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 provocará que se aplique a ese sistema una fuerza de igual magnitud pero en dirección opuesta. [1] La fuerza aplicada sobre una superficie en una dirección perpendicular o normal a la superficie también se llama empuje. La fuerza, y por 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 razón de 1 metro por segundo por segundo . [2] En ingeniería mecánica , la fuerza ortogonal a la carga principal (como en engranajes helicoidales paralelos ) se conoce como empuje estático .
El sistema de propulsión de un avión de ala fija genera empuje hacia adelante cuando el aire es empujado en la dirección opuesta al vuelo. Esto se puede hacer por diferentes medios, como las palas giratorias de una hélice , el chorro propulsor de un motor a reacción o expulsando gases calientes de un motor de cohete . [3] Se puede generar empuje inverso 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. Los aviones de ala giratoria utilizan rotores y vectorización de empuje. Los aviones V/STOL utilizan hélices o empuje del motor para soportar el peso del avión y proporcionar propulsión hacia adelante.
La hélice de una lancha genera empuje cuando gira y empuja el agua hacia atrás.
Un cohete es propulsado hacia adelante mediante un empuje igual en magnitud, pero de dirección opuesta, a la tasa de 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 el tiempo al 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 (caudal 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 momento del despegue debe ser mayor que el peso.
Cada uno de los tres motores principales del transbordador espacial podría producir un empuje de 1,8 meganewton , y cada uno de los dos propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial 14,7 MN (3.300.000 lbf ), en conjunto 29,4 MN. [4]
Por el contrario, el Aid For EVA Rescue (SAFER) simplificado tiene 24 propulsores de 3,56 N (0,80 lbf) cada uno. [5]
En la categoría de respiración de aire, el motor a reacción AT-180 de AMT-USA desarrollado para aviones radiocontrolados produce 90 N (20 lbf ) de empuje. [6] El motor GE90 -115B instalado en el Boeing 777 -300ER, reconocido por el Libro Guinness de los Récords 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 , a 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 para la velocidad en el disco, entonces tenemos:
Cuando el aire entrante se acelera desde un punto muerto (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 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 moverse en el agua es más fácil y por qué los aviones tienen hélices mucho más grandes que las embarcaciones.
Una pregunta muy común es cómo comparar la potencia nominal de un motor a reacción con la potencia nominal de un motor de pistón. Esta comparación es difícil porque estas cantidades no son equivalentes. Un motor de pistón no mueve la aeronave por sí solo (la hélice lo hace), por lo que los motores de pistón generalmente se clasifican según la potencia que entregan a la hélice. Exceptuando los cambios de temperatura y presión del aire, esta cantidad depende básicamente de la posición 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 cierta distancia (d) dividida por el tiempo (t) que se necesita para mover esa distancia: [7]
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 mueve a una velocidad aproximadamente constante, entonces la distancia dividida por el tiempo es solo velocidad, por lo que la potencia es el empuje multiplicado por la velocidad: [8]
Esta fórmula parece muy sorprendente, pero es correcta: la potencia propulsora (o potencia disponible [9] ) 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 de propulsión, pero aún 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 por sí solo seguirá produciendo su potencia nominal a un ritmo constante, ya sea que el avión esté en movimiento o no.
Ahora imaginemos que la fuerte cadena se rompe y el jet y el avión de pistón comienzan a moverse. A bajas velocidades:
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 propulsada genera empuje T y experimenta resistencia D, la diferencia entre los dos, T − D, se denomina exceso de empuje. El rendimiento instantáneo del avión depende en gran medida 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, número y características de los motores a reacción o hélices. Suele diferir del eje de arrastre. Si es así, la distancia entre el eje de empuje y el eje de arrastre provocará un momento que deberá ser resistido mediante un cambio en la fuerza aerodinámica sobre el estabilizador horizontal. [10] En particular, el Boeing 737 MAX , con motores más grandes y de menor altura que los modelos 737 anteriores, tenía una mayor distancia entre el eje de empuje y el eje de arrastre, lo que provocaba que el morro se elevara en algunos regímenes de vuelo, lo que requería un cabeceo. sistema de control, MCAS . Las primeras versiones del MCAS fallaron en vuelo con consecuencias catastróficas, lo que provocó la muerte de más de 300 personas en 2018 y 2019. [11] [12]
