Wykorzystanie trzeciego prawa Newtona do wyjaśnienia, w jaki sposób rakieta przyspiesza

Trzy prawa ruchu sir Isaaca Newtona, które stanowią znaczną część podstaw fizyki klasycznej, zrewolucjonizowały naukę, gdy opublikował je w 1686 roku. Pierwsze Prawo mówi, że każdy przedmiot pozostaje w spoczynku lub w ruchu, chyba że działa na niego siła. Drugie prawo pokazuje, dlaczego siła jest iloczynem masy ciała i jego przyspieszenia. Trzecie Prawo, znane każdemu, kto kiedykolwiek miał kolizję, wyjaśnia, dlaczego rakiety działają.

Sformułowane we współczesnym języku trzecie prawo Newtona mówi, że każde działanie ma równą i przeciwną reakcję. Na przykład, kiedy wychodzisz z łodzi, siła, którą twoja stopa wywiera na podłogę, popycha cię do przodu, jednocześnie wywierając równą siłę na łódź w przeciwnym kierunku. Ponieważ siła tarcia między łodzią a wodą nie jest tak duża, jak między butem a podłogą, łódź przyspiesza, oddalając się od doku. Jeśli zapomnisz uwzględnić tę reakcję w swoich ruchach i czasie, możesz wylądować w wodzie.

Siłę napędzającą rakietę zapewnia spalanie paliwa rakiety. Gdy paliwo łączy się z tlenem, wytwarza gazy, które są kierowane przez dysze wydechowe z tyłu kadłuba, a każda wyłaniająca się cząsteczka przyspiesza od rakiety. Trzecie prawo Newtona wymaga, aby temu przyspieszeniu towarzyszyło odpowiednie przyspieszenie rakiety w przeciwnym kierunku. Połączone przyspieszenie wszystkich cząsteczek utlenionego paliwa, gdy wychodzą z dysz rakiety, tworzy ciąg, który przyspiesza i napędza rakietę.

Gdyby tylko jedna cząsteczka spalin wypłynęła z ogona, rakieta nie poruszyłaby się, ponieważ siła wywierana przez cząsteczkę nie wystarcza do pokonania bezwładności rakiety. Aby rakieta mogła się poruszyć, musi być wiele cząsteczek i muszą one mieć wystarczające przyspieszenie, określone przez prędkość spalania i konstrukcję silników odrzutowych. Naukowcy zajmujący się rakietami wykorzystują drugie prawo Newtona do obliczenia ciągu wymaganego do przyspieszenia rakiety i jej wysłania na swojej planowanej trajektorii, która może, ale nie musi oznaczać ucieczki przed grawitacją Ziemi i udania się w kosmos.

Myślenie jak naukowiec zajmujący się rakietami polega na wymyśleniu, jak pokonać siły uniemożliwiające rakiecie ruch – przede wszystkim grawitację i opór aerodynamiczny – przy najbardziej efektywnym wykorzystaniu paliwa. Jednym z istotnych czynników jest waga rakiety – w tym jej ładowność – która zmniejsza się wraz ze zużyciem paliwa. ującego również jego ładunek. Komplikując obliczenia, siła oporu wzrasta wraz ze wzrostem prędkości rakiety, a jednocześnie maleje, gdy atmosfera staje się cieńsza. Aby obliczyć siłę napędzającą rakietę, musisz wziąć pod uwagę między innymi charakterystykę spalania paliwa i wielkość każdego otworu dyszy. .