Skyvekraft

På samme måte som en kraft i mellom hjulet og veibanen er det som får en bil til å bevege seg fremover (se Fysikk for bil og motor) er det skyvekraften som virker på lufta rundt flyet som får det til å bevege seg fremover.

Skyvekraft er en av fire aerodynamiske krefter som virker på et fly i lufta. Det er den kraften som skyver flyet gjennom lufta, derav navnet. Skyvekraften må være høyere enn luftmotstanden for å få til en fremoverrettet akselerasjon som trengs for å lette (øke høyden) og for å øke flyets hastighet i jevn høyde. For et fly som flyr i konstant fart vil skyvekraft være lik luftmotstanden.

To av Sir Isaac Newtons bevegelseslover har å gjøre med kraft, og dermed også med skyvekraft. Hans 2. lov definerer kraft som produktet av masse og akselerasjon; F = m * a. Jo mer kraft vi bruker på et objekt med en gitt masse, jo større blir akselerasjonen. Newtons 3. lov sier at enhver aksjon har en like stor og motsatt rettet reaksjon.

En flymotors oppgave er å produsere skyvekraft. Med en vanlig stempelmotor (reciprocating engine), det samme som en vanlig forbrenningsmotor og som tidligere var den vanligste typen flymotorer, er det motoren som driver en propell, som igjen produserer skyvekraft. Skyvekraften blir da produktet av effekten, målt i hestekrefter, som motoren produserer, og propellens effektivitet. En motor med flere hestekrefter vil produsere mer skyvekraft dersom propellens effektivitet er konstant. På samme måte vil en mer effektiv propell generere mer skyvekraft med samme motoreffekt. (Propell-effektivitet er et uttrykk for hvor stor del av motorens effekt som virkelig blir omformet til skyvekraft. Noe av effekten som leveres til propellen går tapt før den blir til skyvekraft pga. luftmotstand og andre faktorer.)

I propelldrevne fly – med unntak av turbopropfly som drives av en kombinasjon av en jetmotor og en propell – brukes det vanlige forbrenningsmotorer. Disse motorene er avhengig av stempler som beveger seg inne i en sylinder for å komprimere luft, og samtidig blande luft med bensin til en fin tåke. Denne tåken antennes så av en tennplugg, og vi får en eksplosjon. Disse eksplosjonene får stemplene til å bevege seg og til slutt propellene til å rotere. Noen ganger brukes kompressorer (superchargers) til å komprimere luften før den går til sylindrene, spesielt gjelder dette fly som skal fly i stor høyde der luften er tynnere.

En roterende propell produserer skyvekraft av samme grunn som en flyvinge produserer løft – hvert propellblad er vingefasong. Lufta beveger seg oppover forkanten av propellbladene (den kanten som beveger seg inn i luftstrømmen). Lufta bremses opp når den beveger seg nedover bakkanten av propellbladene. Dette gir et høyere trykk på baksiden av propellbladene og gir dermed en kraft rettet mot det lavere trykket på fremsiden av propellbladene. Denne fremoverrettede kraften kalles skyvekraft (men burde kanskje heller hete trekkraft, oversetters anm.). Brødrene Wright var de første som innså likheten mellom flyvinger og propeller.

Mot slutten av 2. verdenskrig bygde tyskerne og engelskmennene de første jetmotorene, som snart ble brukt til å drive fly. Jetmotorer virker ved å antenne drivstoff blandet med komprimert oksygen inne i motoren, noe som gir stor mengder ekspanderende avgasser som blir blåst ut gjennom en dyse bakerst i motoren under høyt trykk. Den ekstremt høye akselerasjonen i massen som denne gassen utgjør produserer en stor kraft i hht. Newtons 2. lov (F = m * a). Newtons 3. lov forklarer det som skjer videre: En reaksjonskraft blir produsert i motsatt retning av utblåsningskraften, og denne reaksjonskraften virker fremover. Denne kraften kaller vi skyvekraft.

Likningen for å beregne skyvekraften til en motor med samme trykk både inni og utenfor motoren er:

der:

  • me er massen til gass ut av motoren [kg]
  • te er den tiden det tar for denne massen å forlate motoren [s]
  • Ve er gassens hastighet [m/s]
  • mi er massen til lufta får den komprimeres i motoren [kg]
  • ti er den tiden det tar for denne luftmassen å passere et gitt område [s]
  • Vi er hastigheten på lufta som kommer inn i motoren [m/s]

For å gjøre det litt lettere å forstå, kan vi si at indeksen e referer til ‘exit’ og i til ‘intake’, dvs. hhv. utblåsning og inntak.

Med andre ord; den samlede skyvekraften er kraften av gassen som blåses ut bak minus kraften av lufta som kommer inn i fronten på motoren.

Skyvekraft, som all annen kraft, måles egentlig i N – newton (SI-enhet), men fortsatt brukes de tidligere måleenhetene kp – kilopond (eldre metrisk) eller lb – pound (britisk). Egentlig heter den britiske måleenheten nå lbf – pound-force for å skille dette fra pound som mål for masse – lbm – pound-mass, o.a. Betegnelsen N for newton skrives med stor bokstav fordi opprinnelsen er et egennavn.

Jetmotorers ytelse blir vanligvis angitt som den maksimale statiske skyvekraften de kan produsere. Selv om vanlige forbrenningsmotorer brukt i fly også produserer skyvekraft gjennom en propell, oppgis ytelsen her i form av en effekt angitt i hestekrefter (eller kilowatt) slik vi gjør for bilmotorer. For å sammenligne skyvekraft med effekt må vi vite mye om propellenes effektivitet og andre ting, så en direkte sammenligning er ofte vanskelig å gi.

Skrevet av Dan Johnston, mye oversatt og sterkt bearbeidet av Sverre K. Myren