Сила тяги (физика)

Термин «сила тяги» употребляется в нескольких близких, но не полностью совпадающих значениях. В физическом смысле это сила, с помощью которой система сообщает телу ускорение или уравновешивает внешние сопротивления^[2]. В транспортной технике под тягой часто понимают силу, передаваемую от двигателя к движителю и далее к опоре или среде^[3]. В ракетной и авиационной технике тяга может означать силу, создаваемую реактивной струёй, воздушным винтом, вентилятором или соплом двигателя^[4].

Следует различать силу тяги, тяговое усилие, силу сцепления, мощность, крутящий момент и работу силы. Сила тяги измеряется в ньютонах. Тяговое усилие обычно относится к силе на ободе колеса, гусенице, сцепном устройстве, крюке или буксирном приборе. Сила сцепления ограничивает максимальную тягу, которую можно реализовать без проскальзывания. Мощность характеризует скорость совершения работы, а крутящий момент описывает вращательное действие силы на валу или колесе.

В наземном транспорте сила тяги обычно реализуется через контакт движителя с дорогой, грунтом или рельсом^[5]. В судостроении и авиации тяга часто создаётся изменением импульса окружающей среды — воды или воздуха^[6][7]. В ракетной технике тяга возникает при истечении рабочего тела, запасённого на борту аппарата, поэтому ракета может создавать тягу в вакууме^[8].

В электрическом транспорте термин «тяга» обычно относится не к особой электрической силе как таковой, а к механическому тяговому усилию, создаваемому электрическим приводом и реализуемому через движитель. Поэтому различают электрическую тягу как вид привода, тяговый электродвигатель, тяговый привод, тяговое усилие на колёсах и силу тяги транспортного средства.

В механике сила тяги входит в число внешних сил, действующих на тело. В простейшем случае движение тела массой ${\displaystyle m}$ описывается вторым законом Ньютона:

${\displaystyle {\vec {F}}={\frac {d{\vec {p}}}{dt}},}$

где ${\displaystyle {\vec {F}}}$ — равнодействующая внешних сил, ${\displaystyle {\vec {p}}}$ — импульс тела. Если масса постоянна, выражение принимает вид

${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}},}$

где ${\displaystyle {\vec {a}}}$ — ускорение^[1][2].

В общем курсе механики сила рассматривается как величина, определяющая изменение движения тела. При построении механической модели реальные условия обычно упрощаются: тело может рассматриваться как материальная точка, абсолютно твёрдое тело или система материальных точек. Такое моделирование позволяет выделить существенные силы и записать уравнения движения в форме, пригодной для расчёта^[9].

Для системы тел движение удобно описывать через движение её центра масс. В теоретической механике теорема о движении центра масс формулируется так: центр масс механической системы движется как материальная точка, масса которой равна массе всей системы, если на неё действуют все внешние силы, приложенные к системе^[10].

Если сила тяги направлена вдоль оси движения, а остальные силы представлены сопротивлением ${\displaystyle R}$, то для прямолинейного движения можно записать:

${\displaystyle m{\frac {dv}{dt}}=T-R,}$

где ${\displaystyle T}$ — сила тяги, ${\displaystyle R}$ — суммарная сила сопротивления, ${\displaystyle v}$ — скорость. При ${\displaystyle T>R}$ тело разгоняется, при ${\displaystyle T<R}$ замедляется, а при ${\displaystyle T=R}$ движется равномерно.

В более общей постановке сила тяги может входить в сумму сил вместе с силой тяжести, реакцией опоры, силой трения, аэродинамическим или гидродинамическим сопротивлением, подъёмной силой, силой натяжения троса и другими воздействиями. Поэтому физическое значение тяги определяется не только её модулем, но и направлением, точкой приложения, способом передачи и условиями взаимодействия тела со средой или опорой.

В аналитической механике движение системы может описываться через обобщённые координаты, лагранжеву функцию, импульсы и обобщённые силы. В классической механике импульс системы материальных точек выражается через сумму импульсов её частей, а для замкнутой системы сохраняется при движении^[11].

В технических расчётах сила тяги обычно рассматривается не только как мгновенная сила, но и как характеристика двигателя, движителя или транспортного средства. В зависимости от области применения различают располагаемую тягу, потребную тягу, статическую тягу, тягу в движении, максимальную и длительную тягу, тягу на крюке, тягу на ободе колеса, швартовную тягу и тягу двигателя на стенде.

Располагаемая тяга — тяга, которую двигатель или движитель может развить при заданных условиях работы. Потребная тяга — тяга, необходимая для движения с заданной скоростью или выполнения заданного режима. В установившемся движении потребная тяга равна суммарному сопротивлению движению^[6].

Статическая тяга определяется при нулевой скорости движения аппарата или транспортного средства относительно среды. Этот термин используется, например, для воздушных винтов, вентиляторов, реактивных двигателей и буксирных испытаний. Тяга в движении зависит от скорости, режима работы двигателя, плотности среды и характеристик движителя^[6].

В наземном транспорте различают силу тяги на ведущих колёсах и тяговое усилие на сцепном или буксирном устройстве. В железнодорожном транспорте употребляются понятия силы тяги на ободе колёс и силы тяги на автосцепке. В судостроении используется понятие швартовной тяги, характеризующее способность судна или буксира создавать тяговое усилие при удержании на месте.

Силу тяги можно классифицировать по способу создания, среде взаимодействия, назначению и режиму действия.

По способу создания различают тягу, создаваемую:

• взаимодействием движителя с опорой — колёсная, гусеничная и рельсовая тяга^[3];
• ускорением окружающей среды — винтовая, вентиляторная, гребная и водомётная тяга^[7];
• истечением рабочего тела — реактивная и ракетная тяга^[4];
• механической связью — тяга троса, каната, цепи или сцепного устройства^[2];
• электрическим или электромагнитным приводом — электротяга и тяга линейного электродвигателя.

По режиму действия различают статическую и динамическую тягу, максимальную и длительную тягу, номинальную и кратковременную тягу, а также регулируемую и нерегулируемую тягу.

Сила тяги может создаваться разными физическими механизмами. В одних случаях двигатель создаёт крутящий момент, который через трансмиссию передаётся колёсам или гусеницам. В других случаях движитель ускоряет окружающую среду — воздух или воду. В реактивных системах тяга возникает при истечении рабочего тела из двигателя^[8]. В электрических и электромагнитных системах тяговое усилие создаётся за счёт преобразования электрической энергии в механическую работу, в том числе через взаимодействие токов и магнитных полей. В подъёмных и буксирных устройствах тяга передаётся через трос, канат, цепь или жёсткую тягу^[2].

Сила тяги не всегда совпадает с направлением скорости. У автомобиля или поезда тяга обычно направлена вдоль пути движения. У самолёта тяга двигателя может быть направлена под углом к траектории^[6]. У ракеты вектор тяги задаётся осью двигателя или направлением сопла^[4]. У судна тяга гребного винта передаётся корпусу через вал и упорный подшипник^[7].

Если тело движется поступательно и сила тяги направлена вдоль скорости, то продольное уравнение движения можно представить как

${\displaystyle m{\frac {dv}{dt}}=T-\sum R_{i},}$

где ${\displaystyle T}$ — тяга, ${\displaystyle \sum R_{i}}$ — сумма сил сопротивления, действующих против движения. В эту сумму могут входить сопротивление качению, аэродинамическое сопротивление, сопротивление воды, сопротивление подъёму, силы инерции вращающихся масс и другие составляющие.

Для движения по наклонной плоскости появляется дополнительная составляющая веса:

${\displaystyle m{\frac {dv}{dt}}=T-R-mg\sin \alpha ,}$

где ${\displaystyle \alpha }$ — угол подъёма. При движении вверх по склону часть тяги расходуется на преодоление составляющей силы тяжести, а при движении вниз эта составляющая может способствовать движению.

Для летательного аппарата уравнение движения обычно включает тягу, силу тяжести, аэродинамическое сопротивление и подъёмную силу. В горизонтальном установившемся полёте при постоянной скорости тяга уравновешивает сопротивление:

${\displaystyle T=D,}$

где ${\displaystyle D}$ — аэродинамическое сопротивление. При наборе высоты избыток тяги над сопротивлением связан с увеличением потенциальной энергии самолёта.

В большинстве технических применений сила тяги нужна не только для разгона, но и для преодоления сопротивления. При движении автомобиля или поезда часть тяги расходуется на сопротивление качению, механические потери в трансмиссии, подъём пути и сопротивление воздуха. У судна тяга движителя преодолевает гидродинамическое сопротивление корпуса. У самолёта тяга силовой установки преодолевает аэродинамическое сопротивление.

При установившемся движении с постоянной скоростью равнодействующая сил вдоль направления движения равна нулю. Поэтому тяга равна суммарному сопротивлению:

${\displaystyle T=R.}$

Если тяга становится больше сопротивления, тело разгоняется. Если меньше — замедляется. Максимальная скорость транспортного средства часто определяется именно условием равенства располагаемой тяги и сопротивления при данном режиме двигателя.

Для автомобиля и поезда сопротивление движению зависит от скорости, массы, состояния пути, уклона, формы корпуса, ветра и режима движения. Для самолёта сопротивление зависит от скорости, высоты, плотности воздуха, конфигурации крыла, угла атаки и режима полёта. Для судна существенны сопротивление формы, трение воды о корпус, волновое сопротивление и взаимодействие корпуса с движителем^[12][7][20].

Сила тяги связана с работой и мощностью, но не тождественна им. Работа силы тяги при перемещении тела определяется выражением

${\displaystyle A=\int {\vec {T}}\cdot d{\vec {s}},}$

а полезная тяговая мощность равна

${\displaystyle N_{T}={\vec {T}}\cdot {\vec {v}}.}$

Если тяга направлена вдоль скорости, то

${\displaystyle N_{T}=Tv.}$

Из этого следует, что при заданной полезной мощности тяга зависит от скорости движения. На малых скоростях транспортное средство может развивать большую тягу, а на больших скоростях при той же мощности доступная тяга уменьшается. Это обстоятельство важно для автомобилей, локомотивов, тракторов, судов и самолётов.

Работа силы тяги может идти на увеличение кинетической энергии тела, преодоление сопротивления, подъём груза, деформацию среды, нагрев и потери в трансмиссии или движителе. В реальных машинах только часть энергии двигателя превращается в полезную работу поступательного движения.

Эффективность тяговой системы характеризуется коэффициентами полезного действия двигателя, передачи и движителя. У колёсного транспорта потери связаны с двигателем, трансмиссией, деформацией шин и сопротивлением качению; у судов — с гребным винтом, корпусом и следом; у летательных аппаратов — с винтом, вентилятором, соплом и воздушным потоком.

Для движителя, ускоряющего поток среды, энергетически выгодно ускорять большую массу среды на меньшую разность скоростей, чем малую массу среды на очень большую скорость. Поэтому на дозвуковых скоростях эффективны воздушные винты и вентиляторы большого расхода, а в ракетной технике, где рабочее тело несётся на борту, особое значение приобретает высокая эффективная скорость истечения.

В электрических тяговых системах на общий КПД влияют потери в источнике питания, преобразователях, тяговых электродвигателях, кабельных линиях и механической передаче. Часть электрической энергии рассеивается в виде тепла из-за сопротивления проводников и элементов цепи^[14][15].

Тяговая характеристика — зависимость силы тяги от скорости движения, режима работы двигателя или параметров движителя. Она используется для оценки разгона, максимальной скорости, способности преодолевать подъёмы, буксировочных свойств и экономичности транспортного средства^[5].

Для наземного транспорта тяговая характеристика обычно показывает изменение силы тяги на ведущих колёсах или на сцепном устройстве в зависимости от скорости. На малых скоростях тяга может ограничиваться сцеплением с опорой, а на больших — мощностью двигателя.

Для авиационных двигателей и винтов тяга зависит от скорости полёта, высоты, плотности воздуха и режима работы двигателя^[6]. Для судовых движителей тяговая характеристика связана с частотой вращения винта, скоростью судна, режимом обтекания и сопротивлением корпуса^[7].

Силу тяги измеряют с помощью динамометров, тензометрических датчиков, тяговых стендов, буксировочных устройств, маятниковых систем и расчётных методов. Способ измерения зависит от типа двигателя или движителя.

Для автомобилей и тракторов применяют тяговые испытания на дороге, барабанных стендах или специальных испытательных полигонах. Измеряются сила на крюке, сила на ведущих колёсах, мощность на колёсах, буксование, расход топлива и скорость. Для локомотивов важны сила тяги на ободе колёс, сила тяги на автосцепке, сцепление колёс с рельсами и тяговая характеристика.

Для электрического транспорта дополнительно измеряют токи и напряжения тяговых двигателей, момент на валу, силу тяги на колёсах или автосцепке, скорость, коэффициент сцепления и тепловой режим оборудования. В таких системах тяговая характеристика связывает силу тяги со скоростью движения и режимом питания электродвигателей.

Для судовых движителей тяга может измеряться на швартовных испытаниях, модельных испытаниях в опытовом бассейне или расчётно по параметрам винта и потока. Для авиационных двигателей различают статическую тягу и тягу в полёте; последняя часто определяется расчётно по параметрам двигателя и условиям полёта. Для ракетных двигателей тяга измеряется на огневых стендах с помощью силовых датчиков и регистрируется как функция времени^[18][21].

При испытаниях важно различать тягу двигателя, тягу движителя и полезную тягу транспортного средства. Например, двигатель может развивать значительную мощность, но фактическая тяга будет ограничена сцеплением колёс, кавитацией гребного винта, потерями в трансмиссии, сопротивлением входного устройства или нерасчётным режимом сопла.

Сила тяги является одной из основных характеристик транспортных и тяговых систем. Она определяет возможность начала движения, разгон, преодоление подъёмов, буксировку груза, скорость, манёвренность и энергетическую эффективность.