Tõukejõud on jõud või tõuge. Kui süsteem lükkab või kiirendab massi ühes suunas, siis on vastassuunas sama suur tõukejõud. Matemaatikas ja füüsikas kirjeldavad seda Isaac Newtoni teine ja kolmas seadus. Tõukejõudu kasutatakse selle kirjeldamiseks, kui tugevalt mootor lükkab. Seda saab kasutada paljude sõidukite ja mootorite puhul, näiteks rakettide, mootorpaatide, propellerite ja reaktiivmootorite puhul. Tõukejõud on vektor, sellele iseloomulik suurus on jõu hetkeline väärtus ja suund, mille komponendid määravad keha liikumise muutuse.

Newtoni seadused ja matemaatiline kirjeldus

Newtoni teine seadus seob tõukejõu keha massi ja selle kiirendusega läbi seose F = m · a, kus F on resultantjõud (sh tõukejõud), m on mass ja a on kiirendus. See tähendab, et suurem tõukejõud annab sama massi juures suurema kiirenduse.

Newtoni kolmas seadus ütleb, et iga toime kohta on võrdne ja vastassuunaline vastasmõju: kui mootor lükkab massi ühes suunas, siis mass avaldab mootorile võrdset suurust vastassuunas. See on raketi tõuke põhialus: kõrgsurvega gaasid paiskuvad välja, gaasidele antakse liikumisimpulss ühes suunas ja raketile vastassuunaline impulss ehk tõukejõud.

Rakettide ja reaktiivmootorite täpsem thrust-võrrand on sageli kirjutatud kujul:

  • F = ṁ · v_e + (p_e − p_a) · A_e,

kus ṁ on massi väljavoolu kiirus (kg/s), v_e on heitgaaside suhteline väljapääsu kiirus (m/s), p_e on heitgaaside rõhk väljalaskeavas, p_a on ümbritsev atmosfäärirõhk ja A_e on väljalaskeava ristlõikepindala. Esimene liige on impulsi teisaldamise osa, teine liige on rõhuerinevuse panus (eriti oluline madalrõhu tingimustes või suurtel düüsiavadel).

Mõõtühikud ja teisendused

Ameerika Ühendriikides mõõdetakse tõukejõudu sageli naelades (ingl. pound-force, lbf) ja rahvusvahelises meetersüsteemis SI üksus on njuuton (N). 1 nael tõukejõudu vastab ligikaudu 4,4482216 njuutonile; lihtsustatult öeldes on 4,45 njuutonit tõukejõudu ligikaudu 1 nael.

Matemaatiliselt seostatakse nael-tõuke (1 lbf) standardse gravitatsiooniga g0 = 9,80665 m/s² ja massiga 1 lbm (0,45359237 kg):

  • 1 lbf = 0,45359237 kg × 9,80665 m/s² ≈ 4,4482216 N.

Märkus: kõnekeeles mõeldakse sageli „naela” kui jõuühikut (nael-tõuge), samas kui inglise süsteemis on olemas ka nael massina (lb või lbm); nende vahe tuleb võrdlusel arvesse võtta.

Rakendused ja praktilised näited

  • Raketid: rakettide tõukejõud võib olla väga suur — me räägime sageli tuhandetest ja miljonitest njuutonitest (kN või MN) kogu mootori/etapi tasandil.
  • Reaktiivmootorid ja lennukid: lennukimootorite tõukejõud jääb tavaliselt kümnetesse kuni sadadesse kN-idesse sõltuvalt tüübist; väiksemate propellerite ja turboprop-mootorite tõuke võib olla aga vaid paarist sajast niuutonist kuni mõne kilonewtoni.
  • Mootorpaadid ja propellerid: veekogul liikuvate sõidukite tõuke määrab, kui kiiresti ja efektiivselt saab laev takistustel edasi liikuda.
  • Kodumasinad ja ventilatsioon: tugev ventilaatormootor toodab väiksemas mastaabis tõukejõudu, mis põhjustab õhu liikumist ja rõhulangust.

Oluline näitaja on tõuke-suhtarv (thrust-to-weight ratio), mis väljendab mootori või sõiduki tõuke suhet kaalule (tõuke jagatud kogu kaaluga). See määrab, kas ja kui kiiresti süsteem suudab vertikaalselt tõusta või kiirendada.

Mõõtmine ja testimine

Tõukejõudu mõõdetakse spetsiaalsetel thrust-stand-testseadmetel, mis kasutavad koormandmeid (load cell) või jõumõõtureid, et registreerida mootori poolt genereeritud reaktsioonjõud. Propellerite ja väiksemate mootrite puhul tehakse tihti ka statiilsete tingimuste mõõtmisi; lennuolukorras hinnatakse tõuket instrumentaalsete mõõtude, telemeetriapõhise andmestiku ja mudelite abil.

Testimise ajal arvestatakse ka keskkonnatingimusi (õhurõhk, temperatuur), sest need mõjutavad heitgaaside tihedust ja tõeku hulka (mõjutab teist võrrandi liiget (p_e − p_a) · A_e)).

Täiendavad mõisted

  • Efektiivne heitgaasi kiirus (v_e) ja surtõuke: kõrgema väljuva gaasi kiirusega samas massivoolus toodetakse suuremat tõukejõudu.
  • Spetsiifiline impulss (Isp): mõõdab tõhustamist efektiivsuse vaates — selle ühik on sekundid ja see näitab, kui palju aega üks kilogramm põlevast massist suudab toota teatud tõukejõudu võrreldes raskuskiirusega g0.
  • Propulsive efficiency: kui suur osa kütuse keemilisest energiast muundub keha kineetiliseks energiaks (liikumiseks).

Kokkuvõtlikult: tõukejõud on põhikontseptsioon, mis selgitab, kuidas mootorid ja süsteemid tekitavad liikumist läbi massi või fluide väljapaiskamise. Selle suuruse mõistmine ning õige mõõtmine on hädavajalik nii lennunduses, kosmonautikas kui ka meretranspordis ja paljudes tehnilistes rakendustes.

Ameerika Ühendriikides mõõdetakse tõukejõudu naelades ja meetermõõdustikus njuutonites. 4,45 njuutonit tõukejõudu vastab 1 naelale tõukejõule. Ühe naela tõukejõud on see, kui palju tõukejõudu on vaja, et hoida ühe naela kaaluga objekt Maa gravitatsioonijõu suhtes liikumatuna.