ใช้กฎข้อที่สามของนิวตันอธิบายว่าจรวดเร่งความเร็วอย่างไร

กฎการเคลื่อนที่สามข้อของเซอร์ ไอแซก นิวตัน ซึ่งเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์คลาสสิก ได้ปฏิวัติวิทยาศาสตร์เมื่อเขาตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1686 กฎข้อที่หนึ่งระบุว่าทุกวัตถุยังคงอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่เว้นแต่จะมีแรงกระทำ กฎข้อที่สองแสดงให้เห็นว่าเหตุใดแรงจึงเป็นผลคูณของมวลร่างกายและความเร่งของมัน กฎข้อที่ 3 ซึ่งคุ้นเคยกับทุกคนที่เคยประสบอุบัติเหตุ อธิบายว่าเหตุใดจรวดจึงทำงาน

กฎข้อที่สามของนิวตันระบุไว้ในภาษาสมัยใหม่ว่าทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณก้าวออกจากเรือ แรงที่เท้าของคุณออกสู่พื้นจะผลักคุณไปข้างหน้า ในขณะเดียวกันก็ออกแรงเท่ากันบนเรือในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างเรือกับน้ำไม่ดีเท่ากับระหว่างรองเท้ากับพื้น เรือจึงเร่งความเร็วออกจากท่าเรือ หากคุณลืมคำนึงถึงปฏิกิริยานี้ในการเคลื่อนไหวและจังหวะเวลาของคุณ คุณอาจลงเอยในน้ำได้

แรงที่ขับเคลื่อนจรวดนั้นมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงของจรวด เมื่อเชื้อเพลิงรวมตัวกับออกซิเจน มันจะผลิตก๊าซที่ไหลผ่านหัวฉีดไอเสียที่ด้านหลังของลำตัว และแต่ละโมเลกุลที่โผล่ออกมาจะเร่งความเร็วให้ห่างจากจรวด กฎข้อที่สามของนิวตันต้องการความเร่งนี้ควบคู่ไปกับความเร่งที่สอดคล้องกันของจรวดในทิศทางตรงกันข้าม การเร่งความเร็วรวมกันของโมเลกุลทั้งหมดของเชื้อเพลิงออกซิไดซ์เมื่อออกมาจากหัวฉีดของจรวดจะสร้างแรงขับที่เร่งความเร็วและขับเคลื่อนจรวด

หากมีก๊าซไอเสียเพียงโมเลกุลเดียวออกมาจากหาง จรวดจะไม่เคลื่อนที่ เนื่องจากแรงที่กระทำโดยโมเลกุลนั้นไม่เพียงพอต่อการเอาชนะความเฉื่อยของจรวด ในการทำให้จรวดเคลื่อนที่ได้ จะต้องมีโมเลกุลจำนวนมาก และพวกมันต้องมีอัตราเร่งที่เพียงพอ ตามที่กำหนดโดยความเร็วของการเผาไหม้และการออกแบบของตัวขับดัน นักวิทยาศาสตร์จรวดใช้กฎข้อที่สองของนิวตันเพื่อคำนวณแรงขับที่จำเป็นในการเร่งจรวดและส่ง มันอยู่บนวิถีที่วางแผนไว้ ซึ่งอาจหรือไม่เกี่ยวข้องกับการหลบหนีจากแรงโน้มถ่วงของโลกและเข้าสู่อวกาศ

การคิดอย่างนักวิทยาศาสตร์จรวดเกี่ยวข้องกับการหาวิธีเอาชนะแรงที่ขัดขวางไม่ให้จรวดเคลื่อนที่ ซึ่งโดยหลักแล้วคือแรงโน้มถ่วงและการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ โดยใช้เชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ปัจจัยที่เกี่ยวข้องได้แก่ น้ำหนักของจรวด ซึ่งรวมถึงน้ำหนักบรรทุก ซึ่งลดลงเมื่อจรวดใช้เชื้อเพลิง การคำนวณที่ซับซ้อนขึ้น แรงลากจะเพิ่มขึ้นเมื่อจรวดเร่งความเร็ว ในขณะเดียวกันก็ลดลงเมื่อชั้นบรรยากาศบางลง ในการคำนวณแรงที่ขับเคลื่อนจรวด คุณต้องคำนึงถึงลักษณะการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงและขนาดของรูหัวฉีดแต่ละตัวด้วย