Usare la terza legge di Newton per spiegare come accelera un razzo

Le tre leggi del moto di Sir Isaac Newton, che costituiscono gran parte delle basi della fisica classica, rivoluzionarono la scienza quando le pubblicò nel 1686. La Prima Legge afferma che ogni oggetto rimane fermo o in movimento a meno che una forza non agisca su di esso. La Seconda Legge mostra perché la forza è il prodotto della massa di un corpo e della sua accelerazione. La Terza Legge, familiare a chiunque sia mai stato coinvolto in una collisione, spiega perché i razzi funzionano.

Espressa in linguaggio moderno, la Terza Legge di Newton afferma che ogni azione ha una reazione uguale e contraria. Ad esempio, quando stai uscendo da una barca, la forza che il tuo piede esercita sul pavimento ti spinge in avanti mentre allo stesso tempo esercita una forza uguale sulla barca nella direzione opposta. Poiché la forza di attrito tra la barca e l'acqua non è grande come quella tra la scarpa e il pavimento, la barca accelera allontanandosi dal molo. Se dimentichi di tenere conto di questa reazione nei tuoi movimenti e tempismo, potresti finire in acqua.

La forza che spinge un razzo è fornita dalla combustione del carburante del razzo. Quando il carburante si combina con l'ossigeno, produce gas che vengono diretti attraverso gli ugelli di scarico sul retro della fusoliera e ogni molecola che emerge accelera allontanandosi dal razzo. La Terza Legge di Newton richiede che questa accelerazione sia accompagnata da una corrispondente accelerazione del razzo nella direzione opposta. L'accelerazione combinata di tutte le molecole di carburante ossidato quando emergono dagli ugelli del razzo crea la spinta che accelera e spinge il razzo.

Se dalla coda uscisse una sola molecola di gas di scarico, il razzo non si muoverebbe, perché la forza esercitata dalla molecola non è sufficiente a vincere l'inerzia del razzo. Per far muovere il razzo, devono esserci molte molecole e devono avere un'accelerazione sufficiente, determinata dalla velocità di combustione e dalla progettazione dei propulsori. Gli scienziati missilistici usano la seconda legge di Newton per calcolare la spinta richiesta per accelerare il razzo e inviare sulla sua traiettoria pianificata, che può o meno comportare la fuga dalla gravità terrestre e l'andare nello spazio.

Pensare come uno scienziato missilistico implica capire come superare le forze che impediscono il movimento di un razzo, principalmente la gravità e la resistenza aerodinamica, con l'uso più efficiente del carburante. Tra i fattori rilevanti c'è il peso del razzo, compreso il suo carico utile, che diminuisce man mano che il razzo consuma carburante. A complicare i calcoli, la forza di trascinamento aumenta man mano che il razzo accelera, mentre allo stesso tempo diminuisce man mano che l'atmosfera si assottiglia. Per calcolare la forza propulsiva del razzo, è necessario tenere conto, tra le altre cose, delle caratteristiche di combustione del carburante e delle dimensioni di ciascuna apertura dell'ugello.