Força do jato - Jet force

Força do jato é o escape de alguma máquina, esp. aeronave, impulsionando o próprio objeto na direção oposta conforme a Terceira Lei de Newton . A compreensão da força do jato é intrínseca ao lançamento de drones, satélites, foguetes, aviões e outras máquinas aerotransportadas.

A força do jato começa com algum sistema de propulsão; no caso de um foguete, geralmente é algum sistema que expulsa gases combustíveis do fundo. Este sistema de repulsão empurra essas moléculas de gás na direção oposta ao movimento pretendido tão rapidamente que a força oposta, agindo 180 ° longe da direção em que as moléculas de gás estão se movendo, (como tal, na direção pretendida de movimento) empurra o foguete para cima . Uma suposição errada comum é que o foguete se eleva sendo empurrado para fora do solo. Se fosse esse o caso, o foguete não seria capaz de continuar se movendo para cima depois que a aeronave não estivesse mais perto do solo. Em vez disso, a força oposta dos gases expelidos é a razão do movimento.

Aqui vemos a força do jato em ação, a força que impulsiona este foguete para decolar.

Impulso, sustentação, peso e arrasto

A força do jato pode ser dividida em componentes. O componente "para a frente" dessa força é geralmente conhecido como empuxo . O componente ascendente da força do jato é conhecido como sustentação . Existem também duas outras forças que impactam o movimento da aeronave. O arrasto , também conhecido como resistência do ar, é a força que se opõe ao movimento. Como tal, ele atua contra os dois componentes da força do jato (tanto o empuxo quanto a sustentação). A quarta e última força é o próprio peso, que atua diretamente para baixo.

Impulso

Para analisar o impulso, adotamos uma perspectiva matemática.

1. Primeiro, uma aeronave decola em algum ângulo em relação ao solo. Para um foguete viajando direto "para cima", esse ângulo seria 90 °, ou pelo menos próximo a 90 °. Para aviões e a maioria das outras aeronaves, esse ângulo será muito menor, geralmente variando de 0 ° a 60 °. Devemos definir este ângulo como θ.
2. θ está constantemente mudando conforme a aeronave se move. Em qualquer dado momento, entretanto, o cosseno deste ângulo θ nos dará a componente da força que está agindo na direção para frente. Multiplicando a força total por este cosseno de θ resultaria no empuxo:

${\ displaystyle Thrust = JetForce * \ cos \ theta}$

Como θ varia de 0 ° a 90 °, e o cosseno de qualquer ângulo neste intervalo é 0 ≤ cos θ≤ 1, o empuxo será sempre menor ou igual à força do jato - como esperado, já que o empuxo é um componente da força do jato.

Lift

Semelhante à nossa análise de impulso, começamos com uma aparência matemática:

1. Definimos o ângulo θ da mesma forma que fizemos na etapa 1 para o empuxo. Novamente, este ângulo θ é diferente em um determinado momento.
2. Para elevação, no entanto, estamos procurando o componente vertical, ao invés do componente frontal. O seno do ângulo θ nos dará a componente da força atuando na componente vertical. Multiplicando a força do jato pelo seno de θ resultará na sustentação:

${\ displaystyle Lift = JetForce * \ sin \ theta}$

Semelhante ao cosseno, o seno de um ângulo variando de 0 ° a 90 ° estará sempre entre pelo menos zero e no máximo um. Como tal, a sustentação também será menor que a força do jato. De força, sustentação e empuxo do jato, podemos encontrar qualquer um deles se os outros dois forem dados pela fórmula da distância. Nesse caso, seria:

${\ displaystyle \ surd (JetForce) ^ {2} = \ surd (Impulso ^ {2} + Elevação ^ {2})}$

Como tal, a força do jato, empuxo e sustentação estão inerentemente ligados.

Arrastar

O arrasto, ou resistência do ar, é uma força que se opõe ao movimento. Como o empuxo é uma força que fornece "movimento para frente" e, levante, aquele que produz "movimento para cima", o arrasto se opõe a ambas as forças. A resistência do ar é o atrito entre o próprio ar e o objeto em movimento (neste caso, a aeronave). O cálculo da resistência do ar é muito mais complicado do que o de empuxo e sustentação - tem a ver com o material da aeronave, a velocidade da aeronave e outros fatores variáveis. No entanto, foguetes e aviões são construídos com materiais e em formas que minimizam a força de arrasto, maximizando a força que move a aeronave para cima / para frente.

Peso

Peso é a força para baixo que o elevador deve superar para produzir movimento para cima. Na terra, o peso é bastante fácil de calcular:

${\ displaystyle Weight = m * g}$

Nessa equação, m representa a massa do objeto eg é a aceleração produzida pela gravidade. Na terra, esse valor é de aproximadamente 9,8 m / s ao quadrado. Quando a força de sustentação é maior que a força do peso, a aeronave acelera para cima.

Análise com momentum

Para calcular a velocidade da embarcação devido à própria força do jato, é necessária a análise do momento . A conservação do momentum afirma o seguinte:

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

Nessa situação, m1 representa a massa do gás no sistema de propulsão, v1 representa a velocidade inicial desse gás, m2 representa a massa do foguete e v2 representa a velocidade inicial do foguete. Na outra ponta da equação, v1f representa a velocidade final do gás e v2f representa a velocidade final do foguete. Inicialmente, tanto o gás no sistema de propulsão quanto o foguete são estacionários, levando a v1 e v2 igual a 0. Como tal, a equação pode ser simplificada para o seguinte:

${\ displaystyle 0 = m1v1f + m2v2f}$

Depois de um pouco mais de álgebra simples, podemos calcular que v2 (a velocidade do foguete) é o seguinte:

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

Isso nos dá a velocidade da aeronave logo após a decolagem. Como conhecemos todas as forças que atuam sobre ele a partir deste ponto, podemos calcular a aceleração líquida usando a segunda lei de Newton . Dada a velocidade com que a aeronave decola e a aceleração em qualquer ponto, a velocidade também pode ser calculada em qualquer ponto.

Referências