Newton als stuwkracht
Een newton is de kracht die een kilogram in één seconde op een snelheid van een meter per seconde brengt. Een appel van ongeveer 100 gram drukt met een kracht van een newton op je hand. Een raketmotor stoot per seconde honderden kilogrammen gas uit met 3–4 km/s en krijgt zo een stuwkracht van miljoenen newton: meganewtons.
Stuwkracht bestaat uit twee termen: de impuls van de straal ṁ·vₑ en het drukverschil aan de uitlaat van de straalpijp. Daarom levert dezelfde motor op zeeniveau minder stuwkracht dan in vacuüm, en bepaalt de vorm van de straalpijp waar hij het best werkt. Een raket stijgt alleen op als de stuwkracht groter is dan het gewicht; hun verhouding is de stuwkracht-gewichtverhouding.
| Aanduiding | N · kN · MN |
| Definitie | 1 N = 1 kg·m/s² — volgens de tweede wet van Newton F = ma |
| Stuwkracht | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Oude eenheden | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Opstijgen | stuwkracht-gewichtverhouding F / mg groter dan 1 · bij raketten bij de start 1,2–1,6 |
| Typische waarden | appel — 1 N · vliegtuigmotor — honderden kN · vloeistofraketmotor — ongeveer 2 MN · zware raket — 30–70 MN |
01 · Definitie
Kracht, impuls van de straal en druk aan de uitlaat
Tweede wet van Newton: kracht is massa maal versnelling. Een newton is de kracht waarbij een kilogram een versnelling van 1 m/s² krijgt. De motor zet zich af tegen zijn eigen straal: elke seconde stoot hij een massa ṁ uit met snelheid vₑ en krijgt hij een kracht ṁ·vₑ — volgens de derde wet.
De tweede term is de druk. Drukt het gas aan de uitlaat harder dan de lucht, dan duwt het nog mee; drukt het zwakker, dan knijpt de lucht de straal in en kost dat stuwkracht. Een lange straalpijp versnelt het gas sterker en werkt goed in vacuüm, maar verliest op zeeniveau. Een korte juist andersom. De specifieke impuls Isp is de stuwkracht per gewicht verbruikte stuwstof per seconde, in seconden: hoe hoger, hoe zuiniger de motor.
Hoeveel newton is nodig om op te stijgen
Kies wat je wilt optillen en stel de stuwkracht in — de schaal is logaritmisch, van 0,1 N tot 100 MN. Gewicht is de zwaartekracht mg. Opstijgen lukt als de stuwkracht groter is dan het gewicht.
Garage: bouw een raket uit onderdelen
De raket staat in de assemblagehal. Elk onderdeel verandert de massa, de luchtweerstand en de stuwkracht: de neuskegel de vorm van de neus, de romp de diameter van de tanks en hoeveel motoren erin passen, de vinnen de stabiliteit bij max-Q, de motor en de straalpijp de stuwkracht en de specifieke impuls. Het laatst gewijzigde onderdeel licht op. Rechts: massa per onderdeel, stuwkracht-gewichtverhouding en snelheidsreserve. Is de raket klaar — «Naar het lanceerplatform».
Bouw een raket — en kijk of hij opstijgt
De raket wordt hierboven in de garage gebouwd: neuskegel, romp, vinnen, motoren, straalpijp, stuwstof en lading. Wat gebouwd is, rijdt naar de lanceertafel. De hoofdactie is «Lanceren»: aftellen, ontsteking, lift-off, geluidsbarrière, maximale dynamische druk, uitschakelen van de motoren en ballistische vlucht tot het hoogste punt. In de garage kun je een tweede trap toevoegen en «Draai naar baan» inschakelen: na de lift-off kantelt de raket naar de horizon, de eerste trap wordt afgestoten, de tweede bouwt ongeveer 7,8 km/s zijwaarts op — en ligt het perigeum hoger dan 160 km, dan is de raket in een baan. Zonder draai is de vlucht verticaal, zoals bij een sondeerraket. De eerste seconden gaan langzaam, daarna is de vlucht versneld; met de schuif onder de scène spoel je hem door. Rechts de straalpijp in doorsnede: druk aan de uitlaat tegen de buitendruk, die bepalen de vorm van de straal en de stuwkracht.
—
02 · Omrekening
| {n} | {v} | {note} |
Snel rekenen: een tonkracht is bijna 10 kN, honderd ton stuwkracht ongeveer 1 MN. Preciezer: vermenigvuldig met 9,807.
Amerikaanse motoren worden vaak in pondkracht beschreven: een miljoen lbf is 4,45 MN.
03 · Ordes van grootte
04 · Meetinstrumenten
05 · Schrijfregels
06 · Naburige eenheden
07 · Historisch deel
De newton is een afgeleide SI-eenheid: kilogram, meter en seconde. Sinds 2019 is de kilogram vastgelegd via de constante van Planck, en daarop steunt ook de newton. Krachtnormalen zijn machines die een opnemer belasten met bekende gewichten in een bekend zwaarteveld; de grootste halen enkele meganewtons.
De stuwkracht van een raketmotor is geen vaste typeplaatwaarde. Ze hangt af van de buitendruk, daarom staan in de specificaties twee getallen: op zeeniveau en in vacuüm. Oude naslagwerken gaven stuwkracht in tonkracht; volgens GOST 8.417 is dat een eenheid buiten het stelsel, die je naar newton omrekent door met 9 807 te vermenigvuldigen.
Catalogus van grootheden
de hele index →De zeven SI-basiseenheden
Een druppel zuur verandert de kleur van het sap, zout kleurt de vlam, water bevriest door een tik. Daaronder alle bladen van Simetrium, per vakgebied en alfabetisch.
Index openen →