Física de cohetes: Descripción, empuje y datos

¿Qué es la física de cohetes?

La física de cohetes se refiere a las aplicaciones de los principios de la física para hacer que los cohetes funcionen. Por ejemplo, las leyes del movimiento de Newton explican de manera excelente varios mecanismos relacionados con los cohetes. Un cohete es un vehículo que utiliza propulsión a chorro para avanzar. En pocas palabras, es una cámara que contiene gas a presión, similar a un globo lleno de aire. Tiene una pequeña abertura en uno de sus extremos que permite la salida de gases.

Los gases que escapan producen empuje (una fuerza hacia arriba) que permite que el cohete se mueva hacia arriba en el aire y supere la fuerza gravitatoria. Los cohetes producen gases presurizados al quemar propulsores o combustibles. Durante su vuelo, los cohetes están sujetos a varios factores, como el peso, el empuje y la resistencia.

El poderoso empuje producido durante el lanzamiento del cohete Soyuz-FG

Los ingenieros usan “sistemas” para agrupar las partes de los cohetes según las similitudes de sus funciones. Un cohete tiene cuatro sistemas principales:

• Sistema estructural: se refiere a la estructura del cohete compuesta de materiales fuertes y livianos (p. ej., titanio, aluminio). Su piel está recubierta con un sistema de protección térmica para mantener la temperatura del cohete y protegerlo del sobrecalentamiento. En algunos casos, también se agregan aletas para mantener la estabilidad durante el vuelo.
• Sistema de carga útil: varía según el propósito de la misión. La carga útil típica incluye naves espaciales, carga, satélites o humanos.
• Sistema de guía: incluye sensores, radares, computadoras y otros equipos de comunicación esenciales para controlar y proporcionar estabilidad al cohete durante el vuelo.
• Sistema de propulsión: comprende todas las partes de un motor, como bombas de tanque, cabezales de potencia, propulsores y toberas de cohetes, que permiten que el cohete se propulse hacia adelante. Las dos clases principales de sistemas de propulsión son motores de cohetes líquidos y cohetes sólidos, llamados así por el tipo de combustible que utilizan.

¿Cómo vuela un cohete?

Los cohetes vuelan cuando la combustión del combustible produce suficiente empuje para impulsarlos hacia arriba. La cantidad de combustible del cohete quemado y la rapidez con que se escapa del cohete determina la cantidad de empuje producido. El despegue solo ocurre si el empuje es mayor que la fuerza gravitacional. Las leyes de movimiento de Newton generalmente rigen el rendimiento y el vuelo de los cohetes, como se analiza en las secciones siguientes.

Primera ley del movimiento

La primera ley del movimiento de Newton establece que “Un objeto en reposo permanece en reposo, mientras que un objeto en movimiento se mueve a velocidad constante a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él“. Mientras el cohete descansa sobre la plataforma de lanzamiento, todas las fuerzas que actúan sobre él están equilibradas, lo que significa que la atracción gravitacional equilibra la fuerza ascendente ejercida por la plataforma. Cuando los motores comienzan a funcionar y se produce la combustión del combustible, el empuje produce una fuerza desequilibrada que hace que el cohete acelere y viaje hacia arriba.

Segunda ley del movimiento

La segunda ley del movimiento de Newton establece: “La aceleración es directamente proporcional a la fuerza pero inversamente proporcional a la masa“. También se puede establecer en términos de cantidad de movimiento: “La fuerza es igual a la tasa de cambio de la cantidad de movimiento“.

La masa total del cohete incluye los tanques de combustible del motor, el sistema de control, la carga útil y el combustible. Su masa se vuelve más pequeña durante el vuelo a medida que se quema el combustible; en consecuencia, la aceleración del cohete aumenta. Observe cómo un cohete comienza a moverse lentamente, luego se mueve más y más rápido con el tiempo durante un lanzamiento. Alcanzar la velocidad requerida requiere que el cohete queme suficiente combustible y expulse el gas del motor lo más rápido posible. Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa del combustible quemado, más rápido escapará el gas de la boquilla y mayor será el empuje del cohete producido.

El impulso también se conserva en los vuelos de cohetes. Un cohete quema combustible y expulsa gases, que tiene masa y velocidad y, por lo tanto, cantidad de movimiento. La conservación de la cantidad de movimiento establece que la cantidad de movimiento debe permanecer constante en el sistema cohete-combustible. A medida que la masa del combustible disminuye durante la combustión, la velocidad del cohete aumenta a medida que se mueve en la dirección opuesta.

Tercera ley del movimiento

La tercera ley del movimiento de Newton establece: “Para cada acción, siempre hay una reacción igual pero opuesta“. Como se discutió, los cohetes solo pueden despegar si expulsan gases del motor. A medida que el cohete empuja el gas, el gas, a su vez, también empuja al cohete en la dirección opuesta. El despegue ocurre cuando la acción (empuje) es mayor que la masa del cohete. En el espacio, los cambios en la dirección del cohete son posibles a través de empujes más pequeños.

Importancia del empuje de un cohete

El empuje del cohete es una fuerza hacia arriba producida por la expulsión de material a alta velocidad durante la combustión del combustible. Tenga en cuenta que no requiere ningún material o medio para “empujar”, lo que explica por qué la nave espacial aún puede cambiar su velocidad y dirección incluso si no hay aire presente.

El motor realiza trabajo sobre un gas o un líquido (fluido de trabajo), lo acelera y lo expulsa en una dirección. La aceleración del fluido de trabajo ocurre durante la combustión, donde la alta presión y la temperatura expulsan los gases de escape por la boquilla. En consecuencia, estos gases aplican una fuerza de empuje al motor, acelerando el cohete en la dirección opuesta. Su magnitud depende de la cantidad de combustible quemado y de la velocidad a la que los gases salen del motor considerando también la resistencia del aire. Dado que el empuje en física está determinado por la masa y la velocidad, uno puede reducir cualquiera de las dos cantidades y aún producir la misma cantidad de empuje siempre que se aumente un factor.

¿Qué formas de energía aumentan cuando un cohete despega?

Los vuelos de cohetes involucran varias transformaciones de energía. Por un lado, la energía química almacenada en el combustible del cohete se transforma en calor y energía cinética. El calor se libera durante la combustión del combustible, mientras que la energía cinética es evidente cuando un cohete se lanza desde el suelo. A medida que el cohete despega y acelera, su energía cinética también aumenta. Cuanto más acelera, mayor es su energía cinética. Eventualmente alcanzará su energía cinética máxima justo antes de que el proceso de combustión consuma todo el propulsor. Parte de la energía química también se convierte en luz, pero esto no afecta la velocidad general del cohete.

La energía mecánica del cohete durante el despegue tampoco es constante. Recuerda que la energía mecánica es la suma de la energía cinética y potencial, y solo permanece constante si la fricción o la resistencia del aire son despreciables. Sin embargo, la resistencia del aire está presente mientras el cohete está en la Tierra, lo que resulta en una pérdida de energía a través del calor residual.

Datos de la física de cohetes

La NASA usa cohetes para lanzar satélites al espacio y sondas para explorar la luna, los planetas y otros objetos celestes. Aquí hay otros hechos sobre la física de cohetes que muestran su singularidad e importancia:

• Una nave espacial que sale de la superficie de la Tierra necesita alcanzar velocidades de unos 11 kilómetros por segundo o unos 40.000 km/h (25.000 mph) para entrar en órbita. Para viajar a esta velocidad, los cohetes deben quemar enormes cantidades de combustible para escapar de la atracción gravitacional de la Tierra.
• La NASA construyó Saturno V para enviar personas a la luna. Fue volado desde 1967 hasta 1973. Fue considerado uno de los cohetes más poderosos jamás volados y tenía la mayor capacidad de carga útil. Generó 34,5 millones de newtons (7,6 millones de libras) de empuje durante su lanzamiento y generó más energía que 85 presas Hoover.

Lanzamiento del Apolo 11 en Saturno V en 1969

• El nuevo cohete de la NASA, llamado Space Launch System (SLS), tiene como objetivo enviar la nave espacial Orion, la carga y los astronautas a la luna en una sola misión en 2024. Artemis I, un lanzamiento sin tripulación, tuvo lugar el 16 de noviembre de 2022 para probar el escudo térmico de la nave espacial de Orión. El SLS utiliza un propulsor de cohete sólido de cinco segmentos, considerado el propulsor de propulsor sólido más potente jamás construido. Cada propulsor produce más empuje que 14 aviones comerciales jumbo combinados.

Resumen de la lección

Un cohete es un vehículo que utiliza la eyección de gases a alta velocidad (propulsión a chorro) para despegar del suelo. La física de cohetes cubre los principios de física utilizados para comprender cómo funciona un cohete. Los cohetes tienen cuatro sistemas principales: estructural, carga útil, guía y propulsión. El sistema estructural se refiere al marco del cohete, la “piel” y las características adicionales que lo protegen y lo hacen estable durante el vuelo. El sistema de carga útil incluye cualquier cosa que el cohete necesite transportar en el espacio (por ejemplo, humanos, satélites, etc.). El sistema de guía incluye equipos cruciales para la comunicación y el control del cohete. Por último, los sistemas de propulsión abarcan todas las partes del motor responsables de producir empuje.

Los cohetes se lanzan cuando el empuje producido por los gases de escape a alta velocidad es mayor que la fuerza gravitacional. Tenga en cuenta que el empuje es una fuerza hacia arriba que impulsa a un cohete a moverse. El rendimiento y el vuelo del cohete se rigen por las leyes de movimiento de Newton. Paralelamente a la primera ley de Newton, el empuje representa la fuerza desequilibrada que hace que el cohete acelere desde el reposo. La magnitud del empuje depende de la cantidad de combustible quemado y qué tan rápido estos gases salen de la boquilla, siguiendo la segunda ley de Newton. Por último, la tercera ley de Newton asegura que cuando el cohete empuja al gas, el gas también empuja al cohete con la misma magnitud pero en dirección opuesta.