Bruke Newtons tredje lov til å forklare hvordan en rakett akselererer

Sir Isaac Newtons Three Laws of Motion, som danner mye av grunnlaget for klassisk fysikk, revolusjonerte vitenskapen da han publiserte dem i 1686. Den første loven sier at hvert objekt forblir i ro eller i bevegelse med mindre en styrke virker på det. Den andre loven viser hvorfor kraft er et produkt av kroppens masse og dens akselerasjon. Den tredje loven, kjent for alle som noen gang har vært i en kollisjon, forklarer hvorfor raketter fungerer.

Newtons tredje lov, angitt på moderne språk, sier at hver handling har en lik og motsatt reaksjon. For eksempel når du går ut av en båt, styrker foten din på gulvet deg fremover samtidig som du utøver en like stor kraft på båten i motsatt retning. Fordi friksjonskraften mellom båten og vannet ikke er så stor som mellom skoen og gulvet, akselererer båten vekk fra kaien. Hvis du glemmer å gjøre rede for denne reaksjonen i bevegelser og timing, kan du havne i vannet.

Kraften som driver en rakett tilveiebringes ved forbrenning av rakettens drivstoff. Når drivstoffet kombineres med oksygen, produserer det gasser som ledes gjennom eksosdyser på baksiden av skroget, og hvert molekyl som dukker opp akselererer vekk fra raketten. Newtons tredje lov krever at denne akselerasjonen ledsages av en tilsvarende akselerasjon av raketten i motsatt retning. Den kombinerte akselerasjonen av alle molekylene av oksidert drivstoff når de kommer ut av rakettens dyser, skaper skyvekraften som akselererer og driver raketten.

Hvis bare ett molekyl avgass skulle dukke opp fra halen, ville ikke raketten bevege seg, fordi styrken som utøves av molekylet ikke er nok til å overvinne rakettens treghet. For å få raketten til å bevege seg, må det være mange molekyler, og de må ha tilstrekkelig akselerasjon, bestemt av forbrenningshastigheten og thrusterenes utforming. Rakettforskere bruker Newtons andre lov for å beregne skyvekraften som kreves for å akselerere raketten og sende den på sin planlagte bane, som kanskje eller ikke kan innebære å unnslippe jordens gravitasjon og gå ut i rommet.

Å tenke som en rakettforsker innebærer å finne ut hvordan man kan overvinne kreftene som hindrer en rakett i å bevege seg - først og fremst tyngdekraften og aerodynamisk luftmotstand - med den mest effektive bruken av drivstoff. Blant de relevante faktorene er vekten til raketten - inkludert nyttelasten - som avtar når raketten bruker drivstoff. Når du kompliserer beregningene, øker dragkraften når raketten øker, samtidig som den avtar etter hvert som atmosfæren blir tynnere. For å beregne kraften som driver raketten, må du blant annet faktorisere forbrenningsegenskapene til drivstoffet og størrelsen på hver dyseåpning.