Фунт-сила
Обозначение: lbfСША, Великобритания
Что такое Фунт-сила (lbf)?
Формальное определение
Фунт-сила (обозначение: lbf) — единица силы в имперской и американской системах. Определяется как гравитационная сила на массу в один авуардупуазный фунт (0,45359237 кг) при стандартном ускорении свободного падения (g_n = 9,80665 м/с²). Следовательно: 1 lbf = 0,45359237 × 9,80665 = 4,44822162 Н (≈ 4,448 Н).
Фунт-сила — единица силы, наиболее распространённая в инженерной практике США. Она используется для пружинных сил, прочности материалов, тяги ракет и строительных нагрузок. В повседневном американском английском «фунты» при описании веса фактически означают фунты-силы.
Путаница массы и силы
Главный источник путаницы в английской системе — двойное использование «фунта» для массы (lbm, фунт-масса) и силы (lbf, фунт-сила). На поверхности Земли при стандартной гравитации масса в один фунт создаёт ровно один фунт-силу. Это удобное числовое равенство маскирует фундаментальное физическое различие.
Этимология
Исторические корни
Слово «pound» (фунт) от латинского «libra pondo»: «libra» — весы, «pondo» — вес. Английский заимствовал оба элемента: «pound» от «pondo» и аббревиатуру «lb» от «libra». Латинская фраза буквально означала «фунт по весу» — слово «фунт» исторически ассоциировалось с силой (весом), а не массой.
Суффикс «-force» (-сила) добавлен для создания формального термина, отличающего единицу силы от единицы массы. Это стало необходимым с развитием физики.
Авуардупуазная система
Фунт-сила основан на авуардупуазном фунте — стандартном торговом фунте англоязычных стран с XIV века. «Авуардупуа» — от старофранцузского «aveir de peis» (товары по весу). Фунт определён как ровно 0,45359237 кг международным соглашением 1959 года.
Точное определение
Международное определение
Фунт-сила = сила тяготения на 1 фунт массы при стандартной гравитации: 1 lbf = 1 lb × g_n = 0,45359237 кг × 9,80665 м/с² = 4,4482216152605 Н (точно).
Ключевые переводы
1 lbf = 4,44822 Н = 0,00444822 кН = 0,453592 кгс = 444 822 дин = 32,174 паундаля = 16 унция-сил. 1 кип = 1 000 lbf = 4 448,22 Н. 1 короткая тонна-сила = 2 000 lbf = 8 896,44 Н.
В инженерных уравнениях
В американской системе второй закон Ньютона записывается как F = ma/g_c, где g_c = 32,174 lbm·ft/(lbf·s²) — постоянная пересчёта. При использовании слага (1 слаг = 32,174 lbm) как единицы массы: F (lbf) = m (слаги) × a (ft/s²).
История
От древних гирь к современной силе
Концепция фунта как веса (силы) восходит к Риму. Римская «libra» использовалась по всей империи. В Англии несколько фунтовых систем сосуществовали, пока авуардупуазный фунт не стал доминирующим для торговли к XIV веку.
До XX века различие между массой и силой не было важным в практической инженерии. Фунт-сила как формально отдельная единица появилась, когда физика потребовала точности.
Стандартизация
Международное соглашение 1959 года определило фунт как ровно 0,45359237 кг, точно зафиксировав фунт-силу = 4,4482216152605 Н.
Слаг и паундаль
Два подхода к устранению путаницы масса-сила: система слагов сохранила фунт как единицу силы и ввела слаг (14,594 кг) как единицу массы. Система паундалей сохранила фунт как единицу массы и ввела паундаль (0,13826 Н) как единицу силы. Система слагов стала стандартной; паундаль практически вышел из употребления.
Современное использование
Фунт-сила остаётся доминирующей единицей силы в американской инженерии. Хотя некоторые области (особенно аэрокосмическая после Mars Climate Orbiter) перешли на СИ, большинство гражданского и строительного проектирования в США использует фунты-силы и кипы.
Современное применение
Инженерная практика США
Фунт-сила — основная единица силы в американской инженерии. Строители рассчитывают нагрузки в lbf или кипах (1 кип = 1 000 lbf). Механики задают пружинные силы, подшипниковые нагрузки и преднатяг крепежа в lbf. Специалисты ОВКВ используют lbf/in² (psi) для давления.
Спецификации материалов
Прочность материалов в США — в psi (фунт/дюйм²) или ksi (1 000 psi). Конструкционная сталь A36: предел текучести 36 ksi (248 МПа). Бетон: 3 000-8 000 psi (21-55 МПа). Прочность тросов и канатов — в фунтах-силах.
Потребительские товары
Многие товары в США указывают силу в фунтах: грузоподъёмность чемоданных весов (50-100 lbf), прочность лески (4-80 lbf), допустимая нагрузка верёвки (200-10 000 lbf), грузоподъёмность направляющих ящиков (50-200 lbf).
Авиация и автомобили
Автомобильные спецификации: жёсткость пружин (lbf/in), тормозная сила, буксировочная способность. Авиация: тяга двигателя Pratt & Whitney F100 — ~29 000 lbf с форсажем. Двигатель RS-25 шаттла — 512 300 lbf на уровне моря.
Применение в быту
Масса тела
Когда американцы говорят «я вешу 150 фунтов», они выражают вес в фунтах-силе. Напольные весы измеряют lbf. На Луне те же весы показали бы ~25 фунтов, хотя масса (150 фунт-масс) не изменилась бы.
Давление (PSI)
Фунты на квадратный дюйм (psi = lbf/in²) повсеместны в американской жизни. Давление шин — 30-35 psi. Мойки высокого давления — 1 500-4 000 psi. Баллоны для дайвинга — 3 000-3 500 psi.
Грузоподъёмность
Грузоподъёмность в США — в фунтах-силе: стеллажи (50-200 lbs на полку), лестницы (200-375 lbs), тренажёры (250-400 lbs), пандусы для инвалидных колясок (600-1 000 lbs).
Рыбалка
Прочность лески — в фунтах-силе: ультралёгкая 2-6 lbf, типичная пресноводная 6-20 lbf, морская 20-80 lbf, для крупной дичи 80-200+ lbf.
В науке и промышленности
Инженерная механика (США)
В американском инженерном образовании фунт-сила используется в статике, динамике и сопротивлении материалов. Вес: W = mg/g_c (в lbf). При использовании слагов: W = mg.
Строительный анализ
Американские строительные нормы (ASCE 7, AISC 360, ACI 318) используют фунты-силы и кипы. Расчётные нагрузки: жилые полы — 40 psf, офисы — 50 psf, паркинги — 40-50 psf. Ветровые нагрузки — в psf, сейсмические — в кипах.
Гидромеханика
В американской гидромеханике давление — в lbf/in² (psi) или lbf/ft² (psf). Одна атмосфера = 14,696 psi. Силы давления на поверхности, аэродинамическое сопротивление — в фунтах-силе.
Интересные факты
Mars Climate Orbiter погиб в 1999 году: Lockheed Martin передавал данные тяги в фунт-сила-секундах, а ПО NASA ожидало ньютон-секунды. Ошибка в 4,45 раза привела к потере аппарата за $327,6 млн.
Когда вы стоите на весах, показывающих «150 lbs», они измеряют 150 фунтов-силы — гравитационное притяжение вашего тела. На Луне те же весы показали бы ~25 lbs, хотя масса остаётся 150 фунт-масс.
Фунт-сила и фунт-масса численно равны на поверхности Земли по замыслу, а не по совпадению. Стандартная гравитация (32,174 ft/s²) выбрана специально для этого.
Кип (1 000 фунтов-силы) получил название от «kilo-pound» — гибрид греческой приставки и английской единицы. Широко используется в американском строительном проектировании.
Паундаль — единица силы, где F(pdl) = m(lb) × a(ft/s²), — попытка создать когерентную систему без путаницы масса-сила. Равен ~0,138 Н и практически вышел из употребления.
Штанговый блин с маркировкой «45 lbs» весит 45 фунтов-силы на Земле. На космической станции его можно было бы легко поднять, но его масса 45 фунт-масс по-прежнему сопротивлялась бы ускорению.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Ньютон (Н) | 4,44822 | Конвертировать → |
| Килограмм-сила (кгс) | 0,453592 | Конвертировать → |
| Дина (дин) | 444 822 | Конвертировать → |
| Килоньютон (кН) | 0,004448 | Конвертировать → |
| Кип (kip) | 0,001 | Конвертировать → |