Comprensión del empuje: cómo los cohetes y los aviones miden la potencia

¿Qué es el empuje?

El empuje es la fuerza que impulsa una aeronave, un cohete o una nave espacial a través del aire o el espacio. A diferencia de la clasificación de caballos de fuerza en su automóvil, que mide la rapidez con la que un motor puede realizar el trabajo, el empuje mide la fuerza de empuje bruta que supera la resistencia y la gravedad para mantener los vehículos en movimiento hacia adelante y hacia arriba.

En esencia, el empuje es una fuerza de reacción explicada por la Tercera Ley de Movimiento de Newton: por cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Cuando un motor a reacción expulsa gases calientes hacia atrás a alta velocidad, o cuando un cohete lanza propulsor sobrecalentado fuera de sus boquillas, la reacción empuja el vehículo en la dirección opuesta.

Comprender el empuje es esencial para cualquier persona interesada en la aviación, la ingeniería aeroespacial o simplemente que desee apreciar las increíbles fuerzas que permiten el vuelo moderno y la exploración espacial.

Empuje vs. Caballos de fuerza: Comprender la diferencia

Mucha gente confunde el empuje con los caballos de fuerza, pero miden cosas fundamentalmente diferentes:

Caballos de fuerza mide la velocidad a la que se realiza el trabajo. Un caballo de fuerza equivale a 745,7 vatios o la potencia necesaria para levantar 550 libras un pie en un segundo. Los motores de los automóviles se clasifican en caballos de fuerza porque describe la rapidez con la que pueden acelerar un vehículo o mantener la velocidad contra la fricción.

Empuje mide la fuerza directamente, independientemente de la velocidad. Un motor a reacción que produce 10.000 libras de empuje ejerce la misma fuerza de empuje ya sea que la aeronave esté estacionaria en la pista o que esté navegando a 600 mph.

La relación se vuelve clara cuando se considera que la potencia es igual a la fuerza por la velocidad. Un motor a reacción que produce 20.000 lbf de empuje a 500 mph entrega aproximadamente 26.800 caballos de fuerza. El mismo motor en reposo en la pista, a pesar de producir el mismo empuje, entrega cero caballos de fuerza porque la aeronave no se está moviendo.

Esta es la razón por la cual los cohetes y los aviones se clasifican en empuje en lugar de caballos de fuerza. Su potencia de salida varía continuamente con la velocidad, pero el empuje que producen permanece relativamente constante (con alguna variación debido a la altitud y otros factores).

Unidades de medida de empuje

El empuje se mide en unidades de fuerza. Las tres unidades más comunes que encontrará son:

Newtons (N)

El Newton es la unidad de fuerza del SI (Sistema Internacional). Un Newton es la fuerza necesaria para acelerar una masa de un kilogramo a un metro por segundo al cuadrado. En términos cotidianos, un Newton es aproximadamente la fuerza ejercida por la gravedad sobre una pequeña manzana (aproximadamente 100 gramos).

Los Newtons se utilizan internacionalmente en contextos científicos y de ingeniería. La mayoría de las empresas aeroespaciales y agencias espaciales informan el empuje en Newtons o kilonewtons.

Conversión: 1 N = 0,2248 lbf

Libras-fuerza (lbf)

Libras-fuerza es la unidad imperial de fuerza, comúnmente utilizada en la industria aeroespacial de los Estados Unidos. Una libra-fuerza es la fuerza gravitacional ejercida sobre una masa de una libra en la superficie de la Tierra (con una gravedad estándar de 32,174 pies/s al cuadrado).

Los fabricantes de aviones estadounidenses, la FAA y muchas empresas aeroespaciales con sede en los EE. UU. utilizan principalmente libras-fuerza para las especificaciones de empuje.

Conversión: 1 lbf = 4,448 N

Kilonewtons (kN)

Para los enormes valores de empuje producidos por los motores a reacción y los cohetes, los kilonewtons (1.000 Newtons) proporcionan números más manejables. Un motor a reacción comercial típico produce un empuje en el rango de 100-500 kN, mientras que los motores de cohete pueden superar los 10.000 kN.

Conversión: 1 kN = 224,8 lbf = 1.000 N

Utilice nuestro Convertidor de unidades de fuerza para conversiones rápidas entre estas y otras unidades de fuerza.

Cómo los motores a reacción generan empuje

Los motores a reacción generan empuje a través de un ciclo continuo de compresión, calentamiento y expulsión de aire. El proceso sigue estas etapas:

El ciclo central

1. Entrada: El aire entra en el motor a través de la entrada. A velocidades subsónicas, la entrada simplemente canaliza el aire; a velocidades supersónicas, ralentiza el aire a velocidad subsónica.

2. Compresión: Una serie de palas de ventilador giratorias (compresores) exprimen el aire de 20 a 40 veces la presión atmosférica. Esta compresión también calienta el aire significativamente.

3. Combustión: Se inyecta combustible en el aire comprimido y se enciende. Las temperaturas alcanzan de 1.400 a 2.000 grados Celsius (de 2.500 a 3.600 grados Fahrenheit), lo que aumenta enormemente la energía del gas.

4. Expansión: El gas caliente a alta presión se expande a través de la turbina, que extrae la energía suficiente para alimentar el compresor. La energía restante acelera el gas fuera de la boquilla de escape.

5. Escape: El gas sale del motor a alta velocidad (normalmente de 1.500 a 2.000 mph), generando empuje como reacción a esta aceleración hacia atrás.

Turboventilador vs. Turborreactor

Los aviones comerciales modernos utilizan motores turboventiladores, donde un gran ventilador frontal empuja la mayor parte del aire alrededor del núcleo en lugar de a través de él. Este aire de derivación proporciona la mayor parte del empuje al tiempo que reduce el ruido y mejora la eficiencia del combustible. La relación de derivación (aire de derivación a aire del núcleo) varía de 5:1 para los diseños más antiguos a 12:1 para los motores más recientes.

Los motores turborreactores empujan todo el aire a través del núcleo y son más eficientes a velocidades muy altas. Se utilizan principalmente en aviones militares y algunos aviones de negocios.

Postquemadores

Los cazas militares a menudo cuentan con postquemadores (o recalentamiento), que inyectan combustible adicional en la corriente de escape después de la turbina. Esto aumenta drásticamente el empuje (a menudo en un 50% o más) pero a costa de un enorme consumo de combustible. Los postquemadores se utilizan para ráfagas cortas durante el despegue, las maniobras de combate o la aceleración supersónica.

Cómo los motores de cohete generan empuje

Los motores de cohete operan con un principio más simple pero más extremo que los jets: llevan combustible y oxidante a bordo, lo que les permite operar en el vacío del espacio donde no hay aire para respirar.

El proceso de combustión

1. Flujo de propulsor: El combustible y el oxidante (ya sea almacenados por separado como líquidos o combinados en forma sólida) fluyen hacia la cámara de combustión.

2. Combustión: Los propulsores se encienden y se queman a temperaturas extremadamente altas (a menudo superando los 3.000 grados Celsius o 5.400 grados Fahrenheit).

3. Expansión: Los gases de combustión se expanden a través de una boquilla con forma especial (normalmente una boquilla de Laval) que los acelera a velocidades supersónicas.

4. Escape: Los gases salen a velocidades de 2.500 a 4.500 m/s (5.600 a 10.000 mph), generando empuje a través de la reacción.

Cohetes líquidos vs. sólidos

Los cohetes líquidos (como los motores principales SpaceX Merlin o Space Shuttle) utilizan tanques separados de combustible y oxidante. Ofrecen un control preciso del acelerador y se pueden apagar y reiniciar. Las combinaciones de propulsores comunes incluyen:

• RP-1 (queroseno refinado) + oxígeno líquido
• Hidrógeno líquido + oxígeno líquido
• Metano + oxígeno líquido

Los cohetes sólidos (como los propulsores del transbordador espacial) combinan combustible y oxidante en una mezcla sólida. Son más simples y fiables, pero no se pueden acelerar ni apagar una vez encendidos. Proporcionan un empuje masivo y a menudo se utilizan como propulsores.

La ecuación del cohete

La física fundamental de la propulsión de cohetes se captura en la ecuación del cohete de Tsiolkovsky, que relaciona el cambio en la velocidad con la velocidad de escape y la relación entre la masa inicial y la final. Esta ecuación explica por qué los cohetes deben transportar tanto propulsor y por qué la puesta en escena (caída de tanques vacíos) es esencial para alcanzar la órbita.

Ejemplos famosos: especificaciones de empuje

F-22 Raptor

El F-22 Raptor, el principal💡 Definition:The original amount of money borrowed in a loan or invested in an account, excluding interest. caza de superioridad aérea de Estados Unidos, está propulsado por dos motores turboventiladores Pratt and Whitney F119-PW-100.

• Empuje máximo (con postquemador): 156 kN (35.000 lbf) por motor
• Empuje total: 312 kN (70.000 lbf)
• Empuje seco (sin postquemador): aproximadamente 116 kN (26.000 lbf) por motor
• Relación empuje-peso: aproximadamente 1,08 con un peso de combate típico

La relación empuje-peso del F-22 que supera 1,0 significa que puede acelerar directamente hacia arriba y mantener una subida vertical, una capacidad que proporciona ventajas decisivas en el combate aéreo.

Transbordador espacial

El sistema de lanzamiento del transbordador espacial combinó tres elementos de propulsión diferentes:

Motores principales (RS-25): tres motores de hidrógeno/oxígeno líquido

• Empuje a nivel del mar: 1.860 kN (418.000 lbf) por motor
• Empuje en el vacío: 2.280 kN (512.000 lbf) por motor
• Empuje total del motor principal: 5.580 kN (1.254.000 lbf) a nivel del mar

Impulsores de cohete sólido: dos cohetes masivos de combustible sólido

• Empuje en el encendido: 12.500 kN (2.800.000 lbf) por propulsor
• Empuje total del SRB: 25.000 kN (5.600.000 lbf)

Empuje de lanzamiento combinado: aproximadamente 30.580 kN (6.875.000 lbf), lo que convierte al transbordador espacial en uno de los vehículos de lanzamiento más potentes jamás construidos.

SpaceX Falcon 9

El Falcon 9, el cohete de trabajo de SpaceX, utiliza un grupo de motores Merlin:

Primera etapa: nueve motores Merlin 1D

• Empuje a nivel del mar: 845 kN (190.000 lbf) por motor
• Empuje total de la primera etapa: 7.607 kN (1.710.000 lbf)

Segunda etapa: un vacío Merlin 1D

• Empuje en el vacío: 981 kN (220.500 lbf)

La primera etapa reutilizable del Falcon 9 ha revolucionado la industria espacial, aterrizando con éxito más de 200 veces y reduciendo drásticamente los costes de lanzamiento.

Tabla de comparación

Relación empuje-peso explicada

La relación empuje-peso (TWR) es una de las métricas de rendimiento más importantes para cualquier aeronave o cohete. Compara el empuje que produce un motor con el peso total del vehículo.

Cálculo de TWR

TWR = Empuje / Peso

Por ejemplo, si una aeronave pesa 20.000 kg (44.000 lb) y sus motores producen 250 kN (56.000 lbf) de empuje:

TWR = 56.000 lbf / 44.000 lb = 1,27

Qué significa TWR

• TWR inferior a 1: El vehículo no puede despegar verticalmente ni mantener la altitud en un vuelo estacionario. La mayoría de los aviones comerciales tienen TWR alrededor de 0,25-0,35, y dependen de las alas para la elevación.

• TWR igual a 1: El vehículo teóricamente puede flotar, pero no tiene margen para escalar. Esto no es práctico para el vuelo real.

• TWR superior a 1: El vehículo puede acelerar directamente hacia arriba. Los aviones de combate con TWR superior a 1,0 pueden realizar ascensos verticales y maniobras agresivas imposibles para aeronaves de menor potencia.

• TWR para cohetes: Los cohetes deben tener un TWR superior a 1 en el lanzamiento para superar la gravedad. El TWR de lanzamiento típico oscila entre 1,2 y 1,5, lo que proporciona un equilibrio entre la capacidad de control y la capacidad de carga útil.

TWR variable

El TWR de un cohete cambia drásticamente durante el vuelo a medida que se consume el propulsor. Un Falcon 9 podría lanzarse a TWR 1,3, pero alcanzar TWR 3,0 o superior antes de la separación de la etapa a medida que se vacía la primera etapa. Esta es la razón por la cual los cohetes reducen la velocidad durante el período Max Q para limitar la tensión aerodinámica.

Utilice nuestra Calculadora de fuerza de empuje para calcular el empuje, el caudal másico y la velocidad de escape para diferentes escenarios de propulsión.

El futuro del empuje

La tecnología de propulsión continúa avanzando. Están surgiendo aviones eléctricos e híbridos eléctricos para vuelos de corto alcance, mientras que empresas como SpaceX desarrollan motores alimentados con metano para misiones a Marte. Los motores iónicos, aunque producen un empuje minúsculo (medido en milinewtons), permiten misiones espaciales eficientes de larga duración.

Ya sea que esté analizando el rendimiento de un avión de combate, planificando un modelo de cohete o simplemente sienta curiosidad por cómo escapamos de la gravedad de la Tierra, comprender el empuje proporciona la base para apreciar la conquista humana de los cielos y más allá.

Conclusiones clave

1. El empuje es la fuerza que impulsa a las aeronaves y los cohetes, medida en Newtons, libras-fuerza o kilonewtons
2. A diferencia de los caballos de fuerza, el empuje mide la fuerza directamente y permanece relativamente constante independientemente de la velocidad
3. Los motores a reacción generan empuje comprimiendo, calentando y expulsando aire a alta velocidad
4. Los motores de cohete transportan su propio oxidante y funcionan en el vacío del espacio
5. La relación empuje-peso determina si un vehículo puede subir verticalmente (TWR superior a 1) o requiere alas para la elevación (TWR inferior a 1)
6. Los cohetes y cazas modernos producen rutinariamente millones de libras de empuje, lo que permite todo, desde el vuelo supersónico hasta los viajes interplanetarios