Реактивная сила

Реактивная сила — это выхлоп какой-либо машины, особенно самолета, который толкает сам объект в направлении, противоположном третьему закону Ньютона . Понимание реактивной силы необходимо для запуска дронов, спутников, ракет, самолетов и других летательных аппаратов.

Реактивная сила начинается с некоторой двигательной установки; в случае с ракетой это обычно какая-то система, выбрасывающая горючие газы снизу. Эта система отталкивания выталкивает эти молекулы газа в направлении, противоположном предполагаемому движению, так быстро, что противоположная сила, действующая на 180 ° от направления движения молекул газа (как таковая, в намеченном направлении движения), толкает ракету вверх. . Распространенным ошибочным предположением является то, что ракета поднимается в воздух, отталкиваясь от земли. Если бы это было так, ракета не смогла бы продолжать движение вверх после того, как самолет уже не находился близко к земле. Скорее, причиной движения является противодействующая сила выбрасываемых газов.

Тяга, подъемная сила, вес и сопротивление

Реактивную силу можно разделить на составляющие. «Вперед» компонент этой силы обычно называют тягой . ^{[ 1 ]} Восходящая составляющая реактивной силы называется подъемной силой . ^{[ 2 ]} Есть также две другие силы, влияющие на движение самолета. Сопротивление , которое также называют сопротивлением воздуха, — это сила, противодействующая движению. Таким образом, он действует против обоих компонентов реактивной силы (как тяги, так и подъемной силы). Четвертая и последняя сила — это сам вес, который действует прямо вниз.

Толкать

Для анализа тяги мы используем математическую перспективу.

Сначала самолет взлетает под некоторым углом к земле. Для ракеты, летящей прямо «вверх», этот угол будет составлять 90 ° или, по крайней мере, около 90 °. Для самолетов и большинства других летательных аппаратов этот угол будет намного меньше и обычно составляет от 0° до 60°. Мы определим этот угол как θ.
θ постоянно меняется по мере движения самолета. Однако в любой данный момент косинус этого угла θ даст нам компонент силы, действующей в прямом направлении. Умножение общей силы на этот косинус θ даст тягу: ${\text{Thrust}}={\text{Jet Force}}\times \cos \theta$

Поскольку угол θ находится в диапазоне от 0° до 90°, а косинус любого угла в этом диапазоне равен 0 ≤ cos θ≤ 1, тяга всегда будет меньше или равна реактивной силе, как и ожидалось, поскольку тяга является компонентом реактивной силы. реактивной силы.

Поднимать

Подобно нашему анализу тяги, мы начнем с математического подхода:

Мы определяем угол θ так же, как мы это делали на шаге 1 для тяги. Опять же, этот угол θ различен в любой момент времени.
Однако для подъемной силы мы ищем вертикальный компонент, а не передний компонент. Синус угла θ даст нам составляющую силы, действующую в вертикальной составляющей. Умножение реактивной силы на синус θ даст подъемную силу: ${\text{Lift}}={\text{Jet Force}}\times \sin \theta$

Подобно косинусу, синус угла в диапазоне от 0 ° до 90 ° всегда находится в диапазоне от нуля до единицы. Таким образом, подъемная сила также будет меньше реактивной силы. Что касается реактивной силы, подъемной силы и тяги, мы можем найти любой из них, если два других заданы по формуле расстояния. В данном случае это будет: ${\text{Jet Force}}={\sqrt {{\text{Thrust}}^{2}+{\text{Lift}}^{2}}}$

Таким образом, реактивная сила, тяга и подъемная сила неразрывно связаны.

Тащить

Сопротивление, или сопротивление воздуха, — это сила, противодействующая движению. Поскольку тяга — это сила, обеспечивающая «движение вперед», а подъемная сила — «движение вверх», сопротивление противодействует обеим этим силам. Сопротивление воздуха — это трение между самим воздухом и движущимся объектом (в данном случае самолетом). Расчет сопротивления воздуха гораздо сложнее, чем расчет тяги и подъемной силы: он зависит от материала самолета, скорости самолета и других переменных факторов. Однако ракеты и самолеты изготавливаются из материалов и имеют такую форму, которая минимизирует силу сопротивления и максимизирует силу, которая перемещает самолет вверх/вперед. ^{[ 3 ]}

Масса

Вес – это нисходящая сила, которую должен преодолеть подъемник, чтобы произвести движение вверх. На земле вес довольно легко вычислить: ${\text{Weight}}=mg$

В этом уравнении m представляет массу объекта, а g — ускорение, создаваемое силой тяжести. На Земле это значение составляет примерно 9,8 м/с в квадрате. Когда подъемная сила превышает силу веса, самолет ускоряется вверх.

Анализ с импульсом

Для расчета скорости судна за счет самой реактивной силы анализ импульса необходим . Сохранение импульса ^{[ 4 ]} заявляет следующее: $m_{1}v_{1}+m_{2}v_{2}=m_{1}v_{1f}+m_{2}v_{2f}$

В этой ситуации m ₁ представляет собой массу газа в двигательной установке, v ₁ представляет собой начальную скорость этого газа, m ₂ представляет собой массу ракеты и v ₂ представляет собой начальную скорость ракеты. На другом конце уравнения v _1f представляет конечную скорость газа, а v _2f представляет конечную скорость ракеты. Первоначально и газ в двигательной установке, и ракета неподвижны, в результате чего v ₁ и v ₂ равны 0. Таким образом, уравнение можно упростить до следующего: $0=m_{1}v_{1f}+m_{2}v_{2f}$

После более простой алгебры мы можем вычислить, что v ₂ (скорость ракеты) равна следующему: $v_{2f}=-{\frac {m_{1}v_{1}}{m_{2}}}$

Это дает нам скорость самолета сразу после взлета. Поскольку с этого момента мы знаем все силы, действующие на него, мы можем рассчитать чистое ускорение, используя второй закон Ньютона . ^{[ 5 ]} Учитывая скорость, с которой взлетает самолет, и ускорение в любой точке, скорость также можно рассчитать в любой заданной точке. ^{[ 6 ]}

Ссылки

^ «Что такое тяга?» . Исследовательский центр Гленна, НАСА . Проверено 6 ноября 2016 г.
^ «Четыре силы» . Как все летает . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 6 ноября 2016 г.
^ «Аэродинамика» . Как все летает . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 6 ноября 2016 г.
^ «Принцип сохранения импульса» . Кабинет физики . Проверено 6 ноября 2016 г.
^ Джим Лукас (27 сентября 2017 г.). «Сила, масса и ускорение: второй закон движения Ньютона» . Живая наука . Проверено 6 августа 2023 г.
^ «Какие кинематические формулы?» . Ханская академия . Проверено 6 ноября 2016 г.

[1] «Что такое тяга?» . Исследовательский центр Гленна, НАСА . Проверено 6 ноября 2016 г.

[2] «Четыре силы» . Как все летает . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 6 ноября 2016 г.

[3] «Аэродинамика» . Как все летает . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 6 ноября 2016 г.

[4] «Принцип сохранения импульса» . Кабинет физики . Проверено 6 ноября 2016 г.

[5] Джим Лукас (27 сентября 2017 г.). «Сила, масса и ускорение: второй закон движения Ньютона» . Живая наука . Проверено 6 августа 2023 г.

[6] «Какие кинематические формулы?» . Ханская академия . Проверено 6 ноября 2016 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]