Usando a terceira lei de Newton para explicar como um foguete acelera

As Três Leis do Movimento de Sir Isaac Newton, que constituem grande parte da base da física clássica, revolucionaram a ciência quando as publicou em 1686. A Primeira Lei afirma que todo objeto permanece em repouso ou em movimento, a menos que uma força aja sobre ele. A segunda lei mostra por que a força é o produto da massa de um corpo e sua aceleração. A Terceira Lei, conhecida por qualquer pessoa que já tenha estado em uma colisão, explica por que os foguetes funcionam.

Dito em linguagem moderna, a Terceira Lei de Newton diz que toda ação tem uma reação igual e oposta. Por exemplo, quando você está saindo de um barco, a força que seu pé exerce no chão o impulsiona para a frente e, ao mesmo tempo, exerce uma força igual no barco na direção oposta. Como a força de atrito entre o barco e a água não é tão grande quanto a força entre o sapato e o chão, o barco acelera para longe da doca. Se você esquecer de levar em conta essa reação em seus movimentos e no tempo, pode acabar na água.

A força que impulsiona um foguete é fornecida pela combustão do combustível do foguete. À medida que o combustível se combina com o oxigênio, ele produz gases que são direcionados pelos bocais de exaustão na parte traseira da fuselagem, e cada molécula que emerge acelera para longe do foguete. A Terceira Lei de Newton exige que essa aceleração seja acompanhada por uma aceleração correspondente do foguete na direção oposta. A aceleração combinada de todas as moléculas de combustível oxidado à medida que emergem dos bocais do foguete cria o impulso que acelera e impulsiona o foguete.

Se apenas uma molécula de gás de exaustão emergisse da cauda, ​​o foguete não se moveria, porque a força exercida pela molécula não é suficiente para superar a inércia do foguete. Para fazer o foguete se mover, deve haver muitas moléculas e elas devem ter aceleração suficiente, conforme determinado pela velocidade de combustão e pelo design dos propulsores. Cientistas de foguetes usam a Segunda Lei de Newton para calcular o empuxo necessário para acelerar o foguete e enviar em sua trajetória planejada, que pode ou não envolver escapar da gravitação da Terra e ir para o espaço.

Pensar como um cientista de foguetes envolve descobrir como superar as forças que impedem um foguete de se mover - principalmente gravidade e resistência aerodinâmica - com o uso mais eficiente de combustível. Entre os fatores relevantes estão o peso do foguete - incluindo sua carga útil - que diminui à medida que o foguete usa o combustível. Para complicar os cálculos, a força de arrasto aumenta à medida que o foguete acelera, enquanto ao mesmo tempo diminui à medida que a atmosfera se torna mais fina. Para calcular a força que impulsiona o foguete, você precisa levar em consideração, entre outras coisas, as características de combustão do combustível e o tamanho da abertura de cada bico.