Реактивная сила - Jet force

Реактивная сила это выхлоп от какой-то машины, особенно. самолет, толкающий сам объект в противоположном направлении согласно Третий закон Ньютона. Понимание реактивной силы является неотъемлемой частью запуска дронов, спутников, ракет, самолетов и других бортовых машин.

Реактивная сила начинается с какой-то двигательной установки; в случае с ракетой это обычно некая система, выбрасывающая горючие газы снизу. Эта отталкивающая система 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 предполагаемом направлении движения), толкает ракету вверх. . Распространенное ошибочное предположение состоит в том, что ракета поднимается, отталкиваясь от земли. Если бы это было так, ракета не могла бы продолжать движение вверх после того, как самолет больше не приближался к земле. Скорее, противоположная сила выходящих газов является причиной движения.

Здесь мы видим действие реактивной силы, силы, которая заставляет эту ракету взлетать.

Тяга, подъем, вес и сопротивление

Реактивную силу можно разделить на составляющие. «Передний» компонент этой силы обычно называют толкать.^[1] Восходящая составляющая реактивной силы обозначается как поднимать.^[2] Есть также две другие силы, которые влияют на движение самолета. Тащить, которое также называют сопротивлением воздуха, - это сила, препятствующая движению. Таким образом, он действует против обеих составляющих реактивной силы (как тяги, так и подъемной силы). Четвертая и последняя сила - это сам груз, который действует прямо вниз.

Толкать

Чтобы проанализировать тягу, мы возьмем математическую перспективу.

Сначала самолет взлетает под некоторым углом по отношению к земле. Для ракеты, летящей прямо «вверх», этот угол будет 90 ° или, по крайней мере, близок к 90 °. Для самолетов и большинства других самолетов этот угол будет намного меньше, обычно от 0 ° до 60 °. Мы определим этот угол как θ.
θ постоянно меняется при движении 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:

${ displaystyle Thrust = JetForce * cos theta}$

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

Поднимать

Подобно нашему анализу тяги, мы начинаем с математического рассмотрения:

Мы определяем угол θ так же, как в 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 вертикальном направлении. Умножение реактивной силы на синус θ даст подъемную силу:

${ displaystyle Lift = JetForce * sin theta}$

Как и в случае с косинусом, синус угла в диапазоне от 0 ° до 90 ° всегда будет между минимумом нуля и максимум единицей. Таким образом, подъемная сила также будет меньше реактивной силы. Из реактивной силы, подъемной силы и тяги мы можем найти любой из них, если два других заданы с использованием формулы расстояния. В этом случае это будет:

${ displaystyle surd (JetForce) ^ {2} = surd (Thrust ^ {2} + Lift ^ {2})}$

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

Тащить

Торможение или сопротивление воздуха - это сила, препятствующая движению. Поскольку тяга - это сила, обеспечивающая «движение вперед», а подъемная сила, которая вызывает «движение вверх», сопротивление противодействует обеим этим силам. Сопротивление воздуха - это трение между самим воздухом и движущимся объектом (в данном случае самолетом). Расчет сопротивления воздуха намного сложнее, чем сопротивление тяги и подъемной силы - он зависит от материала самолета, скорости самолета и других переменных факторов. Однако ракеты и самолеты построены из материалов и имеют формы, которые минимизируют силу сопротивления, максимизируя силу, которая перемещает самолет вверх / вперед.^[3]

Масса

Вес - это направленная вниз сила, которую лифт должен преодолеть, чтобы совершить движение вверх. На Земле вес рассчитать довольно просто:

${ displaystyle Weight = m * g}$

В этом уравнении m представляет собой массу объекта, а g - ускорение свободного падения. На Земле это значение составляет примерно 9,8 м / с в квадрате. Когда подъемная сила больше, чем сила веса, самолет ускоряется вверх.

Анализ с импульсом

Для расчета скорости судна за счет самой реактивной силы анализ импульс необходимо. Сохранение импульса^[4] заявляет следующее:

${ displaystyle m1v1 + m2v2 = m1v1f + m2v2f}$

В этой ситуации m1 представляет массу газа в двигательной установке, v1 представляет начальную скорость этого газа, m2 представляет массу ракеты, а v2 представляет собой начальную скорость ракеты. На другом конце уравнения v1f представляет собой конечную скорость газа, а v2f представляет собой конечную скорость ракеты. Первоначально и газ в двигательной установке, и в ракете неподвижны, в результате чего v1 и v2 равны 0. Таким образом, уравнение можно упростить до следующего:

${ displaystyle 0 = m1v1f + m2v2f}$

После некоторой более простой алгебры мы можем вычислить, что v2 (скорость ракеты) имеет следующий вид:

${ displaystyle v2f = - (m1v1) / m2}$

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