Työntövoima

Työntövoima on voima tai työntö. Kun järjestelmä työntää tai kiihdyttää massaa yhteen suuntaan, syntyy yhtä suuri työntövoima vastakkaiseen suuntaan. Matematiikassa ja fysiikassa tätä kuvaavat Isaac Newtonin toinen ja kolmas laki. Työntövoimaa käytetään kuvaamaan sitä, kuinka voimakkaasti moottori työntää. Sitä voidaan käyttää monenlaisissa ajoneuvoissa ja moottoreissa, kuten raketeissa, moottoriveneissä, potkureissa ja suihkumoottoreissa.

Työntövoima mitataan Yhdysvalloissa kiloina ja metrijärjestelmässä newtoneina. 4,45 newtonin työntövoima vastaa 1 paunaa työntövoimaa. Kilon työntövoima on se, kuinka paljon työntövoimaa tarvitaan pitämään kilon painoinen esine liikkumattomana maan painovoimaa vastaan.

Estes A10-PT -rakettimoottorin työntövoimakäyrä. Työntövoimakäyrä osoittaa, kuinka paljon työntövoimaa (newtoneina) moottori tuottaa ajan kuluessa (sekunteina). Tässä on myös tietoja impulssista, polttoaineen määrästä ja ominaisimpulssista.

Työntövoima verrattuna tehoon

Hyvin yleinen kysymys on, miten lentokoneen moottorin työntövoiman määrää voidaan verrata mäntämoottorin mekaaniseen tehoon (sellainen moottori, joka on autoissa ja monissa potkurilla varustetuissa lentokoneissa). Näitä kahta on vaikea verrata. Tämä johtuu siitä, että ne eivät mittaa täsmälleen samaa asiaa. Mäntämoottori ei liikuta lentokonetta. Se vain pyörittää potkuria, joka liikuttaa lentokonetta. Tämän vuoksi mäntämoottorit mitoitetaan sen mukaan, kuinka paljon tehoa ne antavat potkurille.

Suihkumoottorissa ei kuitenkaan ole potkuria - se työntää lentokonetta liikuttamalla kuumaa ilmaa sen takana. Suihkumoottorin tehoa voidaan mitata mittaamalla, kuinka paljon tehoa suihkumoottori antaa lentokoneelle työntövoimansa kautta. Tätä kutsutaan "suihkumoottorin työntövoimaksi". Teho on se, kuinka paljon voimaa tarvitaan jonkin asian liikuttamiseen tietyn matkan päähän jaettuna ajalla, joka kuluu tuon matkan kulkemiseen:

P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}}} $\mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}$ ,

P on teho, F on voima, d on etäisyys ja t on aika. Raketti- tai suihkumoottorissa voima on sama kuin moottorin tuottama työntövoima. Matkaa jaettuna ajalla kutsutaan myös nopeudeksi. Teho on siis sama kuin työntövoima kertaa nopeus.

P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}}} $\mathbf {P} =\mathbf {T} {v}$ ,

T on työntövoima ja v on nopeus. Tämä on moottorin tuottama teho tietyllä työntövoimalla tai nopeudella. Suihkumoottorin käyttövoima kasvaa nopeuden myötä.

Työntövoima suhteessa painoon

Kun raketin tai moottorin työntövoimaa verrataan painoon, sitä kutsutaan työntövoiman ja painon suhteeksi. Tämän vertailun tuloksena saatavalla luvulla ei ole yksiköitä, koska se on suhdeluku. Suhdeluku tarkoittaa tässä tapauksessa sitä, että moottorin työntövoima (newtoneina) jaetaan painolla (newtoneina). Tämän vertailun tarkoituksena on osoittaa, kuinka hyvin moottori tai ajoneuvo toimii, esimerkiksi kuinka suuri kiihtyvyys on. Kyseessä on luku, jota voidaan käyttää erityyppisten moottoreiden, kuten lentokoneen moottoreiden, suihkumoottoreiden, rakettimoottoreiden tai auton moottoreiden, vertailuun.

Tämä vertailuluku voi muuttua moottorin käydessä. Tämä johtuu siitä, että moottorin paino kevenee polttoaineen käytön myötä. Työntövoiman ja painon suhdelukua käytetään moottoreiden todelliseen vertailuun moottorin ollessa ensimmäistä kertaa käynnissä.

Esimerkkejä

Lentokoneen työntövoima kasvaa, kun ilmaa työnnetään lentosuuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan. Työntövoima syntyy potkurin pyörivistä siivistä. Työntövoimaa voidaan saada aikaan myös pyörivällä tuulettimella, joka työntää ilmaa ulos suihkumoottorin takaosasta. Toinen tapa on työntää kuumia kaasuja rakettimoottorista.

Käänteinen työntövoima on eteenpäin suuntautuvan työntövoiman vastakohta. Tällöin ilmaa työnnetään samalla tavalla kuin kehon liikettä. Käänteistä työntövoimaa voidaan käyttää jarrutuksessa laskeutumisen jälkeen. Tämä voidaan tehdä suuntaamalla työntövoima uudelleen turbofan- tai suihkumoottorissa tai muuttamalla potkurikäyttöisen lentokoneen lapakulmaa.

Linnut saavuttavat yleensä työntövoiman lennon aikana räpyttelemällä siipiään.

Moottorilla varustettu vene tuottaa työntövoimaa tai vastatyöntövoimaa, kun potkurit kääntyvät ja työntävät vettä taaksepäin (tai eteenpäin). Tämä työntövoima työntää venettä vastakkaiseen suuntaan kuin vettä työnnetään.

Rakettia työntää eteenpäin työntövoima, joka on yhtä suuri kuin raketin suuttimesta poistuvan pakokaasun aiheuttama voima. Pakokaasun aiheuttamaa voimaa kutsutaan pakokaasun nopeudeksi. Nopeus mitataan rakettiin verrattuna. Jotta raketin pystysuora laukaisu onnistuisi, käynnistys työntövoiman on oltava suurempi kuin raketin paino.

Moottori	Työntövoima (N)	Työntövoiman ja painon suhde
F-15C Eagle	155,240	1.12
F-16 Taisteluhaukka	76,300	1.095
J-58 (SR-71 Blackbirdin suihkumoottori)	150,000	5.2
Boeing 747-400 (moottorit)	1,008,000	6.3
F-1 (Saturn V:n ensimmäisen vaiheen rakettimoottori)	7,740,500	94.1
Työntövoima ja työntövoiman ja painon suhde useiden moottoreiden osalta

Lentokoneen poikkileikkaukseen kohdistuvat voimat

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on työntövoima?

V: Työntövoima on voima tai työntö, joka syntyy, kun järjestelmä työntää tai kiihdyttää massaa yhteen suuntaan, jolloin vastakkaiseen suuntaan syntyy yhtä suuri voima.

K: Miten työntövoimaa kuvataan matematiikassa ja fysiikassa?

V: Isaac Newtonin toinen ja kolmas laki kuvaavat työntövoiman käsitettä matematiikassa ja fysiikassa.

K: Millaisiin ajoneuvoihin ja moottoreihin työntövoimaa sovelletaan?

V: Työntövoimaa sovelletaan monenlaisiin ajoneuvoihin ja moottoreihin, kuten raketteihin, moottoriveneisiin, potkureihin ja suihkumoottoreihin.

K: Miten työntövoimaa yleensä mitataan Yhdysvalloissa?

V: Työntövoima mitataan Yhdysvalloissa "kiloina työntövoimaa".

K: Miten työntövoima tyypillisesti mitataan metrijärjestelmässä?

V: Metrijärjestelmässä työntövoima mitataan newtoneina.

K: Kuinka monta newtonia työntövoimaa vastaa yhtä paunaa työntövoimaa?

V: 4,45 newtonin työntövoima vastaa yhtä työntövoiman paunaa.

K: Mitä yksi työntövoiman paunaa vastaa?

V: Yksi työntövoimapaino vastaa työntövoimaa, joka tarvitaan pitämään kilon painoinen esine liikkumattomana painovoimaa vastaan maapallolla.