Empuje

Se está probando un motor de chorro Pratt & Whitney F100. Este motor produce un chorro de gas para generar empuje. Su propósito es impulsar un avión jet. Este modelo en particular potencia el motor de turbofan McDonnell Douglas F-15 y General Dynamics F-16 luchadores ambos.

Empuje es una fuerza de reacción descrita cuantitativamente por la tercera ley de Newton. Cuando un sistema expulsa o acelera masa en una dirección, la masa acelerada hará que se aplique una fuerza de igual magnitud pero en dirección opuesta a ese sistema. La fuerza aplicada sobre una superficie en una dirección perpendicular o normal a la superficie también se llama empuje. La fuerza, y por lo tanto el empuje, se mide usando el Sistema Internacional de Unidades (SI) en newtons (símbolo: N), y representa la cantidad necesaria para acelerar 1 kilogramo de masa a razón de 1 metro por segundo por segundo. En ingeniería mecánica, la fuerza ortogonal a la carga principal (como en los engranajes helicoidales paralelos) se denomina empuje estático.

Ejemplos

El sistema de propulsión de un avión de ala fija genera empuje hacia adelante cuando el aire es empujado en la dirección opuesta al vuelo. Esto se puede hacer por diferentes medios, como las palas giratorias de una hélice, el chorro propulsor de un motor a reacción o expulsando gases calientes de un motor de cohete. Se puede generar empuje inverso para ayudar a frenar después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de la hélice de paso variable o usando un inversor de empuje en un motor a reacción. Las aeronaves de ala giratoria utilizan rotores y vectorización de empuje Las aeronaves V/STOL utilizan hélices o empuje del motor para soportar el peso de la aeronave y proporcionar propulsión hacia adelante.

La hélice de una lancha motora genera empuje cuando gira y empuja el agua hacia atrás.

Un cohete es propulsado hacia adelante por un empuje de igual magnitud, pero de dirección opuesta, a la tasa de tiempo del cambio de cantidad de movimiento del gas de escape acelerado desde la cámara de combustión a través de la tobera del motor del cohete. Esta es la velocidad de escape con respecto al cohete, multiplicada por la tasa de tiempo a la que se expulsa la masa, o en términos matemáticos:

${displaystyle mathbf {T} =mathbf {v} {fnK} m}{mathrm {d} }$

Donde T es el empuje generado (fuerza), ${displaystyle {frac {mathrm}{mathrm {} t}} {f}} {f}}} {f}} {f}}} {f}}}}}}} {f}}}$ es la tasa de cambio de masa con respecto al tiempo (tasa de flujo de masa de escape), y v es la velocidad de los gases de escape medidos en relación con el cohete.

Para el lanzamiento vertical de un cohete, el empuje inicial en el despegue debe ser mayor que el peso.

Cada uno de los tres motores principales del transbordador espacial podría producir un empuje de 1,8 meganewton, y cada uno de los dos propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial 14,7 MN (3 300 000 lbf), juntos 29,4 MN.

Por el contrario, el Aid For EVA Rescue simplificado (SAFER) tiene 24 propulsores de 3,56 N (0,80 lbf) cada uno.

En la categoría de respiración de aire, el motor a reacción AMT-USA AT-180 desarrollado para aviones controlados por radio produce 90 N (20 lbf) de empuje. El motor GE90-115B instalado en el Boeing 777-300ER, reconocido por el Libro Guinness de los récords mundiales como el "motor a reacción comercial más potente del mundo" tiene un empuje de 569 kN (127 900 lbf) hasta que fue superado por el GE9X, instalado en el próximo Boeing 777X, con 609 kN (134 300 lbf).

Conceptos

Empuje al poder

El poder necesario para generar empuje y la fuerza del empuje puede estar relacionado de manera no lineal. En general, ${displaystyle mathbf {} {2}propto mathbf {T}$. La constante de proporcionalidad varía, y se puede resolver para un flujo uniforme, donde ${displaystyle v_{infty}$ es la velocidad del aire entrante, ${displaystyle V_{d}$ es la velocidad en el disco del actuador, y ${displaystyle v_{f}$ es la velocidad de salida final:

${displaystyle {frac {m}m}{mathrm {d}.$

${displaystyle mathbf {T} ={frac {mathrm {d} m}{mathrm {d} {f} {f} {f}} {f}} {f}}} {f}} {f}} {f}}} {f}}.$

${displaystyle mathbf {f} {f} {f} {m}} {m} {m} {m} {m} t} {f} {f}} {ccf}cccc}}cccc}}}mthbff}} {ccH0} {c}}} {c}}} {c}}}}}}}}}}}}}}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m}mmmm}mm}m}mmmmm}mmmmmmm}mm}mmm}mmmmmm}mmm}mm}mmmmmmm}mmm}m}m} {P} =mathbf {T} v_{d}$

Resolviendo la velocidad del disco, ${displaystyle V_{d}$, entonces tenemos:

${displaystyle [V_{d}={frac {1} {2} {v_{f}-v_{infty}}}$

Cuando el aire entrante se acelera de una parada – por ejemplo cuando se mueve – entonces ${displaystyle v_{infty}=0}$, y podemos encontrar:

${displaystyle mathbf {T} ={2}rho A{v_{f} {2},mathbf {P} ={4} {4}rho A{v_{f}} {3}}} {3}}}} {c}}}} {c}}} {c}}}}}} {c}}}} {c}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Desde aquí podemos ver ${displaystyle mathbf {} {2}propto mathbf {T}$ relación, encontrar:

${displaystyle mathbf {fnMicrosoft} {T} {3}{2rho A}$

La inversa de la constante proporcionalidad, la "eficiencia" de un propulsor de otro modo perfecto, es proporcional a la zona de la sección transversal del volumen propulsado de fluido (${displaystyle A}$) y la densidad del fluido (${displaystyle rho }$). Esto ayuda a explicar por qué moverse a través del agua es más fácil y por qué los aviones tienen hélices mucho más grandes que las naves.

Empuje a potencia propulsora

Una pregunta muy común es cómo comparar la clasificación de empuje de un motor a reacción con la clasificación de potencia de un motor de pistón. Tal comparación es difícil, ya que estas cantidades no son equivalentes. Un motor de pistón no mueve la aeronave por sí mismo (la hélice lo hace), por lo que los motores de pistón generalmente se clasifican por la cantidad de potencia que entregan a la hélice. Excepto por los cambios de temperatura y presión del aire, esta cantidad depende básicamente del ajuste del acelerador.

Un motor a reacción no tiene hélice, por lo que la potencia de propulsión de un motor a reacción se determina a partir de su empuje de la siguiente manera. La potencia es la fuerza (F) que se necesita para mover algo una cierta distancia (d) dividida por el tiempo (t) que se necesita para mover esa distancia:

${fnMicrosoft} {d} {t}}$

En el caso de un cohete o un avión a reacción, la fuerza es exactamente el empuje (T) producido por el motor. Si el cohete o el avión se mueve aproximadamente a una velocidad constante, entonces la distancia dividida por el tiempo es solo la velocidad, por lo que la potencia es el empuje por la velocidad:

${displaystyle mathbf {P} = 'Mathbf {T} {v} {}$

Esta fórmula parece muy sorprendente, pero es correcta: la potencia propulsora (o potencia disponible) de un motor a reacción aumenta con su velocidad. Si la velocidad es cero, entonces la potencia propulsora es cero. Si un avión a reacción está a toda velocidad pero conectado a un banco de pruebas estático, entonces el motor a reacción no produce potencia de propulsión, sin embargo, todavía se produce empuje. La combinación motor de pistón-hélice también tiene una potencia propulsora con exactamente la misma fórmula, y también será cero a velocidad cero, pero eso es para el conjunto motor-hélice. El motor por sí solo continuará produciendo su potencia nominal a un ritmo constante, ya sea que la aeronave esté en movimiento o no.

Ahora, imagina que la fuerte cadena se rompe y el jet y el avión de pistón comienzan a moverse. A bajas velocidades:

El motor del pistón tendrá una potencia constante del 100%, y el empuje de la hélice variará con velocidad
El motor jet tendrá un impulso constante del 100%, y la potencia del motor variará con velocidad

Exceso de empuje

Si un avión propulsado genera empuje T y experimenta resistencia D, la diferencia entre los dos, T − D, se denomina exceso de empuje. El rendimiento instantáneo de la aeronave depende principalmente del exceso de empuje.

El exceso de empuje es un vector y se determina como la diferencia vectorial entre el vector de empuje y el vector de arrastre.

Eje de empuje

El eje de empuje de un avión es la línea de acción del empuje total en cualquier instante. Depende de la ubicación, número y características de los motores a reacción o hélices. Suele diferir del eje de arrastre. Si es así, la distancia entre el eje de empuje y el eje de arrastre provocará un momento que debe ser resistido por un cambio en la fuerza aerodinámica sobre el estabilizador horizontal. En particular, el Boeing 737 MAX, con motores más grandes y más bajos que los modelos 737 anteriores, tenía una mayor distancia entre el eje de empuje y el eje de arrastre, lo que provocaba que la nariz se elevara en algunos regímenes de vuelo, lo que requería un sistema de control de cabeceo. MCAS. Las primeras versiones de MCAS fallaron en vuelo con consecuencias catastróficas, lo que provocó la muerte de más de 300 personas en 2018 y 2019.