniki pogonskih sistemov: opisuje silo, s katero motor ustvarja napor za premik vozila. Razumevanje zveze med maso, hitrostjo izmeta, masnim tokom in tlaki je ključno za načrtovanje učinkovitih raket in motorjev ter za pravilno merjenje in primerjavo različnih pogonov.


Krivulja potiska za raketni motor Estes A10-PT. Krivulja potiska prikazuje, koliko potiska (v njutonih) proizvede motor v določenem času (v sekundah). Vsebuje tudi informacije o impulzu, količini goriva in specifičnem impulzu.
Potisk v primerjavi z močjo
Zelo pogosto vprašanje je, kako primerjati potisno število letalskega motorja z mehansko močjo batnega motorja (motor v avtomobilih in številnih letalih s propelerji). Težko ju je primerjati. Razlog za to je, da ne merita iste stvari. Batni motor ne premika letala. Vrti le propeler, ki premika letalo. Zato se batni motorji ocenjujejo po tem, koliko moči dajo propelerju.
Vendar pa reaktivni motor nima propelerja - potiska letalo tako, da za seboj premika vroč zrak. Zmogljivost reaktivnega motorja lahko merimo tako, da ugotovimo, koliko moči reaktivni motor s svojo potisno silo preda letalu. To se imenuje "pogonska moč reaktivnega motorja". Moč je, koliko sile je potrebno, da se nekaj premakne na določeno razdaljo, deljeno s časom, ki je potreben za premik te razdalje:
P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}} ,
Pri čemer je P moč, F sila, d razdalja in t čas. Pri raketnem ali reaktivnem motorju je sila enaka potisku, ki ga proizvede motor. Razdalja, deljena s časom, se imenuje tudi hitrost. Torej je moč enaka potisku, pomnoženemu s hitrostjo.
P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}} ,
Pri čemer je T potisk, v pa hitrost. To je moč, ki jo zagotavlja motor pri določenem potisku ali hitrosti. Pogonska moč reaktivnega motorja se povečuje s hitrostjo.
Potisk v primerjavi s težo
Če potisk rakete ali motorja primerjamo s težo, ga imenujemo razmerje med potiskom in težo. Število, ki ga dobimo s to primerjavo, nima enot, ker je razmerje. Razmerje v tem primeru pomeni, da je potisk motorja (v njutonih) deljen z maso (v njutonih). Namen te primerjave je pokazati, kako dobro deluje motor ali vozilo, na primer kakšen je pospešek. Gre za število, ki se lahko uporablja za primerjavo različnih vrst motorjev, kot so letalski motorji, reaktivni motorji, raketni motorji ali avtomobilski motorji.
Ta primerjalna številka se lahko med delovanjem motorja spremeni. Razlog za to je, da se masa motorja s porabo goriva zmanjšuje. Za dejansko primerjavo motorjev se uporablja razmerje med potiskom in maso, ki je bilo ugotovljeno ob prvem zagonu motorja.
V ZDA se potisk meri v "funtih potiska", v metričnem sistemu pa v njutonih. 4,45 njutona potiska je enako 1 funtu potiska. Libra potiska je količina potiska, ki je potrebna, da se kilogramski predmet ne premakne proti sili težnosti na Zemlji.
Primeri
Letalo ustvarja potisk naprej, ko zrak potiska v smeri, nasprotni letu. Potisk ustvarjajo vrteče se lopatice propelerja. Potisk lahko ustvarja tudi vrteči se ventilator, ki potiska zrak z zadnje strani reaktivnega motorja. Drugi način je izmetavanje vročih plinov iz raketnega motorja.
Povratni potisk je nasprotje potiska naprej. Tako se zrak potiska na enak način kot gibanje telesa. Obratni potisk se lahko uporablja za zaviranje po pristanku. To lahko storimo s preusmeritvijo potiska v turboventilatorskem ali reaktivnem motorju ali s spremembo kota lopatic propelerskega letala.
Ptice med letenjem običajno dosežejo potisk z mahanjem s krili.
Čoln z motorjem ustvarja potisk ali vzvratni potisk, ko se vrtijo propelerji in potiskajo vodo nazaj (ali naprej). Ta potisk potiska čoln v nasprotni smeri, kot se potiska voda.
Raketo potiska naprej potisna sila, ki je tako velika kot sila, ki jo povzročajo izpušni plini, ko gredo iz šobe rakete. Sila, ki jo povzročajo izpušni plini, se imenuje hitrost izpušnih plinov. Hitrost se meri v primerjavi z raketo. Da bi navpični izstrelitev rakete delovala, mora biti začetna potisna sila večja od teže rakete.
Motor | Potisk (N) | Razmerje med potiskom in maso |
F-15C Eagle | 155,240 | 1.12 |
F-16 Fighting Falcon | 76,300 | 1.095 |
J-58 (reaktivni motor SR-71 Blackbird) | 150,000 | 5.2 |
Boeing 747-400 (motorji) | 1,008,000 | 6.3 |
F-1 (motor prve stopnje rakete Saturn V) | 7,740,500 | 94.1 |
Razmerja med potiskom in potiskom ter maso za več motorjev |


Sile na prerez aerodinamičnega krila
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je thrust?
O: Navor je sila ali potisk, ki nastane, ko sistem potiska ali pospešuje maso v eni smeri, kar povzroči enako veliko silo v nasprotni smeri.
V: Kako je potisk opisan v matematiki in fiziki?
O: Drugi in tretji zakon Isaaca Newtona opisujeta pojem potiska v matematiki in fiziki.
V: Za katere vrste vozil in motorjev se uporablja potisk?
O: Potisk velja za številne vrste vozil in motorjev, kot so rakete, motorni čolni, propelerji in reaktivni motorji.
V: Kako se običajno meri potisk v ZDA?
O: V ZDA se potisk meri v "funtih potiska".
V: Kako se običajno meri potisk v metričnem sistemu?
O: V metričnem sistemu se potisk meri v njutonih.
V: Koliko njutonov potiska je enako enemu funtu potiska?
O: 4,45 njutona potiska je enako 1 funtu potiska.
V: Kaj pomeni en funt potiska?
O: En funt potiska predstavlja količino potiska, ki je potrebna, da se kilogramski predmet ne premakne proti sili težnosti na Zemlji.
Iskati