Sir Isaac Newtons Drei Bewegungsgesetze, die einen Großteil der Grundlage der klassischen Physik bilden, revolutionierten die Wissenschaft, als er sie 1686 veröffentlichte. Der erste Hauptsatz besagt, dass jedes Objekt in Ruhe oder Bewegung bleibt, es sei denn, eine Kraft wirkt auf es ein. Der Zweite Hauptsatz zeigt, warum die Kraft das Produkt der Masse eines Körpers und seiner Beschleunigung ist. Das Dritte Gesetz, das jedem bekannt ist, der schon einmal in eine Kollision geraten ist, erklärt, warum Raketen funktionieren.
Newtons drittes Gesetz
In moderner Sprache ausgedrückt, besagt das dritte Newtonsche Gesetz, dass jede Handlung eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion hat. Wenn Sie beispielsweise aus einem Boot steigen, treibt Sie die Kraft, die Ihr Fuß auf den Boden ausübt, vorwärts, während Sie gleichzeitig eine gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung auf das Boot ausüben. Da die Reibungskraft zwischen Boot und Wasser nicht so groß ist wie zwischen Ihrem Schuh und dem Boden, beschleunigt das Boot vom Dock weg. Wenn Sie vergessen, diese Reaktion in Ihren Bewegungen und Ihrem Timing zu berücksichtigen, könnten Sie im Wasser landen.
Raketenschub
Die Kraft, die eine Rakete antreibt, wird durch die Verbrennung des Raketentreibstoffs bereitgestellt. Wenn sich der Treibstoff mit Sauerstoff verbindet, erzeugt er Gase, die durch Abgasdüsen an der Rückseite des Rumpfes geleitet werden, und jedes austretende Molekül beschleunigt von der Rakete weg. Das dritte Newtonsche Gesetz verlangt, dass diese Beschleunigung von einer entsprechenden Beschleunigung der Rakete in die entgegengesetzte Richtung begleitet wird. Die kombinierte Beschleunigung aller oxidierten Treibstoffmoleküle beim Austritt aus den Düsen der Rakete erzeugt den Schub, der die Rakete beschleunigt und antreibt.
Anwendung des zweiten Newtonschen Gesetzes
Würde nur ein Abgasmolekül aus dem Heck austreten, würde sich die Rakete nicht bewegen, weil die Kraft des Moleküls nicht ausreicht, um die Trägheit der Rakete zu überwinden. Um die Rakete in Bewegung zu setzen, müssen viele Moleküle vorhanden sein und sie müssen eine ausreichende Beschleunigung haben, die durch die Verbrennungsgeschwindigkeit und die Konstruktion der Triebwerke bestimmt wird. Raketenwissenschaftler verwenden Newtons Zweites Gesetz, um den Schub zu berechnen, der erforderlich ist, um die Rakete zu beschleunigen und zu senden es auf seiner geplanten Flugbahn, die möglicherweise der Gravitation der Erde entkommt und in den Weltraum geht.
Wie man wie ein Raketenwissenschaftler denkt
Um wie ein Raketenwissenschaftler zu denken, muss man herausfinden, wie man die Kräfte, die eine Rakete an der Bewegung hindern – hauptsächlich die Schwerkraft und der Luftwiderstand – mit der effizientesten Nutzung von Treibstoff überwindet. Zu den relevanten Faktoren gehört das Gewicht der Rakete – einschließlich ihrer Nutzlast – das mit dem Treibstoffverbrauch der Rakete abnimmt. Erschwerend für die Berechnungen ist, dass die Widerstandskraft mit zunehmender Geschwindigkeit der Rakete zunimmt, während sie gleichzeitig abnimmt, wenn die Atmosphäre dünner wird. Um die Antriebskraft der Rakete zu berechnen, müssen Sie unter anderem die Verbrennungseigenschaften des Treibstoffs und die Größe der einzelnen Düsenöffnungen berücksichtigen.
