رانش: نیرویی که باعث حرکت یک جسم در سیال میشود
مفهوم پایه: رانش چیست؟
هنگامی که سوار بر یک قایق پارویی هستید و پارو را در آب به عقب میکشید، قایق به جلو حرکت میکند. این نیروی جلوبرنده، رانش۱ نام دارد. در تعریف علمی، رانش نیرویی است که یک سیستم مهندسی یا طبیعی برای غلبه بر کشش۲ و شتاب دادن به خود در یک سیال (گاز یا مایع) ایجاد میکند. این نیرو همیشه در جهت مخالف خروج جرم از سیستم عمل میکند. برای درک ریشهی این نیرو باید به سراغ یکی از قوانین طلایی فیزیک برویم.
منشأ و انواع تولید رانش
رانش را میتوان به روشهای مختلفی تولید کرد. همهی این روشها بر اساس یک اصل کار میکنند: راندن مقداری جرم (سیال) به سمت عقب یا در جهت مخالف حرکت مورد نظر. جدول زیر انواع اصلی تولید رانش و مثالهای آن را نشان میدهد.
| روش تولید | چگونگی کار | مثال ملموس | سطح پیچیدگی |
|---|---|---|---|
| رانش با تماس مکانیکی | فشار دادن مستقیم جسمی به سیال با یک وسیلهی فیزیکی (مانند پارو یا پروانه). | پارو زدن قایق، چرخیدن پروانهی کشتی یا هواپیماهای ملخی | ساده |
| رانش با خروج جرم (واکنشی) | پرتاب جرم (مانند گازهای داغ) با سرعت زیاد به سمت عقب توسط موتور. | موتور راکت، فشفشه، بادکنکی که باز میشود و پرواز میکند | متوسط |
| رانش هوازی (مکشی) | مکش هوا از جلو، فشردهسازی، ترکیب با سوخت، احتراق و خروج گازهای داغ از عقب. | موتور جت۴ هواپیماهای مسافربری و جنگنده | پیشرفته |
محاسبهی رانش: یک فرمول اساسی
برای سیستمهایی که با خروج جرم کار میکنند (مانند راکت)، میتوان رانش را با یک فرمول نسبتاً ساده محاسبه کرد. این فرمول بیان میکند که رانش به دو عامل بستگی دارد: ۱- میزان جرمی که در هر ثانیه خارج میشود. ۲- سرعتی که آن جرم با آن پرتاب میشود.
$F_t = \dot{m} \cdot v_e + (p_e - p_a) \cdot A_e$
که در آن:
$F_t$: نیروی رانش کل (بر حسب نیوتن).
$\dot{m}$: نرخ جریان جرمی سیال خروجی (کیلوگرم بر ثانیه).
$v_e$: سرعت خروج گازها نسبت به موتور (متر بر ثانیه).
$p_e$: فشار گاز در دهانهی خروجی موتور (پاسکال).
$p_a$: فشار هوای محیط (پاسکال).
$A_e$: مساحت دهانهی خروجی موتور (متر مربع).
برای درک سادهتر، بخش دوم فرمول اغلب کوچک است. بنابراین میتوانیم بگوییم: رانش تقریباً برابر است با حاصلضرب «جرم خروجی در هر ثانیه» در «سرعت خروج». یعنی اگر موتوری در هر ثانیه ۱۰۰ کیلوگرم گاز را با سرعت ۲۰۰۰ متر بر ثانیه خارج کند، رانش آن تقریباً ۲۰۰,۰۰۰ نیوتن خواهد بود. این عدد بزرگی است و میتواند جسم سنگینی را به پرواز درآورد!
از نظریه تا عمل: رانش در جهان پیرامون ما
حالا بیایید ببینیم این نیروی محاسبهشده در عمل چگونه جهان ما را به حرکت درمیآورد. وقتی یک هواپیمای جت روی باند میدود، موتورهای آن مقادیر عظیمی از هوا را میمکند، با سوخت ترکیب میکنند و گازهای داغ حاصل از احتراق را با سرعت بسیار بالا به عقب پرتاب میکنند. بر پایهی قانون سوم نیوتن، این عمل (پرتاب گاز به عقب) باعث ایجاد عکسالعملی به جلو (رانش) میشود که بر نیروی مقاومت هوا غلبه کرده و هواپیما را به پرواز درمیآورد.
مثال روزمرهتر: یک بادکنک بادشده را در نظر بگیرید. اگر دهانهی آن را باز رها کنید، هوای داخل با فشار خارج میشود. هوای در حال خروج (جرم) به سمت یک جهت میرود و بادکنک در جهت مخالف آن پرواز میکند. این یک موتور راکت ساده و کامل است! حتی ماهی مرکب یا اختاپوس نیز با مکیدن آب به حفرهی بدنش و سپس فوران آن به بیرون، از اصل رانش برای حرکت سریع در آب استفاده میکند.
پرسشهای متداول و باورهای نادرست
خیر، این یک تصور رایج اما نادرست است. موتورهای جت (و ملخی) اساساً هوا (یا گاز) را به سمت عقب شتاب میدهند. بر اساس قانون سوم نیوتن، این شتاب دادن به عقب، نیروی عکسالعمل (رانش) را به سمت جلو ایجاد میکند. موتور به هوا تکیه میکند تا آن را به عقب براند، نه اینکه خود را به سمت جلو بکشد.
بله، راکت در خلأ کامل نیز بهخوبی کار میکند. دلیل آن این است که راکت برای تولید رانش، به «هل دادن هوا» متکی نیست، بلکه بر اساس «پرتاب جرم» کار میکند. سوخت و اکسیدکنندهی خود را حمل میکند و با سوزاندن آنها، جرمی (گازهای داغ) را با سرعت بالا به عقب پرتاب میکند. این عمل، عکسالعملی به جلو ایجاد میکند. در واقع، راکت برای هل دادن، به چیزی خارج از خود وابسته نیست و عملکرد آن در خلأ حتی بهتر است چون مقاومت هوایی وجود ندارد.
مهمترین تفاوت در منبع اکسیدکننده۵ است. موتور راکت هم سوخت و هم اکسیدکننده (مانند اکسیژن مایع) را با خود حمل میکند، بنابراین برای سوختن به هوای بیرون نیازی ندارد و میتواند در خلأ فضا کار کند. اما موتور جت فقط سوخت را حمل میکند و اکسیدکننده (اکسیژن) را از هوای اطراف میمکند. به همین دلیل، موتورهای جت فقط در اتمسفر قابل استفاده هستند.
پاورقی
۱ رانش (Thrust)
۲ کشش (Drag)
۳ قانون سوم نیوتن (Newton's Third Law of Motion)
۴ موتور جت (Jet Engine)
۵ اکسیدکننده (Oxidizer)
