Las Tres leyes del movimiento de Sir Isaac Newton, que forman gran parte de la base de la física clásica, revolucionaron la ciencia cuando las publicó en 1686. La Primera Ley establece que todo objeto permanece en reposo o en movimiento a menos que una fuerza actúe sobre él. La Segunda Ley muestra por qué la fuerza es el producto de la masa de un cuerpo y su aceleración. La Tercera Ley, familiar para cualquiera que haya estado en una colisión, explica por qué funcionan los cohetes.
Tercera ley de Newton
Expresada en lenguaje moderno, la Tercera Ley de Newton dice que cada acción tiene una reacción igual y opuesta. Por ejemplo, cuando estás saliendo de un bote, la fuerza que ejerce tu pie sobre el piso te impulsa hacia adelante y al mismo tiempo ejerce una fuerza igual sobre el bote en la dirección opuesta. Debido a que la fuerza de fricción entre el bote y el agua no es tan grande como la que existe entre el zapato y el piso, el bote acelera alejándose del muelle. Si olvidas tener en cuenta esta reacción en tus movimientos y tiempos, podrías terminar en el agua.
Empuje del cohete
La fuerza que impulsa un cohete es proporcionada por la combustión del combustible del cohete. A medida que el combustible se combina con el oxígeno, produce gases que se dirigen a través de boquillas de escape en la parte trasera del fuselaje, y cada molécula que emerge acelera alejándose del cohete. La tercera ley de Newton requiere que esta aceleración vaya acompañada de una aceleración correspondiente del cohete en la dirección opuesta. La aceleración combinada de todas las moléculas de combustible oxidado a medida que emergen de las boquillas del cohete crea el empuje que acelera e impulsa el cohete.
Aplicación de la segunda ley de Newton
Si solo una molécula de gas de escape emergiera de la cola, el cohete no se movería, porque la fuerza ejercida por la molécula no es suficiente para superar la inercia del cohete. Para hacer que el cohete se mueva, debe haber muchas moléculas, y deben tener suficiente aceleración, según lo determinado por la velocidad de combustión y el diseño de los propulsores. Los científicos de cohetes usan la Segunda Ley de Newton para calcular el empuje requerido para acelerar el cohete y enviar en su trayectoria planificada, que puede implicar o no escapar de la gravitación de la Tierra e ir al espacio.
Cómo pensar como un científico espacial
Pensar como un científico espacial implica descubrir cómo superar las fuerzas que impiden que un cohete se mueva, principalmente la gravedad y la resistencia aerodinámica, con el uso más eficiente de combustible. Entre los factores relevantes se encuentra el peso del cohete, incluida su carga útil, que disminuye a medida que el cohete consume combustible. Para complicar los cálculos, la fuerza de arrastre aumenta a medida que el cohete acelera, mientras que al mismo tiempo disminuye a medida que la atmósfera se vuelve más delgada. Para calcular la fuerza que impulsa el cohete, debe tener en cuenta, entre otras cosas, las características de combustión del combustible y el tamaño de la abertura de cada boquilla.