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.

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?

V: Kako je potisk opisan v matematiki in fiziki?

V: Za katere vrste vozil in motorjev se uporablja potisk?

V: Kako se običajno meri potisk v ZDA?

V: Kako se običajno meri potisk v metričnem sistemu?

V: Koliko njutonov potiska je enako enemu funtu potiska?

V: Kaj pomeni en funt potiska?

Išči po črki