Фут-фунт
Обозначение: ft·lbСША, Великобритания
Что такое Фут-фунт (ft·lb)?
Формальное определение
Фут-фунт (обозначение: ft·lbf или ft·lb) — единица, используемая для измерения как энергии (работы), так и крутящего момента в имперской и американской системах единиц. Как единица энергии, один фут-фунт — это работа, совершаемая силой в один фунт-силу на расстоянии одного фута. Как единица крутящего момента — момент силы в один фунт-силу, действующей на перпендикулярном расстоянии одного фута от оси вращения. Один фут-фунт равен приблизительно 1,35582 джоуля или 1,35582 ньютон-метра.
Полное название «фут-фунт-сила» (ft·lbf) отличает эту единицу от редко используемого «фут-паундаля» (ft·pdl). На практике «фут-фунт» почти всегда означает фут-фунт-силу.
Двойная роль
Как и ньютон-метр в системе СИ, фут-фунт выполняет двойную функцию: единица крутящего момента и единица энергии. В автомобильном контексте «фут-фунты» почти всегда означают крутящий момент. В баллистике — кинетическую энергию. Контекст обычно проясняет значение.
Этимология
Составное происхождение
Термин «фут-фунт» — прямое составное слово из двух единиц измерения. «Фут» (foot) происходит от древнеанглийского «fōt». «Фунт» (pound) — от латинского «libra pondo» (фунт весом), откуда как слово «pound», так и сокращение «lb».
Историческое использование
Фут-фунт как единица работы использовался инженерами в эпоху промышленной революции для количественной оценки мощности паровых двигателей и водяных колёс. Определение лошадиной силы Джеймсом Уаттом (33 000 фут-фунтов в минуту) было одним из первых систематических применений фут-фунта.
Точное определение
Определение энергии
Один фут-фунт энергии равен работе, совершённой при перемещении объекта на один фут силой в один фунт-силу. В единицах СИ: 1 ft·lbf = 0,3048 м × 4,44822 Н = 1,35582 Дж.
Определение крутящего момента
Один фут-фунт крутящего момента — момент, создаваемый силой в один фунт-силу на перпендикулярном расстоянии одного фута от оси вращения. В единицах СИ: 1 ft·lbf = 1,35582 Н·м.
Конвертации
1 ft·lbf = 1,35582 Н·м = 1,35582 Дж = 12 in·lbf (дюйм-фунтов) = 0,138255 кгс·м = 0,001285 BTU = 0,323832 кал. Формула лошадиной силы: HP = (момент в ft·lbf × об/мин) / 5252.
История
Истоки в промышленной революции
Фут-фунт появился как практическая единица во время промышленной революции, когда инженерам потребовалось количественно оценивать механическую работу. Определение лошадиной силы Джеймсом Уаттом как 33 000 фут-фунтов в минуту (около 1782 г.) стало одним из наиболее влиятельных применений. Коэффициент 33 000 был намеренно завышен — Уатт хотел, чтобы его двигатели превосходили заявленные характеристики.
Американская инженерная традиция
По мере перехода Великобритании на метрическую систему фут-фунт стал преимущественно американской единицей. Общество автомобильных инженеров (SAE) стандартизировало использование фут-фунтов для крутящего момента двигателя, глубоко укоренив единицу в американской автомобильной культуре.
Баллистические приложения
Фут-фунт стал стандартной единицей кинетической энергии снарядов в оружейной промышленности с XIX века. Дульная энергия в фут-фунтах позволяет прямое сравнение различных боеприпасов.
Современное состояние
Сегодня фут-фунт сосуществует с ньютон-метром в мировой инженерной практике. Американские спецификации автомобилей указывают момент в ft·lbf как основную единицу, международные — в Н·м.
Современное применение
Крутящий момент двигателя
В США крутящий момент двигателя выражается в фут-фунтах. Типичный малолитражный двигатель — 130–180 ft·lbf, V6 — 250–350 ft·lbf, V8 — 350–500 ft·lbf, высокопроизводительные — свыше 600 ft·lbf. Дизели грузовиков — 800–1200 ft·lbf. Моменты затяжки крепежа также указываются в ft·lbf.
Огнестрельное оружие и баллистика
Дульная энергия боеприпасов в США повсеместно выражается в фут-фунтах. Патрон .22 LR — около 140 ft·lbf, 9 мм — около 350 ft·lbf, .308 Winchester — около 2650 ft·lbf, .50 BMG — около 13 000 ft·lbf. Охотники используют минимальные пороги: 1000 ft·lbf для оленя, 2000 ft·lbf для лося.
Авиация
Авиация США использует фут-фунты для крутящего момента вала пропеллера и спецификаций двигателя. Динамометрические ключи в ft·lbf — стандарт в обслуживании воздушных судов.
Строительство и промышленность
Спецификации затяжки болтов в строительстве США указываются в фут-фунтах. Конструкционные стальные соединения, мостовые болты и крепёж тяжёлого оборудования имеют заданные моменты в ft·lbf.
Применение в быту
Работа с автомобилем
Наиболее распространённое повседневное использование фут-фунтов — обслуживание автомобиля. Когда руководство указывает затянуть колёсные гайки до «100 ft·lbs» — это настройка динамометрического ключа. Типичные моменты: пробка маслосливного отверстия 25–30 ft·lbf, свечи зажигания 12–20 ft·lbf, колёсные гайки 80–100 ft·lbf.
Охота и стрелковый спорт
Охотники и стрелки обсуждают дульную энергию в фут-фунтах при выборе боеприпасов. Кинетическая энергия в ft·lbf указывает на эффективность: более высокие значения означают большее проникновение.
Гайковёрты и электроинструмент
Гайковёрты оцениваются по максимальному крутящему моменту в фут-фунтах. Типичный аккумуляторный — 200–400 ft·lbf, пневматический — свыше 1000 ft·lbf.
Понимание характеристик двигателя
При сравнении автомобилей крутящий момент в фут-фунтах указывает на тяговое усилие на низких оборотах. Грузовик с 400 ft·lbf момента может буксировать более тяжёлые прицепы, чем с 300 ft·lbf (при схожем передаточном числе).
В науке и промышленности
Инженерная механика
В курсах инженерной механики в США фут-фунт используется в расчётах работы-энергии, анализе крутящего момента и вычислениях мощности. Кинетическая энергия: KE = (1/2) × (W/g) × v², где W — вес в фунтах, g = 32,174 фт/с², v — скорость в фт/с.
Баллистические исследования
Криминалисты и исследователи баллистики используют фут-фунты для количественной оценки энергии снарядов. Протокол тестирования боеприпасов ФБР оценивает характеристики пуль отчасти по сохранённой энергии в фут-фунтах.
Строительная инженерия
В американской строительной практике изгибающий момент балок и соединений выражается в фут-фунтах или кип-футах (тысяча фунт-футов). Несущая способность стальных балок, железобетонных сечений и деревянных элементов рассчитывается и табулируется в этих единицах.
Интересные факты
Джеймс Уатт определил одну лошадиную силу как 33 000 фут-фунтов в минуту. Это означает, что одна лошадиная сила — мощность, необходимая для подъёма 33 000 фунтов на один фут за одну минуту, или 550 фунтов на один фут за одну секунду.
Дульная энергия патрона .50 BMG (~13 000 ft·lbf) приблизительно равна кинетической энергии шара для боулинга, сброшенного с крыши 30-этажного здания.
Питчер Высшей лиги бейсбола, бросающий быстрый мяч со скоростью 153 км/ч, сообщает мячу приблизительно 100 ft·lbf кинетической энергии — сопоставимо с дульной энергией маломощной пневматической винтовки .22.
Крутящий момент маршевых двигателей Space Shuttle при запуске составлял приблизительно 5 000 000 ft·lbf — примерно столько же, сколько у 25 000 автомобильных двигателей V8 на пиковом моменте.
В стрельбе из лука составной лук накапливает около 70–80 ft·lbf энергии при полном натяжении. Стрела, выпущенная со скоростью 91 м/с, несёт около 65–75 ft·lbf — остальное теряется на вибрацию плечей, звук и тепло.
Средний человек может приложить около 20–30 ft·lbf момента стандартным 6-дюймовым гаечным ключом. С 12-дюймовым — 40–60 ft·lbf.
Один галлон бензина содержит приблизительно 100 миллионов фут-фунтов химической энергии — достаточно, чтобы поднять автомобиль весом 1800 кг на высоту 7600 м при 100% КПД.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Ньютон-метр (N·m) | 1,35582 | Конвертировать → |
| Джоуль (J) | 1,35582 | Конвертировать → |
| Дюйм-фунт (in·lb) | 12 | Конвертировать → |
| Килограмм-сила-метр (kgf·m) | 0,138255 | Конвертировать → |
| BTU (BTU) | 0,001285 | Конвертировать → |