Empuje (fuerza): qué es, leyes de Newton, aplicaciones y unidades
Empuje (fuerza): descubre qué es, cómo lo explican las leyes de Newton, sus unidades (newtons/libras) y aplicaciones en cohetes, motores y vehículos.
El empuje es una fuerza que actúa cuando un sistema empuja o acelera una masa en una dirección, generando una reacción igual y opuesta en la dirección contraria. En matemáticas y física esto se explica mediante la segunda y tercera ley de Isaac Newton: la segunda ley relaciona fuerza, masa y aceleración (F = m·a) y la tercera ley establece que a toda acción corresponde una reacción de igual magnitud y sentido opuesto. En propulsión, el empuje describe la fuerza que ejerce un motor al expulsar masa (gases, agua, aire) y permite el movimiento de cohetes, lanchas, hélices, motores a reacción y otros sistemas.
Concepto y tipos de empuje
- Empuje estático: fuerza medida cuando el motor está fijo y no hay velocidad del vehículo (por ejemplo, un cohete en plataforma de lanzamiento).
- Empuje efectivo o dinámico: fuerza disponible cuando el vehículo está en movimiento; puede variar con la velocidad y la densidad del fluido ambiente.
- Empuje por reacción (propulsión a chorro): generado al expulsar masa a alta velocidad (cohetes, motores a reacción).
- Empuje de hélice o empuje aerodinámico: producido al acelerar un fluido mediante palas (hélices, ventiladores, propulsores marinos), basado en la teoría del impulso y la sustentación.
Relación con las leyes de Newton
La tercera ley de Newton explica por qué existe el empuje: al acelerar (expulsar) masa hacia atrás, el motor recibe una fuerza hacia adelante. La segunda ley permite cuantificar la fuerza necesaria para obtener una aceleración dada sobre una masa: F = m·a. En propulsión, la fuerza (empuje) también puede describirse mediante la variación de momento lineal del flujo de masa expulsado.
Fórmulas comunes en propulsión
Para cohetes y boquillas idealizadas, el empuje T viene dado por:
T = ṁ·v_e + (p_e − p_a)·A_e
- ṁ = caudal másico de los gases de escape (kg/s)
- v_e = velocidad de los gases en la tobera respecto al motor (m/s)
- p_e = presión de los gases a la salida
- p_a = presión ambiente
- A_e = área de salida de la tobera (m²)
El primer término (ṁ·v_e) es el empuje por cambio de momento; el segundo es un término de presión que puede aumentar o disminuir el empuje según la diferencia entre la presión de salida y la ambiental.
En hélices y ventiladores, el empuje se puede aproximar usando la teoría del impulso (momentum theory) relacionando el incremento de velocidad del fluido con el caudal másico movido por la hélice.
Unidades y conversiones
El empuje se mide en newtons (N) en el Sistema Internacional. En Estados Unidos y en aviación se usa frecuentemente la "libra de empuje" (pound-force, lbf). La conversión exacta es:
1 lbf = 4.4482216152605 N
En la práctica se redondea a 4,45 N por lbf. Decir que "una libra de empuje es la cantidad de empuje que se necesita para mantener inmóvil un objeto de una libra contra la gravedad en la Tierra" es una forma intuitiva: corresponde a la fuerza necesaria para equilibrar el peso de una masa de 1 lb bajo la gravedad estándar (g0 ≈ 9,80665 m/s²).
Rendimiento y parámetros importantes
- Impulso específico (Isp): medida de eficiencia de un propulsor; es el empuje por unidad de flujo másico de propelente y se expresa en segundos. Mayor Isp indica mayor eficiencia en el uso del propelente.
- Relación empuje-peso (T/W): cociente entre el empuje total disponible y el peso del vehículo; clave para determinar capacidad de despegue y aceleración.
- Empuje específico de combustible: para motores a reacción y turbinas, relaciona empuje con consumo de combustible.
Aplicaciones y ejemplos
- Cohetes: empuje extremadamente alto para vencer la gravedad y enviar cargas al espacio (kN–MN).
- Motores a reacción (turbojet, turbofan): generan empuje acelerando aire y expulsándolo; se miden en kN o lbf.
- Hélices y hélices de aeronaves ligeras: generan empuje en rangos de decenas a cientos de newtons según tamaño.
- Propulsión marina: tornillos y chorros de agua que crean empuje para mover embarcaciones.
- Sistemas de control de actitud y maniobra (RCS) en naves espaciales: pequeños empujes para orientación y corrección de trayectoria.
Medición y consideraciones prácticas
- El empuje se mide con bancos de ensayo (thrust stands) y células de carga.
- El empuje varía con la altitud y la velocidad: por ejemplo, un motor a reacción suele generar más empuje a ciertas velocidades y menos en vacío; un cohete suele producir más empuje en atmósfera densa por el término de presión, aunque en vacío el término de presión desaparece y el empuje depende principalmente de ṁ·v_e.
- En el diseño se busca un equilibrio entre empuje, masa y consumo para optimizar el rendimiento (alcance, carga útil, economía).
Ejemplos numéricos rápidos
- Un motor pequeño de modelo puede generar 10 N de empuje (≈ 2,25 lbf).
- Un motor de avión comercial típico puede generar decenas de kN (por ejemplo, 100 kN ≈ 22 480 lbf).
- Cohetes grandes producen empujes del orden de MN (mega-newtons), suficientes para levantar toneladas desde la superficie terrestre).
En resumen, el empuje es la fuerza que permite a sistemas propulsivos transformar la expulsión o aceleración de masa en movimiento utilizable; se fundamenta en las leyes de Newton y se cuantifica y optimiza mediante expresiones físicas, medidas y parámetros de rendimiento como el impulso específico y la relación empuje-peso.
Curva de empuje de un motor Estes A10-PT. Una curva de empuje muestra la cantidad de empuje (en newtons) que produce el motor a lo largo del tiempo (en segundos). También tiene información sobre el impulso, la cantidad de combustible y el impulso específico
Empuje en comparación con la potencia
Una pregunta muy común es cómo comparar el número de empuje de un motor de avión con la potencia mecánica de un motor de pistón (el tipo de motor de los coches y de muchos aviones con hélices). Es difícil comparar estos dos motores. Esto se debe a que no miden exactamente lo mismo. Un motor de pistón no mueve el avión. Sólo hace girar la hélice, que mueve el avión. Por ello, los motores de pistón se clasifican en función de la potencia que proporcionan a la hélice.
Sin embargo, un motor a reacción no tiene hélice, sino que empuja el avión moviendo aire caliente detrás de él. Una forma útil de medir la potencia de un motor a reacción es la cantidad de potencia que el motor a reacción proporciona a la aeronave a través de su fuerza de empuje. Esto se llama "potencia de propulsión del motor a reacción". La potencia es la cantidad de fuerza que se necesita para mover algo a lo largo de una distancia, dividida por el tiempo que se necesita para mover esa distancia:
P = F d t {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}} 
,
Donde P es la potencia, F es la fuerza, d es la distancia y t es el tiempo. En el caso de un cohete o un motor a reacción, la fuerza es la misma que el empuje producido por el motor. La distancia dividida por el tiempo también se llama velocidad. Por tanto, la potencia es lo mismo que el empuje por la velocidad
P = T v {\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}} 
,
Donde T es el empuje y v es la velocidad. Es la potencia que entrega el motor a un determinado empuje o velocidad. La potencia de propulsión de un motor a reacción aumenta con su velocidad.
Empuje comparado con el peso
Cuando se compara el empuje de un cohete o un motor con el peso, se denomina relación empuje-peso. El número que resulta de esta comparación no tiene unidades, porque es una relación. Una relación en este caso significa que el empuje del motor (en newtons) se divide por el peso (en newtons). El objetivo de esta comparación es mostrar el rendimiento del motor o del vehículo, por ejemplo la aceleración. Es un número que puede utilizarse para comparar varios tipos de motores, como los de los aviones, los de los reactores, los de los cohetes o los de los coches.
Este número de comparación puede cambiar mientras el motor está en funcionamiento. Esto se debe a que el peso del motor se aligera a medida que se utiliza el combustible. La relación empuje-peso se utiliza para comparar realmente los motores es el número encontrado cuando el motor está funcionando por primera vez.
El empuje se mide en "libras de empuje" en Estados Unidos y en newtons en el sistema métrico. 4,45 newtons de empuje equivalen a 1 libra de empuje. Una libra de empuje es la cantidad de empuje que se necesita para mantener inmóvil un objeto de una libra contra la fuerza de la gravedad en la tierra.
Ejemplos
Un avión genera empuje hacia delante cuando el aire es empujado en la dirección opuesta al vuelo. El empuje lo producen las palas giratorias de una hélice. El empuje también puede producirse mediante un ventilador giratorio que empuja el aire desde la parte trasera de un motor a reacción. Otra forma es mediante la expulsión de gases calientes de un motor de cohete.
El empuje inverso es lo contrario del empuje hacia delante. De este modo, el aire es empujado de la misma manera que el movimiento del cuerpo. El empuje inverso puede utilizarse para ayudar a frenar después del aterrizaje. Esto puede hacerse redirigiendo el empuje en un motor turbofán o a reacción o cambiando el ángulo de las palas de un avión con hélice.
Las aves normalmente consiguen el empuje durante el vuelo batiendo las alas.
Una embarcación con motor produce empuje o empuje inverso cuando las hélices giran para empujar el agua hacia atrás (o hacia delante). El empuje que se produce empuja la embarcación en la dirección opuesta a la que se empuja el agua.
Un cohete es empujado hacia delante por una fuerza de empuje tan grande como la que ejercen los gases de escape al salir de la tobera del cohete. La fuerza que ejercen los gases de escape se denomina velocidad de escape. La velocidad se mide en comparación con el cohete. Para que el lanzamiento vertical de un cohete funcione, el empuje inicial debe tener más fuerza que el peso del cohete.
| Motor | Empuje (N) | Relación entre empuje y peso |
| F-15C Eagle | 155,240 | 1.12 |
| F-16 Fighting Falcon | 76,300 | 1.095 |
| J-58 (motor del SR-71 Blackbird) | 150,000 | 5.2 |
| Boeing 747-400 (Motores) | 1,008,000 | 6.3 |
| F-1 (motor de cohete de la primera etapa de Saturno V) | 7,740,500 | 94.1 |
| Relación entre empuje y peso de varios motores | ||
Fuerzas en la sección transversal de un avión
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