Sir Isaac Newton's Three Laws of Motion, die een groot deel van de basis vormen van de klassieke natuurkunde, brachten een revolutie teweeg in de wetenschap toen hij ze in 1686 publiceerde. De Eerste Wet stelt dat elk object in rust of in beweging blijft tenzij er een kracht op inwerkt. De Tweede Wet laat zien waarom kracht het product is van de massa van een lichaam en zijn versnelling. De derde wet, bekend bij iedereen die ooit bij een botsing is geweest, legt uit waarom raketten werken.
De derde wet van Newton
In moderne taal gesteld, zegt de derde wet van Newton dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft. Als u bijvoorbeeld uit een boot stapt, stuwt de kracht die uw voet op de vloer uitoefent u naar voren terwijl tegelijkertijd een gelijke kracht op de boot in de tegenovergestelde richting wordt uitgeoefend. Omdat de wrijvingskracht tussen de boot en het water niet zo groot is als die tussen je schoen en de vloer, accelereert de boot weg van het dok. Als je deze reactie vergeet in je bewegingen en timing, zou je in het water kunnen belanden.
raket stuwkracht
De kracht die een raket voortstuwt, wordt geleverd door de verbranding van de brandstof van de raket. Terwijl de brandstof zich vermengt met zuurstof, produceert het gassen die door uitlaatpijpen aan de achterkant van de romp worden geleid, en elk molecuul dat naar buiten komt versnelt weg van de raket. De derde wet van Newton vereist dat deze versnelling gepaard gaat met een overeenkomstige versnelling van de raket in de tegenovergestelde richting. De gecombineerde versnelling van alle moleculen van geoxideerde brandstof wanneer ze uit de straalpijpen van de raket komen, creëren de stuwkracht die de raket versnelt en voortstuwt.
De tweede wet van Newton toepassen
Als er maar één molecuul uitlaatgas uit de staart zou komen, zou de raket niet bewegen, omdat de kracht die door het molecuul wordt uitgeoefend niet genoeg is om de traagheid van de raket te overwinnen. Om de raket te laten bewegen, moeten er veel moleculen zijn, en ze moeten voldoende versnelling hebben, zoals bepaald door de verbrandingssnelheid en het ontwerp van de stuwraketten. Raketwetenschappers gebruiken de tweede wet van Newton om de stuwkracht te berekenen die nodig is om de raket te versnellen en te sturen het op zijn geplande traject, wat al dan niet inhoudt dat hij aan de zwaartekracht van de aarde ontsnapt en de ruimte in gaat.
Hoe te denken als een raketwetenschapper
Denken als een raketwetenschapper houdt in dat je moet uitzoeken hoe je de krachten kunt overwinnen die voorkomen dat een raket beweegt - voornamelijk zwaartekracht en aerodynamische weerstand - met het meest efficiënte gebruik van brandstof. Een van de relevante factoren is het gewicht van de raket - inclusief het laadvermogen - dat afneemt naarmate de raket brandstof verbruikt. Om de berekeningen te compliceren, neemt de weerstandskracht toe naarmate de raket versnelt, terwijl deze tegelijkertijd afneemt naarmate de atmosfeer dunner wordt. Om de kracht te berekenen die de raket voortstuwt, moet u onder andere rekening houden met de verbrandingskenmerken van de brandstof en de grootte van elke opening van de spuitmond.