Cómo funcionan los cohetes

Ya sea volando un pequeño modelo de cohete o lanzando un cohete de carga gigante a Marte, los principios de funcionamiento de los cohetes son exactamente los mismos. Comprender y aplicar estos principios significa el éxito de la misión.

En los primeros días de la cohetería, el vuelo de una flecha de fuego u otro dispositivo de cohete era en gran medida una cuestión de azar. Podría volar; podría resbalar, arrojando chispas y humo; o podría explotar. A través de siglos de prueba y error, los cohetes se volvieron más confiables. Sin embargo, los avances reales en la cohetería dependían de una comprensión científica y matemática del movimiento. Eso llegó en el siglo XVII con los trabajos de científicos como Galileo e Isaac Newton.

Galileo realizó una amplia gama de experimentos relacionados con el movimiento. A través de estudios de planos inclinados, Galileo concluyó que los objetos en movimiento no necesitaban la aplicación continua de fuerza (en ausencia de fricción y arrastre) para seguir moviéndose. Galileo descubrió el principio de inercia, que toda materia, debido a su masa, resiste los cambios de movimiento. A más masa, más resistencia.

Isaac Newton, nacido el año en que murió Galileo, hizo avanzar los descubrimientos de Galileo y los de otros al proponer tres leyes básicas del movimiento. Estas leyes son la base de toda la ciencia espacial. Comprenda las leyes y sabrá casi todo lo que necesita para construir cohetes exitosos. Aplica las leyes y te convertirás en un "científico espacial".

”Leyes del movimiento de Newton”

En su obra maestra titulada Philosophia Naturalis Principia Mathematica (generalmente conocida como Principia), Isaac Newton estableció sus leyes del movimiento. En su mayor parte, los coheteros conocían las leyes intuitivamente, pero su declaración en forma clara elevó la cohetería a una ciencia. La aplicación práctica de las leyes de Newton marca la diferencia entre el fracaso y el éxito. Las leyes relacionan fuerza y ​​dirección con todas las formas de movimiento.

En un lenguaje sencillo, las leyes de movimiento de Newton:

Primera Ley

Los objetos en reposo permanecen en reposo y los objetos en movimiento permanecen en movimiento en línea recta a menos que una fuerza desequilibrante actúe sobre ellos.

Segunda Ley

La fuerza es igual a la masa por la aceleración

o ( f = ma).

Tercera Ley

Para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Antes de ver cada una de estas leyes en detalle, se deben explicar algunos términos.

Descanso y movimiento, como se usan en la primera ley, pueden ser confusos. Ambos términos son relativos. Significan reposo o movimiento en relación con el entorno. Estás en reposo cuando estás sentado en una silla. No importa si la silla está en la cabina de un avión a reacción en un vuelo de travesía. Todavía se considera que está en reposo porque la cabina del avión se mueve junto con usted. Si te levantas de tu asiento en el avión y caminas por el pasillo, estás en movimiento relativo porque estás cambiando de posición dentro de la cabina.

La fuerza es un empujón o un tirón ejercido sobre un objeto. La fuerza se puede ejercer de muchas maneras, como la fuerza muscular, el movimiento del aire y el electromagnetismo, por nombrar algunas. En el caso de los cohetes, la fuerza generalmente se ejerce al quemar propulsores de cohetes que se expanden explosivamente.

Fuerza desequilibrada se refiere a la suma total o fuerza neta ejercida sobre un objeto. Las fuerzas sobre una taza de café que se encuentra sobre un escritorio, por ejemplo, están en equilibrio. La gravedad está ejerciendo una fuerza hacia abajo sobre el vaso. Al mismo tiempo, la estructura del escritorio ejerce una fuerza hacia arriba, evitando que la taza se caiga. Las dos fuerzas están en equilibrio.

Acércate y recoge la taza. Al hacerlo, desequilibra las fuerzas sobre la copa. El peso que sientes es la fuerza de gravedad que actúa sobre la masa del vaso. Para mover la taza hacia arriba, debes ejercer una fuerza mayor que la fuerza de la gravedad. Si mantienes la copa firme, la fuerza de la gravedad y la fuerza muscular que estás ejerciendo están en equilibrio.

La fuerza desequilibrada también se refiere a otros movimientos.

Las fuerzas sobre un balón de fútbol en reposo en el campo de juego están balanceadas. Dale una buena patada a la pelota y las fuerzas se desequilibrarán. Gradualmente, la resistencia del aire (una fuerza) frena la pelota y la gravedad hace que rebote en el campo. Cuando la pelota deja de rebotar y rodar, las fuerzas vuelven a estar en equilibrio. Lleva la pelota de fútbol al espacio profundo, lejos de cualquier estrella u otro campo gravitatorio significativo, y dale una patada. La patada es una fuerza desequilibrada ejercida sobre la pelota que la pone en movimiento. Una vez que la pelota ya no está en contacto con el pie, las fuerzas sobre la pelota se equilibran nuevamente y la pelota viajará en línea recta para siempre. ¿Cómo se puede saber si las fuerzas están equilibradas o desequilibradas? Si el balón de fútbol está en reposo, con velocidad constante y en línea recta, las fuerzas están equilibradas. Si la pelota está acelerando o cambiando su dirección, las fuerzas están desequilibradas.

La masa es la cantidad de materia contenida en un objeto. El objeto no tiene que ser sólido. Podría ser la cantidad de aire contenida en un globo o la cantidad de agua en un vaso. Lo importante de la masa es que, a menos que la alteres de alguna manera, permanece igual ya sea que el objeto esté en la Tierra, en la órbita de la Tierra o en la Luna. La masa simplemente se refiere a la cantidad de materia contenida en el objeto. (La masa y el peso a menudo se confunden. No son lo mismo. El peso es una fuerza y es el producto de la masa por la aceleración de la gravedad).

La aceleración se relaciona con el movimiento. Significa un cambio en el movimiento. Por lo general, el cambio se refiere a aumentar la velocidad, como lo que ocurre cuando pisas el pedal del acelerador de un automóvil. Acelerar también significa cambiar de dirección.

Vista superior de dos jinetes en un carrusel. La plataforma del carrusel ejerce fuerzas desequilibradas sobre los ciclistas, lo que les impide avanzar en línea recta. En cambio, la plataforma acelera continuamente a los ciclistas en sentido contrario a las agujas del reloj.

Esto es lo que sucede en un carrusel. Aunque el carrusel gira a un ritmo constante, el cambio continuo en la dirección de los caballos y jinetes (movimiento circular) es una aceleración.

La acción es el resultado de una fuerza. Un cañón dispara y la bala de cañón vuela por el aire. El movimiento de la bala de cañón es una acción. Libera aire de un globo inflado. El aire sale disparado por la boquilla. Eso también es una acción. Baja de un bote a un muelle. Eso también es una acción.

La reacción está relacionada con la acción. Cuando el cañón dispara y la bala del cañón vuela por el aire, el cañón retrocede hacia atrás. Esa es una reacción.

Cuando el aire sale del globo, el globo sale disparado hacia el otro lado, otra reacción. Bajar de un bote a un muelle provoca una reacción. A menos que el bote se sostenga de alguna manera, se mueve en la dirección opuesta. (Nota: el ejemplo del bote es una gran demostración del principio de acción/reacción, ¡siempre y cuando no seas tú quien se baje del bote!)

Primera Ley de Newton

Esta ley a veces se conoce como la ley de inercia de Galileo porque Galileo descubrió el principio de inercia. Esta ley simplemente señala

que un objeto en reposo, como un cohete en una plataforma de lanzamiento, necesita el ejercicio de una fuerza desequilibrada para hacer que despegue. La cantidad de empuje (fuerza) producida por los motores de los cohetes tiene que ser mayor que la fuerza de la gravedad que los mantiene presionados.

Mientras continúa el empuje de los motores, el cohete acelera. Cuando el cohete se queda sin combustible, las fuerzas vuelven a desequilibrarse. Esta vez, la gravedad se hace cargo y hace que el cohete vuelva a caer a la Tierra. Después de su "aterrizaje", el cohete vuelve a estar en reposo y las fuerzas están en equilibrio.

Hay una parte muy interesante de esta ley que tiene enormes implicaciones para los vuelos espaciales. Cuando un cohete llega al espacio, la resistencia atmosférica (fricción) se reduce o elimina en gran medida. Dentro de la atmósfera, la resistencia es una importante fuerza desequilibrante.

Esa fuerza está virtualmente ausente en el espacio. Un cohete que se aleje de la Tierra a una velocidad superior a 11,186 kilómetros por segundo (6,95 millas por segundo) o 40,270 kph (25,023 mph) eventualmente escapará de la gravedad de la Tierra. Se ralentizará, pero la gravedad de la Tierra nunca lo ralentizará lo suficiente como para hacer que vuelva a caer a la Tierra. En última instancia, el cohete (en realidad, su carga útil) viajará a las estrellas. Sin cohete adicional

se necesitará empuje. Su inercia hará que continúe viajando hacia afuera. Cuatro naves espaciales están haciendo eso mientras lees esto. ¡Los Pioneer 10 y 11 y los Voyagers 1 y 2 están en viajes a las estrellas!

Tercera Ley de Newton

(Es útil saltar a la tercera ley y volver a la segunda más tarde). Esta es la ley del movimiento con la que muchas personas están familiarizadas. Es el principio de acción y reacción. En el caso de los cohetes, la acción es la fuerza producida por la expulsión de gas, humo y llamas desde el extremo de la tobera de un motor cohete. La fuerza de reacción impulsa el cohete en la dirección opuesta. Cuando un cohete despega, los productos de combustión de los propulsores en llamas aceleran rápidamente fuera del motor. El cohete, por otro lado, acelera lentamente hacia el cielo. Parecería que algo anda mal aquí si se supone que la acción y la reacción son iguales. Son iguales, pero la masa del gas, el humo y las llamas que impulsa el motor es mucho menor que la masa del cohete que se impulsa en la dirección opuesta.

Aunque la fuerza es igual en ambos, los efectos son diferentes. La primera ley de Newton, la ley de la inercia, explica por qué. La ley establece que se necesita una fuerza para cambiar el movimiento de un objeto. Cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza necesaria para moverla.

Segunda Ley de Newton

La segunda ley relaciona la fuerza, la aceleración y la masa. La ley a menudo se escribe como la ecuación:

f = ma

La fuerza o el empuje producido por un motor de cohete es directamente proporcional a la masa del gas y las partículas producidas por la combustión del propulsor del cohete por la aceleración de esos productos de combustión que salen por la parte trasera del motor. Esta ley solo se aplica a lo que realmente sale del motor en ese momento y no a la masa del propulsor del cohete contenido en el cohete que se consumirá más tarde.

La implicación de esta ley para los cohetes es que cuanto más propulsor (m) consuma en cualquier momento y mayor sea la aceleración (a) de los productos de combustión que salen de la boquilla, mayor será el empuje (f).

Una muestra de la verdadera ciencia espacial

Naturalmente, lanzar cohetes al espacio es más complicado de lo que implican las leyes de movimiento de Newton. Diseñar cohetes que realmente puedan despegar de la Tierra y alcanzar velocidades orbitales o el espacio interplanetario es un proceso extremadamente complicado.

Las leyes de Newton son el comienzo, pero entran en juego muchas otras cosas. Por ejemplo, la presión del aire juega un papel importante mientras el cohete aún está en la atmósfera. La presión interna producida

al quemar propulsores de cohetes dentro de la cámara de combustión del motor del cohete tiene que ser mayor que la presión exterior para escapar a través de la tobera del motor. En cierto sentido, el aire exterior es como un corcho en el motor. Se necesita parte de la presión generada dentro del motor para superar la presión ambiental exterior. En consecuencia, se reduce la velocidad de los productos de combustión que pasan a través de la abertura o garganta de la boquilla. La buena noticia es que a medida que el cohete sube al espacio, la presión ambiental se vuelve cada vez menor a medida que la atmósfera se adelgaza y aumenta el empuje del motor.

Otro factor importante es la masa cambiante del cohete. A medida que el cohete gana empuje a medida que acelera hacia arriba debido a los cambios de presión exterior, también recibe un impulso debido a su masa cambiante. Cada pedacito de propulsor de cohete quemado tiene masa. A medida que el motor expulsa los productos de la combustión, la masa total del vehículo disminuye. A medida que lo hace, su inercia, o resistencia al cambio de movimiento, se vuelve menor. Como resultado, aumenta la aceleración hacia arriba del cohete.

En términos prácticos, la segunda ley de Newton se puede reescribir así:

(“A” se refiere al área de la garganta del motor).

Cuando el cohete llega al espacio y la presión de salida menos la presión ambiental se vuelve cero, la ecuación se convierte en:

En la ciencia espacial real, muchas otras cosas también entran en juego.

• Incluso con una aceleración baja, el cohete ganará velocidad con el tiempo porque la aceleración se acumula.

• No todos los propulsores de cohetes son iguales. Algunos producen un empuje mucho mayor que otros debido a su velocidad de combustión y masa. Parecería obvio que los científicos espaciales siempre elegirían los propulsores más energéticos.

Cada elección que hace un científico espacial tiene un costo. El hidrógeno líquido y el oxígeno líquido son muy energéticos cuando se queman, pero ambos deben mantenerse refrigerados a temperaturas muy bajas. Además, su masa es baja y se necesitan tanques muy grandes para contener suficiente propulsor para hacer el trabajo.

En conclusión...

Las leyes del movimiento de Newton explican casi todo lo que necesitas saber para convertirte en un científico espacial. Sin embargo, conocer las leyes no es suficiente. Hay que saber aplicarlos, como por ejemplo:

• ¿Cómo puedes crear suficiente empuje para exceder el peso del cohete?

• ¿Qué materiales estructurales y combinaciones de propulsores debe usar?

• ¿Qué tamaño tendrá que tener el cohete?

• ¿Cómo puedes hacer que el cohete vaya a donde quieres?

• ¿Cómo puedes traerlo de regreso a la Tierra de manera segura?