Три закони руху сера Ісаака Ньютона, які складають більшу частину основи класичної фізики, зробили революцію в науці, коли він опублікував їх у 1686 році. Перший закон говорить, що кожен предмет залишається в стані спокою або в русі, якщо на нього не діє сила. Другий закон показує, чому сила є продуктом маси тіла та його прискорення. Третій закон, знайомий кожному, хто коли-небудь стикався, пояснює, чому працюють ракети.
Третій закон Ньютона
Викладений сучасною мовою, Третій закон Ньютона говорить, що кожна дія має рівну і протилежну реакцію. Наприклад, коли ви виходите з човна, сила, яку ваша нога надає на підлогу, штовхає вас вперед, одночасно роблячи рівну силу на човен у зворотному напрямку. Оскільки сила тертя між човном і водою не така велика, як сила тертя між взуттям і підлогою, човен прискорюється від причалу. Якщо ви забудете врахувати цю реакцію у своїх рухах та хронометражі, ви можете опинитися у воді.
Ракетна тяга
Сила, що приводить в рух ракету, забезпечується згорянням палива ракети. Коли паливо поєднується з киснем, воно виробляє гази, які спрямовуються через випускні сопла на задній частині фюзеляжу, і кожна молекула, що виходить, прискорюється від ракети. Третій закон Ньютона вимагає, щоб це прискорення супроводжувалося відповідним прискоренням ракети в протилежному напрямку. Спільне прискорення всіх молекул окисленого палива, коли вони виходять із сопел ракети, створюють тягу, яка прискорює і приводить в рух ракету.
Застосування другого закону Ньютона
Якби з хвоста вийшла лише одна молекула відпрацьованих газів, ракета не рухалася б, оскільки сили, що діє молекулою, недостатньо для подолання інерції ракети. Для того, щоб змусити ракету рухатися, має бути багато молекул, і вони повинні мати достатнє прискорення, що визначається швидкістю згоряння та конструкцією рушіїв. Вчені-ракетологи використовують Другий закон Ньютона для розрахунку тяги, необхідної для прискорення ракети і відправлення він рухається за запланованою траєкторією, яка може включати, а може і не передбачати втечу від гравітації Землі та вихід у космос.
Як мислити як ракетолог
Мислення як ракетоносець передбачає придумати, як подолати сили, що заважають ракеті рухатися - насамперед гравітацію та аеродинамічний опір - за допомогою найбільш ефективного використання палива. Серед важливих факторів - вага ракети, включаючи її корисне навантаження, яка зменшується в міру використання ракети. Ускладнюючи обчислення, сила опору збільшується в міру прискорення ракети, в той же час вона зменшується, оскільки атмосфера стає рідшою. Для розрахунку сили, що приводить в рух ракету, потрібно врахувати, серед іншого, характеристики згоряння палива та розмір кожного отвору сопла.