El 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 a ese sistema una fuerza de magnitud igual pero de dirección opuesta. [2] La fuerza aplicada sobre una superficie en una dirección perpendicular o normal a la superficie también se denomina empuje. La fuerza, y por lo tanto el empuje, se mide utilizando el Sistema Internacional de Unidades (SI) en newtons (símbolo: N), y representa la cantidad necesaria para acelerar 1 kilogramo de masa a una velocidad de 1 metro por segundo por segundo . [3] En ingeniería mecánica , la fuerza ortogonal a la carga principal (como en engranajes helicoidales paralelos ) se conoce como empuje estático .
Un sistema de propulsión de una aeronave de ala fija genera empuje hacia adelante cuando se empuja el aire en la dirección opuesta al vuelo. Esto se puede hacer por diferentes medios, como las palas giratorias de una hélice , el chorro de propulsión de un motor a reacción o expulsando gases calientes de un motor de cohete . [4] El empuje inverso se puede generar para ayudar a frenar después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de la hélice de paso variable o utilizando 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 un barco a motor genera empuje cuando gira y fuerza el agua hacia atrás.
Un cohete se impulsa hacia adelante mediante un empuje de magnitud igual, pero de dirección opuesta, a la velocidad temporal del cambio de momento 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 velocidad temporal a la que se expulsa la masa, o en términos matemáticos:
Donde T es el empuje generado (fuerza), es la tasa de cambio de masa con respecto al tiempo (tasa de flujo másico de escape) y v es la velocidad de los gases de escape medida 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 podía producir un empuje de 1,8 meganewton , y cada uno de los dos cohetes propulsores sólidos del transbordador espacial 14,7 MN (3.300.000 lbf ), juntos 29,4 MN. [5]
Por el contrario, el Sistema Simplificado de Ayuda para Rescate EVA (SAFER) tiene 24 propulsores de 3,56 N (0,80 lbf) cada uno. [6]
En la categoría de motores a reacción, el motor a reacción AMT-USA AT-180 desarrollado para aviones radiocontrolados produce 90 N (20 lbf ) de empuje. [7] 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).
La potencia necesaria para generar empuje y la fuerza del empuje se pueden relacionar de forma no lineal . En general, . La constante de proporcionalidad varía y se puede resolver para un flujo uniforme, donde es la velocidad del aire entrante, es la velocidad en el disco del actuador y es la velocidad de salida final:
Resolviendo la velocidad en el disco, , entonces tenemos:
Cuando el aire entrante se acelera desde una posición de reposo, por ejemplo al flotar, entonces , y podemos encontrar:
Desde aquí podemos ver la relación, encontrando:
La inversa de la constante de proporcionalidad, la "eficiencia" de un propulsor por lo demás perfecto, es proporcional al área de la sección transversal del volumen de fluido propulsado ( ) y a la densidad del fluido ( ). Esto ayuda a explicar por qué es más fácil moverse a través del agua y por qué los aviones tienen hélices mucho más grandes que las embarcaciones.
Una pregunta muy común es cómo comparar el empuje nominal de un motor a reacción con la potencia nominal de un motor de pistón. Esta comparación es difícil, ya que estas cantidades no son equivalentes. Un motor de pistón no mueve el avión por sí mismo (es la hélice la que lo hace), por lo que los motores de pistón suelen clasificarse por la cantidad de potencia que entregan a la hélice. A excepción de 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 propulsora 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 a lo largo de una cierta distancia (d) dividida por el tiempo (t) que se tarda en recorrer esa distancia: [8]
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 mueven a una velocidad constante, la distancia dividida por el tiempo es simplemente la velocidad, por lo que la potencia es el empuje multiplicado por la velocidad: [9]
Esta fórmula parece muy sorprendente, pero es correcta: la potencia propulsora (o potencia disponible [10] ) 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 está conectado a un banco de pruebas estático, entonces el motor a reacción no produce potencia propulsora, pero aún así 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 solo continuará produciendo su potencia nominal a un ritmo constante, ya sea que el avión se mueva o no.
Ahora, imaginemos que la fuerte cadena se rompe y el avión a reacción y el de pistón comienzan a moverse. A baja velocidad:
El motor de pistón tendrá una potencia constante del 100% y el empuje de la hélice variará con la velocidad.
El motor a reacción tendrá un empuje constante del 100% y la potencia del motor variará con la velocidad.
Si una aeronave con motor genera un empuje T y experimenta una resistencia D, la diferencia entre ambos, 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.
El eje de empuje de un avión es la línea de acción del empuje total en cualquier instante. Depende de la ubicación, el número y las características de los motores a reacción o las hélices. Por lo general, difiere 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. [11] Cabe destacar que 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 hacía que el morro se elevara en algunos regímenes de vuelo, lo que requería un sistema de control de cabeceo, MCAS . Las primeras versiones del MCAS funcionaron mal en vuelo con consecuencias catastróficas, lo que provocó la muerte de más de 300 personas en 2018 y 2019. [12] [13]
