Jetkraft

Jetkraft är avgaserna från någon maskin, t.ex. flygplan som driver själva föremålet i motsatt riktning enligt Newtons tredje lag . En förståelse för jetstyrka är inneboende för uppskjutning av drönare, satelliter, raketer, flygplan och andra luftburna maskiner.

Jetkraft börjar med något framdrivningssystem; i fallet med en raket är detta vanligtvis något system som sparkar ut brännbara gaser från botten. Detta avstötningssystem trycker ut dessa gasmolekyler i motsatt riktning mot den avsedda rörelsen så snabbt att den motsatta kraften, som verkar 180° bort från den riktning som gasmolekylerna rör sig, (som sådan i den avsedda rörelseriktningen) trycker raketen uppåt. . Ett vanligt felaktigt antagande är att raketen höjs genom att trycka från marken. Om så vore fallet skulle raketen inte kunna fortsätta röra sig uppåt efter att flygplanet inte längre är nära marken. Snarare är den motsatta kraften av de utdrivna gaserna orsaken till rörelsen.

Här ser vi jetkraft i aktion, kraften som driver denna raket till start.

Drivkraft, lyft, vikt och drag

Jetkraften kan delas in i komponenter. Den "framåtgående" komponenten av denna kraft kallas allmänt för dragkraft . Den uppåtgående komponenten av jetkraften kallas lyft . Det finns också två andra krafter som påverkar flygplanets rörelse. Drag , som också kallas luftmotstånd, är den kraft som motverkar rörelse. Som sådan verkar den mot båda komponenterna i jetkraften (både dragkraften och lyften). Den fjärde och sista kraften är själva vikten, som verkar direkt nedåt.

Sticka

För att analysera dragkraft tar vi ett matematiskt perspektiv.

1. Först lyfter ett flygplan i någon vinkel i förhållande till marken. För en raket som färdas rakt "uppåt" skulle denna vinkel vara 90°, eller åtminstone nära 90°. För flygplan och de flesta andra flygplan kommer denna vinkel att vara mycket mindre, vanligtvis från 0° till 60°. Vi ska definiera denna vinkel som θ.
2. θ förändras ständigt när flygplanet rör sig. Vid varje givet ögonblick kommer emellertid cosinus för denna vinkel θ att ge oss komponenten av kraften som verkar i framåtriktningen. Att multiplicera den totala kraften med denna cosinus av θ skulle ge dragkraften:

$Thrust=JetForce*\cos \theta$

Eftersom θ sträcker sig från 0° till 90°, och cosinus för varje vinkel i detta område är 0 ≤ cos θ≤ 1, kommer dragkraften alltid att vara antingen mindre än eller lika med jetkraften - som förväntat, eftersom dragkraften är en komponent av jetkraften.

Hiss

I likhet med vår analys av dragkraft börjar vi med en matematisk blick:

1. Vi definierar vinkeln θ på samma sätt som vi gjorde i steg 1 för dragkraft. Återigen är denna vinkel θ olika vid varje given tidpunkt.
2. För lyft letar vi dock efter den vertikala komponenten, snarare än den främre komponenten. Sinus för vinkeln θ ger oss komponenten av kraften som verkar i vertikal komponent. Multiplicera jetkraften med sinus av θ ger lyftet:

$Lift=JetForce*\sin \theta$

I likhet med cosinus kommer sinuset för en vinkel som sträcker sig från 0° till 90° alltid mellan åtminstone noll och högst ett. Som sådan kommer lyftet också att vara mindre än jetkraften. Av jetkraft, lyftkraft och dragkraft kan vi hitta någon av dessa om de andra två ges med avståndsformeln. I det här fallet skulle det vara:

$\surd (JetForce)^{2}=\surd (Thrust^{2} +Lyft^{2})$

Som sådan är jetkraft, dragkraft och lyft i sig kopplade.

Drag

Drag, eller luftmotstånd, är en kraft som motverkar rörelse. Eftersom dragkraften är en kraft som ger "rörelse framåt" och, lyft en som producerar "rörelse uppåt", motverkar draget båda dessa krafter. Luftmotstånd är friktion mellan själva luften och det rörliga föremålet (i detta fall flygplanet). Beräkningen av luftmotstånd är mycket mer komplicerad än dragkraft och lyftkraft - det har att göra med flygplanets material, flygplanets hastighet och andra variabla faktorer. Raketer och flygplan är dock byggda med material och i former som minimerar dragkraften, vilket maximerar kraften som för flygplanet uppåt/framåt.

Vikt

Vikt är den nedåtgående kraft som lyftet måste övervinna för att producera uppåtgående rörelse. På jorden är vikten ganska lätt att beräkna:

$Weight=m*g$

I denna ekvation representerar m objektets massa och g är accelerationen som produceras av gravitationen. På jorden är detta värde cirka 9,8 m/s i kvadrat. När kraften för lyft är större än vikten accelererar flygplanet uppåt.

Analys med fart

För att beräkna fartygets hastighet på grund av själva jetkraften är analys av momentum nödvändig. Bevarande av momentum säger följande:

$m1v1+m2v2=m1v1f+m2v2f$

I denna situation representerar m1 massan av gasen i framdrivningssystemet, v1 representerar starthastigheten för denna gas, m2 representerar raketens massa och v2 representerar raketens initiala hastighet. I den andra änden av ekvationen representerar v1f gasens sluthastighet och v2f representerar raketens sluthastighet. Inledningsvis är både gasen i framdrivningssystemet och raketen stationära, vilket leder till att v1 och v2 är lika med 0. Som sådan kan ekvationen förenklas till följande:

$0=m1v1f+m2v2f$

Efter lite enklare algebra kan vi beräkna att v2 (raketens hastighet) är följande:

$v2f=-(m1v1)/m2$

Detta ger oss flygplanets hastighet direkt efter att det lyft. Eftersom vi känner till alla krafter som verkar på den från och med denna punkt, kan vi beräkna nettoacceleration med hjälp av Newtons andra lag . Givet hastigheten som flygplanet lyfter med och accelerationen vid vilken punkt som helst, kan hastigheten också beräknas vid vilken punkt som helst.