Stuwkracht

Ga op een skateboard staan en gooi een zware bal naar achteren: je rolt vooruit. Vergroot dat uit tot de 'bal' een ton lucht per seconde is, en je hebt een straalmotor. Al het andere in deze cursus (de compressor, het vuur, het draaien) dient maar één doel, sneller en harder: lucht naar achteren gooien.

Newtons afrekening

Stuwkracht is boekhouden met impuls. Er komt lucht binnen op vliegsnelheid, en die verlaat de motor sneller — de kracht die je voelt is hoe snel die impuls verandert:

Massastroom $\dot{m}$ (kilogram lucht per seconde) keer hoeveel je die versnelt. Beide knoppen werken: gooi meer lucht, of gooi sneller. Een grote verkeersvliegtuigmotor verplaatst bij het opstijgen meer dan een ton lucht per seconde en levert daarmee ongeveer 400 kN — het gewicht van veertig gezinsauto's, en dat uit een machine waar je zo een bestelbus in kwijt kunt.

In die vergelijking zit meteen het diepste ontwerpvraagstuk van deze cursus verstopt. Groot-en-traag tegenover klein-en-snel is een echte keuze — en de natuur rekent voor beide heel verschillend af. Kinetische energie groeit met snelheid in het kwadraat, terwijl impuls maar lineair meegroeit. Een klein beetje lucht keihard wegslingeren verspilt dus energie als hete, snelle uitlaatlucht. Rustig veel lucht versnellen is fundamenteel efficiënter dan hardhandig een beetje lucht versnellen — onthoud die zin; hij komt terug in de les over bypass, als verklaring waarom vliegtuigmotoren zo dik zijn.

Niets om tegen te duwen

De hardnekkige mythe: 'de straalmotor duwt tegen de lucht erachter'. Dat klopt niet — een raket werkt ook in het luchtledige, en de stuwkracht van een straalmotor ontstaat binnenin de motor: druk die op de machine zelf werkt. De impulsvergelijking is niets anders dan de eerlijke optelsom van miljoenen moleculaire botsingen tegen compressorschoepen, behuizing en straalpijpwand, die samen uitkomen op één voorwaartse duw op het metaal. Gooi massa de ene kant op, en wat gooit beweegt de andere kant op. De lucht erachter is geen muur; het is gewoon waar de weggegooide lucht terechtkomt.

Het probleem van de propeller

Propellers doen dat 'lucht naar achteren gooien' eigenlijk al prachtig — een grote schijf die rustig een enorme massastroom versnelt, precies wat efficiëntie wil. Maar propellers lopen tegen een muur op: voorbij zo'n 700 km/h gaan de tips van de bladen (die door het draaien toch al snel bewegen) door de geluidsbarrière, ontstaan er schokgolven (de laatste les van de vorige cursus), en verandert de efficiëntie in lawaai en weerstand. De vraag uit de jaren dertig — hoe gooi je lucht naar achteren bij 900 km/h? — beantwoorden de volgende negen lessen. De machine die dat als eerste oploste, draaide voor het eerst in 1937, en dat verhaal staat op deze site: