قوة نفاثة
القوة النفاثة هي عوادم بعض الآلات خاصة الطائرات والتي تدفع الجسم نفسه في الاتجاه المعاكس حسب قانون نيوتن الثالث. فهم القوة النفاثة هو شئ أساسي في إطلاق الصواريخ والأقمار الصناعية والطائرات والآلات المحمولة جوا.
تبدأ القوة النفاثة بظام دفع ما -في حالة الصاروخ- وهو نظام دفع يُطلق للخارج غازات قابلة للاحتراق من الأسفل. يدفع نظام الدفع للخارج جزئيات الغاز هذه في اتجاه مضاد لاتجاه الحركة المقصود وبسرعة كبيرة للغاية وفي 180 درجة بعيدا عن اتجاه الحركة للدرجة الكافية لدفع الصاروخ للأمام. استنتاج خاطئ هو أن الصاروخ يرتفع بسبب دفعه للأرض.
إذا كانت هذه هي الحالة، فإن الصاروخ لن يتمكن من مواصلة الحركة لأعلى بعد أن تصبح مركبة الفضاء بعيدة عن الأرض. في الحقيقة فإن قوة طرد الغازات المعاكسة هي سبب الحركة.
يمكن تقسيم القوة النفاثة إلى مكونات. المكوّن الأمامي لهذه القوة يتم الإشارة إليه بأنه الدفع. المكوّن العلوي للقوة النفاثة يُشار إليه بأنه الرفع. هناك أيضا اثنان من القوى الأخرى التي تؤثر على حركة الطائرات. السحب والذي يُشار إليه أيضا بمقاومة الهواء، وهو القوة التي تعاكس الحركة. وهكذا فإنها تعمل عكس المكونين للقوة النفاثة (الدفع والرفع). القوة الرابعة والأخيرة هو السحب نفسه والتي تعمل بشكل مباشر لأسفل.
لتحليل الدفع نقوم بتحليل من منظور رياضي:
formula_1
لأن θ تتراوح من 0° إلى 90° وجيب تمام أي زاوية في هذا النطاق هو 0 ≤ cosθ≤ 1، فإن الدفع سيكون دائما أقل من أو يساوي القوة النفاثة كما هو متوقع حيث أن الدفع هو جزء من القوة النفاثة.
بصورة مماثلة لتحليل الدفع، نبدأ بنظرة رياضية:
formula_2
بصورة مماثلة لجيب التمام، فإن جيب الزاوية التي تتراوح من 0° إلى 90° سيكون دائما بين الصفر والواحد. ولذلك فإن الرفع سيكون دائما أقل من القوة النفاثة. من بين القوة النفاثة وقوة الدفع وقوة الرفع يمكن دائما إيجاد أحدهما عند معرفة الاثنين الآخرين باستخدام معادلة المسافة. في هذه الحالة ستكون:
formula_3
من هنا فإن القوة النفاثة وقوة الدفع وقوة الرفع جميعا متصلين.
السحب أو مقاومة الهواء هي القوة التي تعاكس الحركة. في حين أن الدفع هي القوة التي توفر الحركة الأمامية، والرقع هي القوة التي توفر الحركة الرأسية، فإن السحب هو القوة التي تعاكس هاتين القوتين. مقاومة الهواء هو احتكاك بين الهواء نفسه وبين الجسم المتحرك (الطائرة في هذه الحالة). حساب مقاومة الهواء أكثر تعقيدا بكثير من حساب الدفع والرفع حيث تتعلق بمادة الطائرة بالإضافة إلى عوامل متغيرة أخرى. إلا أن الطائرات والصواريخ تُبنى من مواد وفي أشكال تقلل من قوة السحب لزيادة القوة التي تحرك الطائرة أو الصاروخ للأمام أو لأعلى.
الوزن هوالقوة لأسفل والتي سجب أن يتغلب عليها الرفع ليُنتج حركة لأعلى. على كوكب الأرض، من السهولة حساب الوزن:
formula_4
في هذه المعادلة ، m تمثل كتلة الجسم و g هو تسارع التي يتم إنتاجه عن طريق الجاذبية. على الأرض، هذه القيمة تساوي تقريبا 9.8 متر/ثانية تربيع. عندما تكون قوة الرفع أكبر من قوة الوزن، تتسارع الطائرة لأعلى.
لحساب سرعة السفينة بسبب القوة النفاثة نفسها، يكون تحليل الزخم ضروريا. ينص قانون الحفاظ على الزخم ما يلي:
formula_5
في هذه الحالة، m1 يمثل كتلة الغاز في نظام الدفع، v1 يمثل السرعة الأولية لهذا الغاز، m2 يمثل كتلة الصاروخ، و v2 يمثل السرعة الأولية للصاروخ. على الطرف الآخر من المعادلة، v1f يمثل السرعة النهائية للغاز، v2f يمثل السرعة النهائية للصاروخ. في البداية، كل من الغاز في نظام الدفع و الصواريخ ثابتة، مما يؤدي إلى أن v1 و v2 تساوي 0. لذا يمكن أن تكون المعادلة أبسط كالتالي:
formula_6
بعد بعض عمليات الجبر البسيطة، يمكننا حساب أن v2 (سرعة الصاروخ) هي كالتالي:
formula_7
هذا يعطينا سرعة الطائرة بعد الاقلاع مباشرة. لأننا نعلم جميع القوى التي تؤثر على الطائرة من هذه النقطة، يمكننا حساب صافي التسارع باستخدام قانون نيوتن الثاني. وبمعرفة السرعة التي تنطلق الطائرة بها مع التسارع عند أي نقطة، يمكن أيضا حساب السرعة عند أي نقطة.