Rocket science, czyli jak działają rakiety?
Złożenie rakiety na powietrze to świetny początek na zapoznanie się z tematem astronomii. Jednak warto zadać sobie pytanie: w jaki sposób ogromne rakiety, ważące nawet kilka tysięcy ton mogą wzbić się w kosmos pokonując siłę grawitacji? W tym segmencie zostały opisane zjawiska fizyczne, które sprawiają, że stało się to możliwe.
Zrozumienie, jak działają rakiety, staje się prostsze, gdy przyjrzymy się trzem zasadom dynamiki sformułowanym przez Isaaca Newtona. Te fundamentalne prawa ruchu nie tylko wyjaśniają, jak obiekty poruszają się na Ziemi, ale także w przestrzeni kosmicznej.
1 zasada dynamiki Newtona
Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że obiekt pozostaje w spoczynku lub porusza się ze stałą prędkością, jeśli nie działa na niego żadna siła zewnętrzna. W kontekście rakiet, kiedy są one na platformie startowej, pozostają w spoczynku. Dopiero działanie silnika, które generuje siłę (ciąg), pozwala rakiecie przełamać siłę grawitacji i ruszyć do przodu.
2 zasada dynamiki Newtona
Druga zasada dynamiki Newtona stwierdza, że przyspieszenie obiektu jest proporcjonalne do działającej na niego siły i odwrotnie proporcjonalne do jego masy. W przypadku rakiet, siła ta jest wynikiem spalania paliwa w komorze silnika. Gdy paliwo spala się i wyrzucane jest z tyłu rakiety, generuje to ciąg, który przyspiesza rakietę. Ciekawe jest, że im więcej paliwa zostaje spalone, tym masa rakiety maleje, co pozwala na osiągnięcie większego przyspieszenia z tej samej ilości ciągu.
3 zasada dynamiki Newtona
Trzecia zasada dynamiki Newtona głosi, że każdej akcji towarzyszy równa i przeciwnie skierowana reakcja. To właśnie to prawo jest kluczowe dla zrozumienia działania rakiet.
Wyobraźmy sobie nadmuchany powietrzem balonik. Co stanie się, kiedy go puścimy? Z balonika wydostaje się powietrze (akcja), które sprawia, że porusza się on pionowo do góry (reakcja) Jednak siła napędowa (powietrze w baloniku) stopniowo maleje wraz z ubytkiem powietrza. Pod wpływem stale działającej na nią siły grawitacji oraz po wyczerpaniu całego zapasu „paliwa” najpierw zatrzymuje się, a potem opada na podłogę. Moment, w którym rakieta zatrzymuje się i „zawisa” nazywamy stanem równowagi, ponieważ wszystkie siły oddziałujące na balonik posiadają tą samą wartość.
Teraz przenieśmy się z balonika z powrotem do rakiety. Warunkiem oderwania się od powierzchni Ziemi jest pokonanie siły grawitacyjnej. Tym razem pędu koniecznego do wzniesienia dostarcza mieszanina paliwa z utleniaczem, wytwarzająca ogromne ilości gazów wyrzucanych przez silniki rakiety. Po odpaleniu silników podczas startu spalanie paliwa produkuje gorące gazy wyrzucane z ogromną prędkością przez dysze znajdujące się na dole rakiety. To właśnie płomień, gazy oraz dym działające w stronę ziemi w jednym kierunku powodują, że rakieta porusza się w kierunku przeciwnym. Jest to podstawowy mechanizm, na którym opiera się lot rakiety.
Jak statki kosmiczne pozostają w locie?
Pomimo że grawitacja Ziemi wciąż przyciąga rakietę, to dzięki wydostającym się spalinom, powstaje siła wyporu zwana ciągiem. Do wystartowania niezbędna jest taka ilość paliwa, aby siła ciągu unosząca rakietę była większa niż siła grawitacji przyciągająca rakietę w dół.
Dodatkowo, gdy obiekt opuszcza ziemską atmosferę, musi poradzić sobie z ruchem obrotowym planety. Rakieta nie opuszcza atmosfery Ziemi pod kątem prostym, ale pod nachyleniem. Dlaczego? Ponieważ powierzchnia Ziemi na równiku porusza się z prędkością 460 m/s na wschód. Poruszając się w tym samym kierunku zmniejszone zostaje zużycie paliwa. Stanowi to zwyczajnie najbardziej optymalne rozwiązanie 🙂
Rakieta musi osiągnąć prędkość co najmniej 28 500 kilometrów na godzinę i polecieć ponad większością atmosfery, utrzymując krzywy tor lotu, który zapewni pozostanie w powietrzu i pokonanie sił przyciągania ziemskiego.
Ucieczka z Ziemi
Do zaplanowania lotu w kosmos niezbędne jest poznanie kluczowej w astronomii wartości, która pozwala na opuszczenie Ziemi. Prędkość ucieczki to minimalna prędkość, którą ciało musi osiągnąć, aby pozostać na orbicie około planety lub opuścić jej powierzchnię i uniknąć powrotu. W kontekście Ziemi prędkość ucieczki wynosi około 11,2 km/s. Oznacza to, że aby rakieta mogła opuścić atmosferę i wejść na orbitę lub opuścić Ziemię, musi osiągnąć tę prędkość lub wyższą. Prędkość ucieczki zależy od masy planety i odległości od jej centrum (promienia). Na przykład, aby opuścić Księżyc, potrzebna jest mniejsza prędkość ucieczki niż aby opuścić Ziemię, ponieważ Księżyc jest mniej masywny i jego grawitacja jest słabsza. Obok znajduje się porównanie prędkości ucieczki dla innych ciał niebieskich maszego układu słonecznego.
