Skubkraft (thrust): Hvad er det? Enheder, eksempler og anvendelser
Lær om skubkraft (thrust): definition, Newtons love, enheder (newton/pund), eksempler og anvendelser i raketter, jetmotorer, propeller og andre fremdriftssystemer.
Thrust er en kraft eller et skub. Når et system skubber eller accelererer en masse i én retning, er der et lige så stort skub (kraft) i den modsatte retning — det følger af Isaac Newtons anden og tredje lov. Begrebet bruges til at beskrive, hvor kraftigt en motor eller fremdrivningsenhed skubber. Det dækker mange typer fremdrift, f.eks. raketter, motorbåde, propeller og jetmotorer, samt mindre fremdrivningssystemer som reaktionskontrol-dyser og elektriske ionmotorer.
Skubkraft måles i "pounds of thrust" (lbf) i nogle engelsksprogede lande og i newton (N) i SI-systemet. 1 pound-force (1 lbf) svarer til cirka 4,44822 newton (ofte rundet til 4,45 N). En praktisk måde at forstå 1 lbf på er, at det er den kraft, der ved standard tyngdeacceleration (g0 ≈ 9,80665 m/s²) akkurat vil holde en genstand med massen 1 avoirdupois pund i ligevægt mod tyngdekraften.
Formel og forklaring
Den mest almindelige teoretiske formel for skub fra en raketmotor er:
F = ṁ · ve + (pe − pa) · Ae
- F = total skubskraft
- ṁ = masseflow af udstødt masse (kg/s)
- ve = udstødningsgasens udgangshastighed relativt motoren (m/s)
- pe = trykket ved dysens udgang (Pa)
- pa = det omgivende atmosfæriske tryk (Pa)
- Ae = dysens udgangsområde (m²)
Den første term (ṁ·ve) er ændringen i bevægelsesmængde per tid — altså den rene «skub» fra at accelerere masse. Den anden term er en trykkompensation, som kan være vigtig ved niveauforskelle mellem dysens tryk og omgivende tryk. For luftindtagende motorer (jetmotorer, turbofans) betragtes ofte skub som massestrømmen af luft ganget med hastighedsforskellen mellem udstødningsluften og fri luft plus en trykterm.
Måling, ydeevne og nyttige størrelser
- Statisk vs. effektivt skub: Statisk skub måles ved standstest ved jorden. Effektivt skub (ofte kaldet «thrust lapse») ændrer sig med hastighed og højde.
- Thrust-to-weight ratio: For eksempel i raketter er forholdet mellem total skub og vægt centralt for at vurdere om et køretøj kan løfte sig fra jorden.
- Specifik impuls (Isp): Et mål for hvor effektivt en fremdrivning bruger masse til at skabe skub. Isp angives i sekunder og relaterer skub til masseflow og standard tyngdeacceleration: Isp = F / (ṁ·g0). Høj Isp betyder mere effektiv brug af drivmiddel per produceret skub.
- Målemetoder: Skub måles typisk med belastningsceller på teststande (thrust rigs) og verificeres både statisk og under kontrollerede kørselstests.
Eksempler og anvendelser
- Små modelraketter: ofte nogle få newton (N) til få hundrede N for store amatørmodeller.
- Droner og propeldrevne småfly: skub pr. motor i området fra få N til nogle få hundrede N, afhængigt af størrelse.
- Passagerflys turbofanmotorer: typisk skala af nogle få titusinder til hundrede tusinder af newton (kN) pr. motor.
- Raketmotorer (første trin): skala fra nogle få kN for små raketter til millioner af newton (MN) for de største bærraketter.
- Ion- og plasmamotorer: meget høj specifik impuls, men lavt absolut skub — ofte milli- til newton-området; velegnet til langvarig acceleration i rumfart.
- Marine fremdrift (skruer/propellere): skub i vand måles som fremdriftskraft og afhænger af skrogets forbindelse mellem propel-effekt, hastighed og vandmodstand.
Skub er et centralt begreb i design, dimensionering og vurdering af alle typer fremdrift. Valget af fremdrivningsprincip afhænger af ønsket kombination af skub, effektivitet (Isp), vægt, støj, driftsmiljø (atmosfære vs. vakuum) og teknisk kompleksitet.
Skubkurve for en Estes A10-PT-raketmotor. En skubkurve viser, hvor meget skub (i newton) motoren producerer over tid (i sekunder). Den indeholder også oplysninger om impulsen, brændstofmængden og den specifikke impuls.
Skub i forhold til effekt
Et meget almindeligt spørgsmål er, hvordan man kan sammenligne en flymotors trykstyrke med den mekaniske effekt af en stempelmotor (den slags motor i biler og i mange fly med propeller). Det er svært at sammenligne disse to. Det skyldes, at de ikke måler nøjagtig det samme. En stempelmotor flytter ikke flyet. Den drejer blot propellen, som flyet bevæger flyet. Derfor vurderes stempelmotorer efter, hvor meget effekt de giver til propellen.
En jetmotor har imidlertid ingen propel - den skubber flyet ved at flytte varm luft bagud. En nyttig måde at måle en jetmotors effekt på er at måle, hvor meget effekt jetmotoren giver flyet gennem sin skubkraft. Dette kaldes "jetmotorens fremdriftskraft". Effekt er den kraft, der skal til for at flytte noget over en afstand, divideret med den tid, det tager at flytte denne afstand:
P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}}} 
,
Hvor P er effekt, F er kraft, d er afstand, og t er tid. For en raket- eller jetmotor er kraften det samme som den fremdrift, der produceres af motoren. Afstand divideret med tid kaldes også hastighed. Så effekten er det samme som fremdrift gange hastighed
P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}} 
,
Hvor T er tryk og v er hastighed. Dette er den effekt, som motoren leverer ved en bestemt tryk eller hastighed. En jetmotors fremdriftseffekt stiger med dens hastighed.
Tryk i forhold til vægt
Når en raket eller en motors fremdrift sammenlignes med vægten, kaldes det for forholdet mellem fremdrift og vægt. Det tal, der fremkommer ved denne sammenligning, har ingen enheder, fordi det er et forhold. Et forhold betyder i dette tilfælde, at motorens trykkraft (i Newton) divideres med vægten (i Newton). Formålet med denne sammenligning er at vise, hvor godt motoren eller køretøjet præsterer, f.eks. hvor stor acceleration. Det er et tal, der kan bruges til at sammenligne forskellige typer motorer som f.eks. flymotorer, jetmotorer, raketmotorer eller bilmotorer.
Dette sammenligningstal kan ændre sig, mens motoren kører. Det skyldes, at motorens vægt bliver lettere, efterhånden som der bruges brændstof. Forholdet mellem tryk og vægt, der bruges til at sammenligne motorer, er det tal, der findes, når motoren kører for første gang.
Skubkraft måles i "pounds of thrust" i USA og i newton i det metriske system. 4,45 newton trykkraft svarer til 1 pund trykkraft. Et pund fremdrift er den mængde fremdrift, der skal til for at holde en genstand på 1 pund ubevægelig mod tyngdekraften på jorden.
Eksempler
Et fly har fremadrettet fremdrift, når luften skubbes i den retning, der er modsat flyvningens retning. Skubbet produceres af de roterende blade på en propel. Der kan også skabes fremdrift ved hjælp af en roterende ventilator, der skubber luft ud fra bagsiden af en jetmotor. En anden måde er ved at udstøde varme gasser fra en raketmotor.
Omvendt fremdrift er det modsatte af fremadrettet fremdrift. På denne måde skubbes luften på samme måde som kroppens bevægelse. Omvendt skub kan bruges til at hjælpe med at bremse efter landing. Dette kan gøres ved at omdirigere skubbet i en turbofan- eller jetmotor eller ved at ændre bladvinklen i et propeldrevet fly med propel.
Fugle opnår normalt fremdrift under flyvning ved at slå med vingerne.
En båd med en motor skaber fremdrift eller modtræk, når propellerne drejes for at skubbe vandet bagud (eller fremad). Den fremdrift, der herved opstår, skubber båden i den modsatte retning af den retning, som vandet bliver skubbet.
En raket bliver skubbet fremad af en kraft, der er lige så stor som den kraft, som udstødningsgassen udøver, når den kommer ud af raketdysen. Den kraft, som udstødningsgassen udøver, kaldes udstødningshastigheden. Hastigheden måles i forhold til raketten. For at en vertikal opsendelse af en raket kan fungere, skal startskubbeeffekten være større end raketens vægt.
| Motor | Tryk (N) | Forholdet mellem tryk og vægt |
| F-15C Eagle | 155,240 | 1.12 |
| F-16 Fighting Falcon | 76,300 | 1.095 |
| J-58 (SR-71 Blackbird Jet Engine) | 150,000 | 5.2 |
| Boeing 747-400 (motorer) | 1,008,000 | 6.3 |
| F-1 (Saturn V 1. trin raketmotor) | 7,740,500 | 94.1 |
| Forholdet mellem skub og skub og vægt for flere motorer | ||
Kræfter på et flyvepladetværsnit
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er thrust?
A: Trykket er en kraft eller et skub, der opstår, når et system skubber eller accelererer masse i én retning, hvilket resulterer i en kraft, der er lige så stor i den modsatte retning.
Q: Hvordan beskrives fremdrift i matematik og fysik?
A: Isaac Newtons anden og tredje lov beskriver begrebet fremdrift i matematik og fysik.
Q: Hvilke typer køretøjer og motorer gælder fremdrift for?
A: Drivkraft gælder for mange slags køretøjer og motorer som f.eks. raketter, motorbåde, propeller og jetmotorer.
Q: Hvordan måler man typisk fremdrift i USA?
A: Fremdrift måles i "pounds of thrust" i USA.
Q: Hvordan måles fremdrift typisk i det metriske system?
A: I det metriske system måles fremdrift i newton.
Q: Hvor mange newton fremdrift svarer til et pund fremdrift?
A: 4,45 newton fremdrift svarer til 1 pund fremdrift.
Q: Hvad repræsenterer et pund fremdrift?
A: Et pund fremdrift repræsenterer den mængde fremdrift, det ville kræve at holde en genstand på et pund ubevægelig mod tyngdekraften på Jorden.
Søge