Come funzionano i razzi nel vuoto dello spazio?

Caro Straight Dope:

La mia comprensione dello spazio è che è un vuoto, cioè privo di praticamente tutta la materia, solo spazio vuoto. Anche dalla mia conoscenza incredibilmente limitata della fisica capisco che una forza per creare movimento deve agire su qualcosa. Quindi, se un veicolo spaziale spara i suoi razzi nello spazio, un vuoto, su cosa sta agendo questa forza? Se non c’è niente lì, quali sono i razzi che spingono contro per far muovere la nave? Solo una cosa a cui stavo pensando perché ho troppo tempo libero, la tua infinita saggezza sarebbe molto apprezzata.

Coulter, UCLA

SDStaff Karen risponde:

Non prenderla sul personale, Coulter, ma non sei uno scienziato missilistico.

Non sei anche la prima persona che non è riuscita a raggiungere lo Zen con la Terza Legge di Newton. Nel 1920, quando Robert Goddard era padre di rocketry, un editoriale del New York Times lo dissentì così: “Quel professor Goddard con la sua ‘cattedra’ al Clark College e il countenancing della Smithsonian Institution non conosce la relazione tra azione e reazione, e della necessità di avere qualcosa di meglio di un vuoto contro cui reagire — dire che sarebbe assurdo. Naturalmente, egli sembra solo a mancare la conoscenza mestolato fuori tutti i giorni nelle scuole superiori.”Su quello che ci si aspetterebbe da un quotidiano.

La verità è che il razzo ha qualcosa da spingere contro: vale a dire, il proprio carburante. Illustriamo con un esempio che i bambini possono provare a casa. In primo luogo, è necessario mettersi in una sorta di situazione senza attrito. Indossare pattini da ghiaccio su una pista di ghiaccio scivolosa sarebbe buono, o forse il tuo ufficio ha una sedia che rotola molto bene su una superficie dura. Successivamente, avrai bisogno di una palla medica. Tu sei il razzo e la palla medica è il carburante. Lancia la palla medica. Noterai che mentre spingi la palla medica in avanti, tu stesso ti muovi all’indietro. Ta-da, il miracolo della fisica! (Se si pensa che questo è perché la palla medica spinto in aria, quindi provare l’esperimento senza la palla medica — basta spingere in aria con le mani, vedere quanto lontano si barcollare all’indietro.)

La Terza Legge di Newton è solitamente espressa come “Per ogni azione c’è una reazione uguale e opposta”, e puoi anche pensarla come “Le forze vengono sempre in coppia.”Mentre stai spingendo sulla palla medica, la Terza Legge di Newton dice che la palla medica sta anche spingendo su di te. Quindi, sei accelerato dalla forza che agisce (all’indietro) su di te dalla palla medica. Non importa che sei stato tu a decidere di iniziare la spinta in primo luogo; non puoi spingere sulla palla senza che la palla si spinga indietro. Le forze vengono sempre in coppia.

Naturalmente, i razzi funzionano su principi più sofisticati del semplice lancio di carburante dal retro. In primo luogo, il carburante viene bruciato e i suoi gas di scarico caldi vengono espulsi a velocità molto elevata (se lanci la palla medica più velocemente, il tuo corpo sperimenta una maggiore forza all’indietro). E l’ugello di scarico del razzo ha un restringimento in modo da schizzare i gas di scarico ancora più velocemente, come mettere il pollice sulla fine di un tubo da giardino. Lo scarico dalla propulsione chimica (cioè la propulsione che brucia carburante) viene tipicamente espulso a 2 km/s (=4500 mph), e la massa media del razzo al lancio è 80-85% propellente (carburante + ossidante), la maggior parte dei quali alla fine viene schizzata fuori.

Così ad esempio un razzo Delta II può inviare un carico utile di 1800 kg in orbita geosincrona, utilizzando circa 200.000 kg di propellente. Il razzo totale al lancio avrebbe una massa di circa 232.000 kg. E ‘ un sacco di carburante! Questo perché 2 km / s (=4500 mph) è considerato “a bassa” velocità nel mondo dei razzi, quindi devi raggiungere la spinta spruzzando molta massa. Se si potesse schizzare qualcosa di ancora più veloce fuori la parte posteriore del razzo, si potrebbe ottenere più spinta con meno carburante, e quindi inviare carichi utili più pesanti.

Questo è dove la propulsione elettrica riesce. La propulsione elettrostatica, chiamata anche propulsione ionica, utilizza ciò che equivale a un piccolo acceleratore di particelle per spingere le particelle di carburante fuori dal retro di un razzo, fornendo velocità di scarico di 100 km/s (=220.000 mph). Il veicolo di prova a tecnologia avanzata della NASA, Deep Space 1, ha utilizzato con successo la propulsione ionica dal suo lancio nell’ottobre 1998. Attualmente si trova a 333 milioni di km dalla terra, sfrecciando verso un appuntamento con la cometa Borrelly nel settembre 2001. C’è stato anche un po’ di lavoro fatto con la propulsione elettromagnetica, chiamata anche propulsione al plasma, dove l’interazione degli ioni plasma con un campo magnetico li accelera sul retro del razzo. E poi c’è la propulsione magnetoplasmadinamica, dove una forza di accelerazione viene applicata direttamente a un plasma neutro.

Quindi puoi vedere che la scienza missilistica non è poi così difficile. La domanda che dovresti fare è: Come funziona un motore a curvatura anti-materia alimentato da dilitio? Non ne ho idea, ma sono sicuro che ci sono un sacco di geek sulle bacheche che sarebbero disposti a spiegarlo. In Klingon.

SDStaff Karen, Dritte Dope Science Advisory Board

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I RAPPORTI DEL PERSONALE SONO SCRITTI DAL COMITATO CONSULTIVO STRAIGHT DOPE SCIENCE, L’AUSILIARIO ONLINE DI CECIL. ANCHE SE L’SDSAB FA DEL SUO MEGLIO, QUESTE COLONNE SONO A CURA DI ED ZOTTI, NON CECIL, COSÌ ACCURACYWISE È MEGLIO TENERE LE DITA INCROCIATE.

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