Тонна-сила¶
Тонна-сила — это внесистемная единица измерения силы, равная силе, которая сообщает телу массой одна тонна ускорение, равное стандартному ускорению свободного падения (9,80665 м/с²). Обозначается как тс (русское) и tf (международное, от англ. ton-force). Величина является производной от единицы массы «тонна» и применяется в основном в технике, тяжёлом машиностроении и строительстве для описания больших нагрузок, тяговых усилий и весовых характеристик.
¶Определение и численное значение
По определению, одна тонна-сила численно равна произведению массы в одну метрическую тонну (1000 кг) на стандартное ускорение свободного падения g₀ = 9,80665 м/с². Таким образом, точное значение:
1 тс = 1000 кг × 9,80665 м/с² = 9806,65 Н (ньютонов).
В килограмм-силах (кгс) соотношение простое: 1 тс = 1000 кгс. В системе СИ эта величина округляется до 9,81 кН, а в инженерных расчётах часто используют приближение 10 кН для упрощения вычислений.
В системе МКГСС (метр — килограмм-сила — секунда), которая была распространена в СССР до перехода на СИ, тонна-сила являлась одной из основных кратных единиц силы наряду с килограмм-силой. В англоязычных странах существуют аналогичные единицы: длинная тонна-сила (2240 фунт-сил) и короткая тонна-сила (2000 фунт-сил), однако они отличаются от метрической тонны-силы и в России не применяются.
¶История и нормативное регулирование
Единица «тонна-сила» возникла в XIX веке вместе с развитием паровых машин и железнодорожного транспорта, когда потребовалось измерять огромные тяговые усилия локомотивов и нагрузки на конструкции. В СССР единица была узаконена в системе МКГСС и широко использовалась в проектной документации до 1980-х годов.
С переходом на Международную систему единиц (СИ) в 1960-х годах тонна-сила была официально выведена из обязательного употребления. В «Положении о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации» тонна-сила отнесена к внесистемным единицам, которые допускаются к использованию только в специальных областях — преимущественно в тяжёлом машиностроении, судостроении, горном деле и при расчёте строительных конструкций. При этом в официальных отчётах и технической документации предписывается указывать значения в ньютонах или килоньютонах, а тонна-силу допускается применять как справочную величину.
¶Соотношение с другими единицами
Для пересчёта тонна-силы в другие единицы силы используются следующие коэффициенты:
| Единица | Значение в тонна-силах | Обратное значение |
|---|---|---|
| Ньютон (Н) | 1 тс = 9806,65 Н | 1 Н ≈ 0,00010197 тс |
| Килоньютон (кН) | 1 тс = 9,80665 кН | 1 кН ≈ 0,10197 тс |
| Килограмм-сила (кгс) | 1 тс = 1000 кгс | 1 кгс = 0,001 тс |
| Дина (дин) | 1 тс = 9,80665 × 10⁸ дин | 1 дин ≈ 1,0197 × 10⁻⁹ тс |
Важно не путать тонна-силу с единицей массы «тонна» и с единицей давления «техническая атмосфера» (ат), которая определяется как 1 кгс/см² и численно равна 0,96784 физической атмосферы.
¶Применение в технике
¶Грузоподъёмность и тяговые усилия
Наиболее частое применение тонна-силы — характеристика грузоподъёмности кранов, лебёдок, домкратов и тяговых усилий тепловозов, электровозов и буксиров. Например, паспортная грузоподъёмность мостового крана в 50 тс означает, что он способен поднять груз массой до 50 тонн, создавая усилие около 490 кН. В железнодорожной отрасли тяговое усилие локомотивов исторически измерялось именно в тонна-силах: мощные грузовые тепловозы развивают силу тяги от 25 до 40 тс.
¶Строительные конструкции
При расчёте несущей способности фундаментов, опор мостов и колонн нагрузки часто выражают в тонна-силах на квадратный метр (тс/м²) или на квадратный сантиметр. Хотя официальные нормы (СП, СНиП) требуют использования килопаскалей, в практических инженерных расчётах и при оценке грунтов допускается применение тс/м² для наглядности: например, допустимое давление на грунт может составлять 2–4 тс/м².
¶Судостроение и морская техника
В судостроении водоизмещение судов измеряется в тоннах массы, а усилие на гребном валу, якорных механизмах и швартовных устройствах — в тонна-силах. Якорные цепи и брашпили характеризуются разрывным усилием в десятках и сотнях тонна-сил.
¶Горное дело
При бурении скважин и креплении горных выработок нагрузки на буровой инструмент и крепь выражают в тонна-силах. Например, осевая нагрузка на долото при бурении глубоких скважин может достигать 20–30 тс.
¶Критика и ограничения использования
Основным недостатком тонна-силы считается её зависимость от стандартного ускорения свободного падения, которое в разных точках Земли отличается (от 9,78 до 9,83 м/с²). Хотя для стандартизации принято фиксированное значение g₀, в точных расчётах это вносит погрешность. Кроме того, использование тонна-силы создаёт путаницу между массой и силой: в разговорной речи фраза «вес 10 тонн» некорректна, поскольку тонна — единица массы, а не силы. Это приводит к методическим ошибкам у начинающих инженеров.
Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) рекомендует полностью исключить тонна-силу из обращения, однако в силу инерции производства и наличия огромного парка оборудования, откалиброванного в этих единицах, полный переход на килоньютоны в тяжёлой промышленности России и стран СНГ до сих пор не завершён. В технической литературе и нормативных документах часто указывают двойное обозначение: «тс (кН)».
¶Интересные факты
- Одна тонна-сила примерно равна весу небольшого легкового автомобиля (например, ВАЗ-2107 массой около 1 тонны), который давит на опору с силой около 9,8 кН.
- В ракетной технике тяга двигателей первой ступени ракет-носителей «Союз» на старте составляет около 400 тс (примерно 3,9 МН), что эквивалентно весу четырёхсоттонного груза.
- Динамометры для измерения больших усилий (до 100 тс и более) используются при испытаниях якорей, такелажа и мостовых конструкций; их поверка проводится в аккредитованных лабораториях с эталонными грузами.
- В некоторых странах, например в Японии, до сих пор в строительной документации наряду с килоньютонами применяется единица «тонна-вес» (t·f), что создаёт сложности при международном обмене проектными данными.
¶Источники
- ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».
- Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (утв. Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879).
- Справочник по физике Б. М. Яворского и А. А. Детлафа (раздел «Механические единицы»).
- «Единицы физических величин» / под ред. А. Г. Чертовa, М.: Высшая школа, 1977.