推力（スラスト）とは—定義・単位（ニュートン／ポンド）とロケットやエンジンの仕組み
スラスト（推力）の定義と単位（ニュートン／ポンド）、ロケットやジェットなどエンジンの仕組みを図解でわかりやすく解説。換算や実例つき。
スラスト（推力）とは、物体をある方向に押す力のことです。例えばエンジンや推進装置が質量を一方向に押し出したり加速したりすると、作用・反作用の原理により反対方向に同じ大きさの力が発生します。これは物理学のアイザック・ニュートンの第2法則と第3法則で説明されます。航空機やロケットの文脈では、エンジンがどれだけ強く「押す」かを表す重要な性能指標として用いられます。スラストはロケット、モーターボート、プロペラ、ジェットエンジンなどさまざまな推進機構で使われます。
基本定義と物理的表現
力の大きさとしてのスラストはニュートン（N）で表されます。単純化すると、力は質量と加速度の積で表されるため（F = m·a）、ある系が質量を一定の加速度で後方に送り出すと、反作用で前方にスラストが生じます。ロケットなどで用いられる一般的な推力の式は次のように表されます：
F = ṁ·v_e + (p_e − p_a)·A_e
- ṁ：排気の質量流量（kg/s）
- v_e：排気の有効速度（相対速度、m/s）
- p_e：ノズル出口の圧力（Pa）
- p_a：周囲大気圧（Pa）
- A_e：ノズル出口面積（m²）
最初の項（ṁ·v_e）は運動量の流れによる推力、二つ目の項は圧力差による付加的な推力（圧力推力）です。宇宙空間（真空）では p_a が小さいため圧力項が重要になる場合があります。
単位と換算
SI単位：ニュートン（N）。1 N は 1 kg·m/s² に相当します。
英米慣用単位：ポンド推力（lbf、pound-force）。
- 1 lbf ≈ 4.4482216 N（一般には約 4.448 N と表記）
- 逆に 1 N ≈ 0.224809 lbf
- 参考：kgf（キログラム重、非SI）1 kgf = 9.80665 N
記事冒頭にある通り、アメリカなどでは「ポンド推力（pound-force）」で表現することが多く、メートル法（国際単位系）ではニュートンで表します。
ロケットやジェットエンジンの仕組み（概要）
ロケットエンジン：燃料と酸化剤の燃焼で高温高圧のガスを作り、ノズルで加速して後方へ噴出します。噴出するガスの質量流量と速度により運動量が生じ、その反作用で機体に前方の推力が発生します。ノズル設計（膨張比）や排気速度（有効排気速度 v_e）が性能を左右します。真空では大気抵抗や周囲圧力が小さいため、ノズルを真空向けに最適化すると効率が上がります。
ターボファン／ターボジェット：吸入空気を圧縮・燃焼させて排気し、プロペラやファンで大きな質量の空気をゆっくり後方に押すことで推力を得ます。ターボファンは大量のバイパス空気を低速で押すため燃費が良く、旅客機で広く使われます。
プロペラ推進：回転するプロペラが空気を後方へ押し、その反作用で前進力を生みます。低速で高効率です。
代表的な性能指標
- 比推力（Specific impulse, Isp）：推力を単位質量流量で割った指標で、通常秒（s）で表します。Isp = v_e / g0（g0 は標準重力 9.80665 m/s²）。比推力が大きいほど燃料効率が良いことを意味します。
- 推力対重量比（T/W）：推力を機体重量で割った値。離陸や加速の能力を示します。ロケットではこの数値が1以上であれば垂直に上昇できます。
- 静止推力（Static thrust）と動作推力（In-flight thrust）：地上静止時と飛行中では吸入条件や乱流、大気圧の違いにより推力が変わるため区別します。
測定と実用上の注意点
- 推力はテストベッドでロードセルなどにより直接測定されます。
- 大気圧や高度によって有効推力が変化するため、同じエンジンでも海面（SL）値と真空（Vac）値が異なります。
- ノズルの膨張が周囲圧力と一致しない場合、ノズル内外での圧力差により効率が低下することがあります（過膨張・過収縮）。
実例（イメージ）
- 小型モデルロケット：数ニュートン〜数十ニュートンの推力。
- 一般的な旅客機用ターボファン：数十kN〜数百kNの推力（エンジン1基あたり）。
- 大型ロケットブースター：数百kN〜数MN（メガニュートン）クラスの推力。
まとめ（ポイント）
- スラスト＝推力は「押す力」で、ニュートンの法則（作用・反作用、運動方程式）で説明できる。
- 単位は主にニュートン（N）やポンド推力（lbf）。換算は 1 lbf ≈ 4.44822 N。
- ロケットやジェットでは運動量の流れ（質量流×速度）と圧力差が推力の主要因。
- 比推力や推力対重量比など、用途や効率を評価するための指標がある。
Estes A10-PTロケットモータの推力曲線。推力曲線は、モーターが時間（秒）でどれだけの推力（ニュートン）を発生させるかを示しています。これには、推力、燃料の量、比推力などの情報も含まれています。
推力とパワーの比較
よくある質問として、航空機エンジンの推力数値とピストンエンジン（自動車や多くの航空機に搭載されているプロペラ付きエンジンの一種）の機械的動力をどのように比較するかというものがあります。この2つを比較するのは難しい。なぜなら、両者はまったく同じものを測定しているわけではないからだ。ピストンエンジンは、飛行機を動かすわけではありません。プロペラを回して、飛行機を動かしているだけなのです。このため、ピストンエンジンは、プロペラにどれだけのパワーを与えるかで評価される。
しかし、ジェットエンジンにはプロペラがなく、後ろにある熱い空気を動かすことで飛行機を押しているのです。ジェットエンジンのパワーを測るには、ジェットエンジンの推力によって航空機にどれだけの力を与えているかを見るのが有効です。これを "ジェットエンジンの推進力 "と呼ぶ。パワーとは、ある距離を移動するのに必要な力の大きさを、その距離を移動するのにかかる時間で割ったものです。
P = F d t {displaystyle \mathbf {P} =mathbf {F} {} {}frac {d}{t}}}
,
ここで、Pはパワー、Fは力、dは距離、tは時間である。ロケットやジェットエンジンの場合、力はエンジンが発生させる推力と同じである。また、距離を時間で割ったものを速度といいます。つまり、パワーは推力×速度と同じです。
P = T v {displaystyle \mathbf {P} =mathbf {T} {v}}}
,
ここで、Tは推力、vは速度である。これは、ある推力または速度でエンジンが発揮しているパワーのことである。ジェットエンジンの推進力は、速度が上がるにつれて大きくなる。
重量比推力
ロケットやエンジンの推力と重量を比較することを推力重量比といいます。この比較から得られる数値は、比率であるため単位を持ちません。この場合の比率とは、エンジンの推力（単位：ニュートン）を重量（単位：ニュートン）で割ったものです。この比較の目的は、エンジンや乗り物の性能、例えば加速度がどの程度かを示すことである。飛行機のモーター、ジェットエンジン、ロケットエンジン、自動車のエンジンなど、さまざまな種類のモーターの比較に使える数値です。
この比較数値は、エンジンが動いている間にも変化することがあります。これは、燃料を使用するとエンジンの重量が軽くなるためです。実際にエンジンを比較するときに使われる推力重量比は、エンジンが最初に回転したときに求められる数値です。
推力は、アメリカでは「ポンド推力」、メートル法では「ニュートン推力」で測ります。4.45ニュートンの推力は1ポンドの推力に相当する。1ポンドの推力とは、1ポンドの物体を地球上の重力に逆らって動かさないようにするために必要な推力のこと。
例
飛行機は、飛行と反対方向に空気が押されると前方に推力が発生します。プロペラの羽根が回転することで推力が発生する。また、ジェットエンジンの後方から回転するファンで空気を押し出すことでも推力を得ることができる。また、ロケットエンジンから高温のガスを噴出させる方法もあります。
リバーススラストとは、フォワードスラストの逆を意味します。この方法では、体の動きと同じように空気が押されます。逆噴射は、着陸後のブレーキングに利用することができます。ターボファンやジェットエンジンでは推力の方向を変え、プロペラ機ではブレードの角度を変えることで、逆噴射を利用することができます。
鳥類は通常、羽ばたきによって飛行中の推力を得ている。
モーター付きのボートは、プロペラを回して水を後方（または前方）に押し出すときに推力や逆推力を発生させます。この推力は、水が押される方向とは逆にボートを押すことになる。
ロケットは、ロケットのノズルから出るときの排気ガスと同じ大きさの推力で前に進む。この排気ガスが作る力を排気速度と呼びます。この速度は、ロケットと比較して計測されます。ロケットの垂直発射がうまくいくためには、ロケットの重さよりも始動時の推力が大きくなければならない。
| エンジン | 推力(N) | 推力重量比 |
| F-15C イーグル | 155,240 | 1.12 |
| F-16 ファイティングファルコン | 76,300 | 1.095 |
| J-58 (SR-71ブラックバードジェットエンジン) | 150,000 | 5.2 |
| ボーイング747-400(エンジン) | 1,008,000 | 6.3 |
| F-1 (サターンV第1段ロケットエンジン) | 7,740,500 | 94.1 |
| 数種類のエンジンの推力と推力重量比 | ||
翼の断面にかかる力
質問と回答
Q: スラストとは何ですか?
A: 推力とは、システムが質量を一方向に押したり加速したりするときに発生する力、または押しのことです。
Q: 推力は数学や物理学ではどのように表現されるのですか?
A: アイザック・ニュートンの第2法則と第3法則が、数学と物理学における推力の概念を説明しています。
Q: 推力はどのような乗り物やエンジンに適用されますか?
A: 推力は、ロケット、モーターボート、プロペラ、ジェットエンジンなど、多くの種類の乗り物やエンジンに適用されます。
Q: アメリカでは一般的に推力はどのように測定されますか?
A: 推力は、米国では「推力ポンド」で測定されます。
Q: 一般的にメートル法では推力はどのように測定されますか?
A: メートル法では、推力はニュートンで測定されます。
Q: 何ニュートンの推力が1ポンドの推力に相当しますか?
A: 4.45ニュートンの推力が1ポンドの推力に相当します。
Q: 1ポンドの推力は何を表していますか?
A: 1ポンドの推力は、1ポンドの物体を地球の重力に逆らって動かさずにおくのに必要な推力です。
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