Parece que no puedo encontrar una respuesta específica a esto en ninguna parte.
Entiendo que en un cohete hay una reacción química que hace que las partículas de gas salgan del cohete a gran velocidad. Por la tercera ley de Newton y la conservación de la cantidad de movimiento, esto hizo que el cohete fuera propulsado.
¡Lo que falta es una explicación física de qué causa exactamente esta fuerza en el cohete, ya que la mayoría de las respuestas extrañan molestamente este bit final!
La gente a menudo usa una analogía con la patineta y la bola de boliche. Sin embargo, en esta analogía la persona lanza la pelota y la pelota proporciona una fuerza igual y opuesta sobre la persona cuando es lanzada. El problema es que el cohete no 'arroja' los gases de escape, ya que no acelera directamente las partículas; esto es el resultado de una reacción. Entonces, ¿qué causa exactamente la fuerza sobre el propio cohete? ¿Es el caso de que en la explosión algunas partículas de gas chocan con la base del cohete, y la nariz está diseñada para maximizar las colisiones que proporcionarán una fuerza hacia arriba?
He visto a gente decir que esto está mal, o sugerir que está bien. Wikipedia dice:
"Alrededor de la mitad del empuje del motor del cohete proviene de las presiones desequilibradas dentro de la cámara de combustión, y el resto proviene de las presiones que actúan contra el interior de la tobera".
Quiero ser capaz de entender esto en términos de colisiones de partículas. Sé que existe una fuerza debida a las leyes físicas, pero la gente no parece interesada en la mecánica de la fuerza en sí.
Volviendo a la analogía: si alguien lanzara una bola de bolos sobre tu patineta, no te moverías, al igual que las partículas que salen de un cohete, sin colisión de ningún tipo, no harían que el cohete se moviera (sé que eso no es posible , pero espero que haga mi punto). Espero que esta pregunta tenga sentido.
Suponga que desea que el cohete se mueva hacia la izquierda.
En la cámara de combustión se produce una reacción química que provoca el aumento de la energía cinética de los átomos/moléculas y estas moléculas se mueven en todas las direcciones.
Como la cantidad de movimiento se conserva, el aumento de la cantidad de movimiento de las moléculas que se mueven hacia la derecha se equilibra con el aumento de la cantidad de movimiento de las moléculas que se mueven hacia la izquierda.
Las moléculas que se mueven hacia la derecha salen de la cámara de combustión a través de una tobera donde la velocidad de los gases aumenta considerablemente. Las moléculas rebotan en el interior de la tobera debido a la fuerza ejercida sobre ellas por las paredes de la tobera y, a su vez, las moléculas ejercen una fuerza sobre la tobera en la dirección de avance, lo que contribuye con una cantidad significativa del empuje del cohete.
Las moléculas que se mueven hacia la izquierda golpean el lado izquierdo de la cámara de combustión y rebotan.
Entonces, el lado izquierdo de la cámara de combustión ha ejercido una fuerza hacia la derecha sobre las moléculas para hacerlas rebotar y, según la tercera ley de Newton, las moléculas que se movían hacia la izquierda han ejercido una fuerza hacia la izquierda sobre la cámara de combustión y también el cohete que está conectado a la cámara de combustión.
Esto es ligeramente diferente de la analogía de lanzar una bola de bolos en que es obvio dónde ocurre la interacción entre el lanzador y la bola de bolos porque eso debe deberse a las fuerzas de contacto entre la bola de bolos y el lanzador.
Tenga en cuenta que lanzar la bola de bolos en la dirección del movimiento dará como resultado que el lanzador tenga un impulso hacia atrás y, por lo tanto, dará como resultado una fuerza hacia atrás en la patineta.
Sin embargo, si en la parte delantera de la patineta hubiera una tabla vertical en la que la bola de bolos que se movía hacia adelante golpeara y rebotara, entonces la fuerza hacia adelante en la patineta debido al rebote de la bola de bolos sería mayor que la fuerza hacia atrás en la patineta debido al lanzador. lanzando la bola de boliche. Así que habrá una fuerza neta sobre la patineta en la dirección de avance.
Incluso una reacción química mantendría la conservación del impulso. Entonces, el lado bloqueado (cohete) se mueve hacia adelante y el lado abierto (gas de escape) se mueve hacia atrás. La reacción química es necesaria para producir el gas. La velocidad/cantidad de escape por sí sola es suficiente para calcular el empuje total hacia adelante del cohete. Si abres la boca de un globo inflado, se mueve mientras el aire sale de él, en sentido contrario. El cohete se mueve de la misma manera, con la diferencia de que la reacción química sigue produciendo gas caliente con alta presión/velocidad.
Hay una falla recurrente en casi todas las explicaciones de cómo se propulsa un cohete. La Tercera Ley de Newton establece que “para cada acción hay una reacción igual y opuesta”. Sin embargo, no basta con decir simplemente que la fuerza impulsora de este cohete es “la reacción a otra fuerza”. ¡Todavía tienes que identificar y explicar qué es esa fuerza!
En el caso de un cohete, la fuerza que impulsa el cohete hacia adelante y hacia arriba es el desequilibrio de las fuerzas de presión dentro de la cámara de combustión.
Imaginemos un contenedor cúbico, digamos una lata de galletas, con 6 lados, cada uno de 1 pie (usaré unidades imperiales ya que son mucho más fáciles de visualizar) de largo y con una tapa en la parte inferior que se sujeta pero se puede abrir una captura. Pongamos una válvula en un lado a través de la cual se puede bombear aire. La caja está suspendida libre y no está en contacto o cerca del suelo.
Ahora ponga una presión de 1 psig (libra por pulgada cuadrada) en la caja. (Para entender, la presión atmosférica es de aproximadamente 14,7 psia o 0 psig (a = absoluto, g = manométrico) y una llanta de automóvil típica es de aproximadamente 35 psig. Por lo tanto, existe una presión diferencial entre el interior de la caja y el exterior de 1 libra por cuadrado. pulgada. Eso significa que hay una fuerza total que actúa en cada lado, la parte superior y la inferior, de 144 (1x12x12) libras de fuerza. (Si tiene, digamos, 65 kg, o 144 libras de peso, está ejerciendo esa fuerza sobre el suelo, por lo que es como si estuvieras de pie sobre la caja)
Mientras la tapa está puesta, todas las fuerzas están en equilibrio. Cada fuerza lateral equilibra el lado opuesto y la fuerza en la parte superior equilibra la fuerza en la tapa. Ahora suelte el pestillo de la tapa. Inmediatamente, la fuerza sobre la tapa ya no tira de la caja y, como resultado, la fuerza sobre el lado opuesto, la parte superior, es de 144 libras de fuerza. ¡ESA es la fuerza motriz de un cohete! Para mantener el empuje, debe mantener la presión en la cámara, por lo que si se agrega aire continuamente a la caja, continuará experimentando un desequilibrio de fuerzas y continuará moviéndose/acelerando.
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