Тонна-сила (метрическая)

Формальное определение

Метрическая тонна-сила (обозначение: тс, международное: tf или tnf) — гравитационная единица силы, равная силе тяжести, действующей на одну метрическую тонну (1000 кг) при стандартном ускорении свободного падения. Одна метрическая тонна-сила равна ровно 9 806,65 ньютонов или 9,80665 килоньютонов. Метрическая тонна-сила не входит в систему СИ, но продолжает использоваться в тяжёлом машиностроении, морских приложениях и некоторых промышленных контекстах.

Метрическая тонна-сила даёт интуитивное представление о больших силах: одна тонна-сила — это вес одного кубического метра воды (приблизительно). Это облегчает визуализацию: кран грузоподъёмностью 50 тонн-сил может поднять 50 тонн материала. Однако, как и килограмм-сила (1 тс = 1000 кгс), тонна-сила смешивает массу и силу.

Отличие от других «тонн»

Существуют несколько вариантов «тонны-силы». Метрическая тонна-сила (тс) основана на метрической тонне (1000 кг). Короткая тонна-сила (США) основана на короткой тонне (2000 фунтов ≈ 907,2 кг) и равна примерно 8 896,4 Н. Длинная тонна-сила (Великобритания) основана на длинной тонне (2240 фунтов ≈ 1016 кг) и равна примерно 9 964,0 Н. В международной инженерии «тонна-сила» без уточнения обычно означает метрическую тонну-силу.

Происхождение термина

Слово «тонна» было принято во Франции в ходе метрикации конца XVIII века. Оно происходит от старофранцузского «tonne» (большая бочка), которое, в свою очередь, восходит к средневековому латинскому «tunna». Оригинальная тонна обозначала большую бочку для вина и пива вместимостью примерно 252 галлона — объём, масса воды в котором приблизительно равна одной метрической тонне.

Дополнение «-сила» было добавлено для отличия единицы силы от единицы массы, аналогично различению килограмма и килограмма-силы. В русском языке используется термин «тонна-сила» (тс), в немецком — «Tonne-Kraft», в японском — аналогичная конструкция.

Использование по странам

Метрическая тонна-сила широко применялась в континентальной европейской, российской и японской инженерии до принятия СИ. Тяга советских ракетных двигателей обычно выражалась в тоннах-силах. Европейские характеристики кранов и подъёмного оборудования указывались в тоннах-силах до перехода на килоньютоны.

Промышленное происхождение

Метрическая тонна-сила возникла естественным образом, когда инженеры начали работать с силами масштаба тонн. В XIX и начале XX века тяжёлая промышленность — кораблестроение, мостостроение, горное дело, железнодорожная инженерия — регулярно имела дело с нагрузками, измеряемыми в тоннах. Выражение этих нагрузок как «тонн силы» было интуитивным и практичным.

Советская космическая программа

Советская космическая программа широко использовала тонны-силы для тяги ракетных двигателей. Двигатель РД-170, разработанный НПО «Энергомаш», имел тягу 740 тонн-сил (7 257 кН) — самый мощный жидкостный ракетный двигатель в истории. Советская, а затем российская космическая документация продолжала использовать тонны-силы наряду с килоньютонами вплоть до XXI века.

Морская и крановая отрасли

Морская отрасль традиционно оценивает тяговую способность буксиров (тяга на швартовах, bollard pull) в тоннах-силах. Портовый буксир может иметь тягу на швартовах 30–70 тс, а крупный океанский буксир — более 200 тс. Грузоподъёмность кранов исторически указывалась в тоннах-силах.

Переход на СИ

Метрическая тонна-сила постепенно заменяется килоньютоном в формальных инженерных стандартах. Европейские стандарты теперь указывают силы в килоньютонах, и новая инженерная документация использует единицы СИ. Однако тонна-сила сохраняется в неформальном использовании, особенно в отраслях, где соответствие между загружаемой массой и действующей силой является главной заботой.

Морская отрасль

Тяга на швартовах — тяговое усилие буксира — по-прежнему обычно выражается в тоннах-силах на международном уровне. Типичный портовый буксир имеет тягу 30–70 тс, эскортный буксир — 70–120 тс, крупное судно снабжения с якорным оборудованием (AHTS) — 200–350 тс.

Крановые и подъёмные операции

Краны по всему миру часто оцениваются в тоннах (имея в виду тонны-силы грузоподъёмности). Мобильный кран может быть рассчитан на 100 тс при минимальном вылете стрелы и 10 тс при максимальном. Башенные строительные краны обычно рассчитаны на 6–30 тс на конце стрелы.

Горнодобывающая и тяжёлая промышленность

Горнодобывающее оборудование — экскаваторы, самосвалы, конвейерные системы — часто использует тонны-силы для усилий копания, грузоподъёмности ковшей и натяжения лент. Крупный горный экскаватор может иметь усилие отрыва 80–120 тс.

Ракетная техника

Российские и некоторые европейские спецификации ракетных двигателей по-прежнему используют тонны-силы наряду с килоньютонами. Двигатель РД-180 (используемый на Atlas V) развивает тягу 390 тс (3 830 кН). Двигатель Vulcain 2 (Ariane 5) развивает 137 тс (1 340 кН).

Лифты и краны

Когда на табличке лифта указано «грузоподъёмность: 1,5 тонны» или кран маркирован «25 тонн», это фактически обозначения в тоннах-силах — максимальная гравитационная нагрузка, которую оборудование может безопасно выдержать.

Масса транспортных средств

Полная масса транспортных средств выражается в тоннах (масса), но когда эти транспортные средства проезжают по мостам, структурная нагрузка, которую они создают, выражается в тоннах-силах. 40-тонный грузовик создаёт примерно 40 тс (392 кН) вертикальной силы на дорожное покрытие.

Контейнерные перевозки

Контейнерные перевозки используют тонны для массы груза, а силы на конструкции судна, крепления контейнеров и крановые системы при погрузке выражаются в тоннах-силах. Стандартный 20-футовый контейнер имеет максимальную полную массу 30,48 тонн.

Сельскохозяйственная техника

Тяговое усилие трактора (тяга на крюке) часто выражается в тоннах-силах на некоторых рынках. Крупный сельскохозяйственный трактор может развивать 8–15 тс тяги на крюке.

Геотехническая инженерия

Механика грунтов и фундаментная инженерия исторически широко использовали тонны-силы. Результаты испытаний свай на нагрузку указывались в тоннах-силах, несущая способность грунта — в тс/м², боковое давление грунта — в тс/м. Современная геотехническая практика использует килоньютоны и килопаскали.

Испытания конструкций на нагрузку

Натурные испытания конструкций на нагрузку — мостов, перекрытий и кровельных систем — традиционно задавались в тоннах-силах. Современные стандарты указывают эти нагрузки в килоньютонах.

Испытания материалов (исторические)

Старые стандарты испытаний материалов указывали испытательные усилия в тоннах-силах. Испытание на твёрдость по Бринеллю могло использовать нагрузку 3000 кгс (3 тс). Современные стандарты используют килоньютоны.

Сейсмология

В некоторой сейсмологической литературе сейсмические силы на конструкции выражаются в тоннах-силах на метр высоты здания или на квадратный метр площади этажа. Это использование сокращается по мере стандартизации единиц СИ.