Vilkme ir spēks vai grūdiens. Ja sistēma spiež vai paātrina masu vienā virzienā, pretējā virzienā rodas tikpat liela vilkme (spēks). Matemātikā un fizikā to apraksta Īzaka Ņūtona otrais un trešais likums. Vilkmi izmanto, lai aprakstītu, cik spēcīgi dzinējs spiež. To var izmantot daudzu veidu transportlīdzekļiem un dzinējiem, piemēram, raķetēm, motorlaivām, propelleriem un reaktīvajiem dzinējiem.
Definīcija un būtiskās īpašības
Vilkme (thrust) ir virzienā orientēts spēks, ko rada izejošs plūsmas vai grūdiens uz ķermeni. Tā ir reakcijas spēks — parādība, ko formulē Ņūtona trešais likums: ja dzinējs izmet masu (gāzes vai šķidrumu) uz vienu pusi, rodas pretreakcija, kas griež vai pārvieto transportlīdzekli pretējā virzienā. Vilkme ir vektors ar virzienu un lielumu.
Mērvienības
Standarta starptautiskā (SI) vienība vilkmei ir ņūtons (N), kur 1 N = 1 kg·m/s². Amerikā un dažās citās valstīs bieži lieto vilces mārciņu (pound-force, saīsināti lbf). Sakarība starp šīm mērvienībām ir aptuveni:
- 1 mārciņas vilces spēks (1 lbf) ≈ 4,4482216 N
- 4,45 ņūtona vilces ≈ 1 mārciņa vilces (noapaļojot)
Piezīme: jēdzieni masa un svars tiek bieži jaukti — mārciņa kā masa (lbm) un mārciņa kā spēks (lbf) nav tieši identiskas kategorijas; lbf ir spēks, kas nepieciešams, lai pretotu gravitācijai masu 1 lbm pie standartgravitācijas g0 ≈ 9,80665 m/s².
Kā aprēķina vilkmi (pamatformulas)
Vispārīgākais izteiksmes veids plūsmas dzinējiem (piem., raķetēm un reaktīvajiem dzinējiem) ir:
T = ṁ·v_e + (p_e − p_a)·A_e
kur
- T — vilkme (N),
- ṁ — izplūdes masas plūsma (kg/s),
- v_e — izejošo gāzu relatīvā izplūdes ātruma komponentes (m/s),
- p_e — izplūdes spiediens (Pa),
- p_a — apkārtesošā (atsevišķā) atmosfēras spiediens (Pa),
- A_e — izplūdes sprauslas laukums (m²).
Praktiski bieži vien pietiek ar pirmo locekli T ≈ ṁ·v_e, ja spiedienu starpība ir maza vai tiek ignorēta. Saistītā lielība ir efektīvā izplūdes ātruma v_e, kas raksturo, cik efektīvi dzinējs pārvērš masu gāzēs kustības enerģijā.
Vēl viens lietderīgs parametrs ir specifiskā impulsa (Isp), ko mēra sekundēs: Isp = T / (ṁ·g0). Tā rāda, cik efektīvi kurināmais lietots, jo lielāks Isp — mazāk degvielas nepieciešams dotai vilkmei.
Pielietojumi un piemēri
Vilkme ir centrālais rādītājs visās izejošās piedziņās, kas rada tiešu spēku uz vidi:
- Raķetes: vilkme nosaka pacelšanās spēju un paātrinājumu. Raķešu dzinēji var radīt vilkmi no daudziem kN līdz pat MN (miljoniem ņūtonu) atkarībā no dzinēja izmēra.
- Reaktīvie dzinēji un turbofani: aviācijas turboreaktori parasti attīsta vilkmi simtiem kilonewtonu (kN) lieliem pasažieru lidaparātiem.
- Propelleri un motorlaivas: propelleri rada vilkmi pret ūdeni vai gaisu; ūdensdzinēji parasti mēro vilkmi kiloniutonos vai mazāk.
- Rūpnieciskie ventilatori un pūtēji: radot straumi, tie nodrošina lineāru spēku un pārvietošanu.
Mērīšana un praktiskie aspekti
Vilkmi mēra ar īpašiem testierīcēm — thrust stand (vilkmes stends), slodzes šūnām (load cells) vai dinamometriem. Aerodinamikā reizēm izmanto arī mērījumus no plūsmas spiedieniem un Pitot-sondēm, lai novērtētu neto vilkmi.
Svarīgi atcerēties:
- Vilkme ir spēks — tā nekādi nav tiešs pagrieziena moments (torque). Motora griezes moments un vilkme ir saistītas tikai caur mehānisku pārnesi (piem., skrūves vai propellera darbībā).
- Atmosfēras spiediens ietekmē vilkmi — paceloties augstāk, spiedienu termiņš (p_e − p_a) mainās, kas dažkārt palielina vai samazina efektīvo vilkmi.
Tipiski skaitliski piemēri
- Mazs modelraķetes dzinējs: daži ņūtoni (1–100 N).
- Lielāks raķetes dzinējs vai aviācijas dzinējs: daži tūkstoši līdz simti tūkstoši ņūtonu (kN).
- Lielas raķetes pirmās pakāpes dzinēji: miljoniem ņūtonu (MN).
Rezultātā vilkme ir pamatjēdziens propulsijā un mehānikā — līdz ar Ņūtona likumiem tā palīdz aprakstīt, kā dzinēji pārvieto objektus, cik daudz degvielas nepieciešams noteiktai kustībai un kā mainās veiktspēja dažādos apstākļos.
