Как найти силу тяги зная

Что такое сила тяги и по какой формуле её находить ?

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Сила тяги

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

силы трения (покоя, качения, скольжения),
сопротивления воздуха (газа),
сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции. Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя. Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е. на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е. в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Законы Ньютона

Примеры из жизни

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены. Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0. Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону. Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется. Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v. Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона). По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s. Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v. Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения. Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с. Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н

2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)

0,98 кН. Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Сила трения

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

человека,
лошади,
паровоза,
автомобиля,
космической ракеты и всех прочих видов техники.

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

Формула силы тяги

Само по себе понятие «сила тяги» имеет смысл только применительно к какому-нибудь транспортному средству, к примеру, говорят о силе тяги автомобиля, самолета, лошади, тянущей сани.

Единица измерения силы – Н (ньютон).

Очень заманчиво заключить, что источником силы тяги автомобиля является его двигатель. Однако, это неверно. Внутренние силы одной части системы (двигателя), воздействуя на другую часть системы (колеса), не могут придать ускорение всей системе в целом (всему автомобилю), так как это противоречит закону сохранения импульса. Источником силы тяги являются внешние воздействия. В случае автомобиля – это сила трения колес о дорожное покрытие, в случае корабля – сила водной струи, отбрасываемой винтом.

Одной универсальной формулы для расчета силы тяги нет. Сила тяги определяется конструкцией транспортного средства и физическими условиями задачи.

Примеры решения задач по теме «Сила тяги»

Задание	Автомобиль массой 4 т движется по ровной дороге с ускорением 4 м/с $^{2}$ . Найти силу тяги двигателя автомобиля, если коэффициент трения $\mu =0,1$ .
Решение	Сделаем рисунок:

При движении на автомобиль действуют сила тяжести $m \overline{g}$ , сила реакции опоры $\overline{N}$ , сила трения $\overline{F_{mp}}$ и сила тяги $\overline{F}$ . Под действием этих сил автомобиль движется с ускорением $\overline{a}$ .

По второму закону Ньютона:

$m \overline{g} + \overline{N} + \overline{F_{mp}} + \overline{F} = m \overline{a}$

Введем систему координат, как показано на рисунке, и запишем это векторное равенство в проекциях на координатные оси.

$OX : -F_{mp}+F=ma$

$OY : N-mg=0$

Сила трения $F_{mp}=\mu N$ . Из второго уравнения . Поэтому можно записать $F_{mp}=\mu mg$ . Подставим значение силы трения в первое уравнение и определим силу тяги автомобильного двигателя:

$-\mu mg + F = ma$

$F = m (a+ \mu g)$

Ускорение свободного падения м/с $^{2}$

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

$F = 4 \cdot 10^{3} (4+0,1 \cdot 9,8) = 19,9 \cdot 10^{3} \text{ H} = 19,9 \text{ kH}$

Задание	Автомобиль массой 4 т движется в гору с уклоном 1 м на каждые 25 м пути с постоянной скоростью. Найти силу тяги двигателя автомобиля, если коэффициент трения $\mu =0,1$ .
Решение	Сделаем рисунок:

В данном примере, как и в предыдущем, при движении на автомобиль действуют сила тяжести $m \overline{g}$ , сила реакции опоры $\overline{N}$ , сила трения $\overline{F_{mp}}$ и сила тяги $\overline{F}$ . И под действием этих сил автомобиль движется в гору с постоянной скоростью, т.е. ускорение автомобиля .

По второму закону Ньютона:

$m \overline{g} + \overline{N} + \overline{F_{mp}} + \overline{F} = m \overline{a}$

Запишем это векторное равенство в проекциях на координатные оси:

$OX : -mg \cdot \sin \alpha - F_{mp}+F=0$

$OY : N-mg \cdot \cos \alpha =0$

Из второго уравнения $N = mg \cdot \cos \alpha$ , и сила трения $F_{mp}= \mu N= \mu mg \cdot \cos \alpha$ .

По какой формуле найти силу тяги.

Вот задача:
Тело массой 200г движется по горизонтальной поверхности с ускорением 0,7 м/с^2. Если силу трения считать равной 0,06 Н, то горизонтально направленная сила тяги, прикладываемая к телу, равна:
1) 0,02 Н
2) 0,08 Н
3) 0,2 Н
4) 0,8 Н

Возможно так:
Fтрения + Fтяги = ma
0.06 H + Fтяги = 0,7 * 0,2
Fтяги = 0,14-0,06
Fтяги = 0,08
Ответ: 2.

Формулы такой нет. Это выдержка из объяснения.
Сила тяги . Вычислим силу тяги космического корабля, стартующего с Земли вертикально вверх. Движение корабля будем рассматривать в системе координат, связанной с Землёй, причём эту систему принимаем за инерциальную.

Пусть m – секундный расход топлива, u – скорость истечения газов из сопла двигателя относительно ракеты (относительно ракеты) , m > 0 и u > 0, (D — приращение, то есть «дельта».)

Работающий двигатель как бы “забирает” у ракеты непрерывно, порция за порцией, горючее и, сжигая его в камере сгорания, выбрасывает, образуя реактивную струю.

Пусть в некоторый момент времени двигатель “забрал” порцию горючего массой D m. Количество движения этой порции до сгорания направлено вверх и равно v D m, где v – мгновенная скорость ракеты относительно Земли (абсолютная скорость) .

За малый промежуток времени D t масса D m сгорает и выбрасывается из сопла двигателя с относительной скоростью u в направлении, противоположном движению ракеты, то есть скоростью v – u относительно Земли. Вначале, при v < u, абсолютная скорость истечения газов отрицательна (направлена к Земле) , а позже, когда v > u, положительна (направлена от Земли) .

После сгорания выбрасываемая масса обладает абсолютным количеством движения

следовательно, за время приращения её количества движения составит:

( v – u) D m – v D m = –u D m.

В единицу времени изменение количества движения массы равно – u D m / D t. Физически эта величина представляет собой силу F ‘ давления на струю, создаваемую работой реактивного двигателя. Учитывая, что D m / D t = m, получаем:

Знак “минус” показывает, что сила F ‘, действующая на образующуюся газовую струю, направлена к Земле.

По третьему закону Ньютона при взаимодействии двигателя с выбрасываемой им струёй последняя действует на двигатель ракеты в противоположную сторону с силой F = – F ‘, то есть

Её называют реактивной силой.

Таким образом, при стационарном режиме работы реактивного двигателя сила тяги постоянна, направлена вверх (в сторону движения корабля) и равна произведению секундного расхода топлива на относительную скорость выбрасываемых газов.

Зная реактивную силу, можно написать уравнение движения ракеты, которое без учёта поля тяготения имеет вид:

m D v / D t = m u, (3)

где D v / D t – ускорение ракеты. При наличии поля тяготения уравнение движения будет:

m D v / D t = m u – m g. (4)

Внешнее силовое поле не изменяет величины создаваемой двигателем реактивной силы, так как последняя определяется лишь режимом работы самого двигателя ракеты, оно меняет только закон движения корабля.

Интегрируя уравнение (3), К. Э. Циолковский впервые нашёл, что скорость корабля в пространстве вне поля тяготения возрастает по логарифмическому закону: