Använda Newtons tredje lag för att förklara hur en raket accelererar

Sir Isaac Newtons Three Laws of Motion, som utgör mycket av grunden för klassisk fysik, revolutionerade vetenskapen när han publicerade dem 1686. Den första lagen säger att varje objekt förblir i vila eller i rörelse såvida inte en kraft verkar på det. Den andra lagen visar varför kraft är en produkt av kroppens massa och dess acceleration. Den tredje lagen, som är bekant för alla som någonsin har varit i en kollision, förklarar varför raketer fungerar.

I Newtons tredje lag anges i modernt språk att varje handling har en lika och motsatt reaktion. Till exempel, när du går ut ur en båt, driver den kraft som din fot utövar på golvet dig framåt samtidigt som du utövar en lika kraft på båten i motsatt riktning. Eftersom friktionskraften mellan båten och vattnet inte är lika stor som mellan din sko och golvet, accelererar båten bort från bryggan. Om du glömmer att redogöra för denna reaktion i dina rörelser och timing kan du hamna i vattnet.

Kraften som driver en raket tillhandahålls genom förbränning av raketens bränsle. När bränslet kombineras med syre producerar det gaser som styrs genom avgasmunstycken på flygkroppens baksida, och varje molekyl som dyker upp accelererar bort från raketen. Newtons tredje lag kräver att denna acceleration åtföljs av en motsvarande acceleration av raketen i motsatt riktning. Den kombinerade accelerationen av alla molekyler av oxiderat bränsle när de dyker upp från raketens munstycken skapar kraften som accelererar och driver raketen.

Om bara en molekyl avgas skulle komma ut ur svansen, skulle raketen inte röra sig, för den kraft som utövas av molekylen räcker inte för att övervinna raketens tröghet. För att få raketen att röra sig måste det finnas många molekyler, och de måste ha tillräcklig acceleration, som bestäms av förbränningshastigheten och thrusterns design. Raketforskare använder Newtons andra lag för att beräkna den kraft som krävs för att påskynda raketen och skicka den på sin planerade bana, som kanske eller inte kan innebära att fly jordens gravitation och gå ut i rymden.

Att tänka som en raketforskare innebär att ta reda på hur man kan övervinna krafterna som hindrar en raket från att röra sig - främst gravitation och aerodynamisk dragning - med den mest effektiva användningen av bränsle. Bland de relevanta faktorerna är raketens vikt - inklusive dess nyttolast - som minskar när raketten använder bränsle. Genom att komplicera beräkningarna ökar dragkraften när raketen ökar, samtidigt som den minskar när atmosfären blir tunnare. För att beräkna kraften som driver raketen måste du bland annat ta hänsyn till bränslets förbränningsegenskaper och storleken på varje munstycksöppning.