¿Contra qué empuja un motor de cohete en el espacio?

La tercera ley de Newton está bastante cerca de la marca.

Todos los fenómenos que cita se derivan del principio de conservación de la cantidad de movimiento en un sistema aislado, resultado en última instancia (a través del teorema de Noether) del hecho de que la descripción física de ese sistema aislado no cambia si cambiamos el origen espacial de nuestro co- sistema de ordenadas.

Entonces, si estás en el espacio profundo y lanzas algo con masa$m$en una dirección a una velocidad$v$, su impulso es$m\,v$en esa direccion. La cantidad de movimiento total inicial del sistema (usted + la cosa lanzada) es cero. Entonces eso significa que el momento total final para el sistema debe ser cero. Por lo tanto, su propio impulso debe ser$m\,v$en la dirección opuesta a la cosa lanzada. Si tu masa es$M$, entonces tu velocidad es$m\,v/M$en la dirección opuesta a la cosa lanzada.

Tenga en cuenta que, aunque no puede cambiar su centro de masa sin arrojar nada (y, en cualquier caso, el centro de masa de todo el sistema, es decir , usted + la cosa arrojada permanece en su lugar), puede rotar y cambiar su orientación sin violar conservación del momento angular cambiando cíclicamente su forma; este es el mismo método que usa un gato para voltearse mientras cae. Vea mi respuesta aquí a la pregunta "¿Hay alguna forma de que un astronauta gire?" y también mi artículo "De los gatos y su reflejo de enderezamiento más maravilloso"

La relatividad general no describe los cohetes (bueno, casi, vea mi advertencia a continuación) en la forma en que podría pensar. La relatividad general describe los marcos de caída libre localmente y su llamado arrastre de mentira por el sistema de geodésicas definidas por las soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein. En menos jerga: la relatividad general te dice qué tipos de movimientos están de acuerdo con la primera ley de Newton; te dice los movimientos dentro del espacio-tiempo que experimentará algo "aislado" (que no experimenta una fuerza): cualquier cosa diferente a esto requiere una fuerzapara acelerar algo relativo a estos marcos en caída libre. La química describe la quema de combustible y la tercera ley de Newton la producción de fuerza al arrojar este combustible para permitir que su cohete se desvíe del movimiento de caída libre dado por la Relatividad General.

Para ser precisos, a medida que el cohete arroja su combustible, la distribución de masa-energía y los flujos de momento (distribuciones de presión) del sistema están cambiando, y esto estrictamente hablando debería tenerse en cuenta en las ecuaciones de campo de Einstein (esto sería alterar el término "fuente", el llamado tensor de tensión-energía). Por lo tanto, la acción del cohete alteraría, en un grado fantásticamente pequeño, el espacio-tiempo a su alrededor. Pero esto es un pequeño tecnicismo. El concierto principal es simplemente que la energía química le permite arrojar combustible y producir una fuerza que le permita desviarse de un marco de caída libre (inercial) local.

Estoy un poco confundido por qué preguntas sobre GR al final de tu pregunta. Si su pregunta es simplemente cómo un cohete puede acelerar en el espacio sin tener nada que "empujar", entonces podemos abordar su pregunta bastante bien con la mecánica clásica.

La Tercera Ley de Newton tiene sus limitaciones a veces, pero para esta pregunta funcionará bien. La Tercera Ley de Newton establece que para cualquier fuerza ejercida por un objeto$A$sobre el objeto$B$, entonces objeto$B$ejerce una fuerza sobre el objeto$A$de igual magnitud, pero en dirección opuesta. En este ejemplo, el cohete acelera, por lo que algún objeto$A$debe estar ejerciendo una fuerza hacia adelante sobre el cohete. A su vez, el cohete debe ejercer una fuerza de reacción sobre este objeto misterioso.$A$.

resulta que ese objeto$A$son los gases que escapan del cohete. A medida que los gases escapan de la tobera del cohete, interactúan con el propio cohete. Los gases ejercen una fuerza hacia adelante sobre el cohete, y el cohete empuja hacia atrás sobre los gases debido a la Tercera Ley de Newton. Aunque parezca extraño, esto es todo lo que necesitas para acelerar tu cohete. Su cohete no necesita tierra, ni atmósfera, ni otro vehículo espacial para "impulsarse"; la interacción entre los gases y el cohete que ocurre dentro del cohete es suficiente para acelerar el cohete.

Si no me crees, siéntate en una silla o un patinete sobre una superficie de baja fricción, en reposo. Sostenga un objeto pesado como una bola de bolos o una pelota medicinal en su regazo. Tan fuerte como puedas, lanza la pelota lejos de ti. Si el coeficiente de fricción entre tu silla y el piso es lo suficientemente bajo, experimentarás una aceleración en dirección opuesta a la de la pelota. Debido a la Tercera Ley de Newton, la pelota ejerció una fuerza sobre ti, y si la fricción es lo suficientemente baja, hay una fuerza neta en esa dirección que produce una aceleración.

Como beneficio adicional, tenga en cuenta que en ambos ejemplos se conservará el impulso. así que no hay motivo para el pánico allí.

Un modelo que encontré cuando era niño, cuando la carrera espacial estaba en pleno apogeo, sigue siendo la explicación más simple que he encontrado:

Piensa en un globo inflado con el cuello cerrado. No va a ninguna parte, porque la presión en todas las direcciones es igual. (Que es lo que lo mantiene inflado también).

Ahora abre el cuello. Lo que hace que el globo vuele no es en realidad el aire que escapa por el cuello; es el hecho de que ya no hay presión hacia atrás contra el globo en ese punto, por lo que la presión en el lado opuesto está desequilibrada y hay una fuerza neta que empuja el globo. globo hacia adelante.

Un motor de cohete es, esencialmente, un globo rígido con un cuello abierto que se vuelve a inflar continuamente. Alta presión en el interior, una boquilla diseñada para expulsar lo más rápido posible minimizando la presión en dirección hacia atrás, presión desequilibrada hacia adelante... "¡Zoom!"

(Sí, sé que esto es una simplificación excesiva. Pero es una explicación tan sencilla que un estudiante de tercer grado, que era yo en ese momento, podría mirarla y decir "¡Por supuesto, eso es obvio!" Desafortunadamente, mi maestra en la El tiempo no tomó bien que un alumno de tercer grado corrigiera su explicación incorrecta, pero esa es una historia aparte).

Adición tardía: Esta es también la razón por la cual el Proyecto Orión, el último motor de cohete nuclear de baja tecnología, habría funcionado. Construye un enorme escudo, monta tu nave en él con amortiguadores y haz estallar una bomba atómica en el otro lado. La parte de la onda de choque de la bomba que golpea la placa impulsará la nave hacia adelante. El hecho de que el resto de la onda de choque no esté contenida por completo es un desperdicio, pero no evita que funcione. Se podría hacer lo mismo con explosivos más pequeños, pero entonces la ineficiencia se convierte en un problema grave, razón por la cual un motor de cohete tiene una cámara de reacción y una tobera para capturar mucha más energía y usarla como empuje.

(Calcular cuán ineficiente habría sido Orion, cuánto empuje habría producido de todos modos y cómo construir un escudo y amortiguadores que pudieran manejar esto, se deja como un ejercicio para el lector. O puede consultar el informe de el equipo que lo examinó por primera vez. No es broma.)

Si no me equivoco, es básicamente el mismo principio en el que un astronauta arrojaría algo al espacio vacío y, con ello, se movería en la dirección opuesta.

No es empujar contra algo sino arrojar energía y poder quemando combustible de acuerdo con la ley de la inercia... Podría estar equivocado, así que me gustaría que alguien con más conocimientos lo verificara dos veces, por favor :)

No hay necesidad de llamar a la relatividad general. Puedes entenderlo usando solo las leyes de la mecánica clásica.

Si estás en una patineta y lanzas una masa frente a ti, te moverás hacia atrás. Siempre que la masa no golpee el suelo, el centro de masa de {tú+la masa} es el mismo, independientemente de cómo te hayas movido.

El motor del cohete expulsa gas de la combustión. El movimiento se basa en la misma propiedad. Realmente no deberías imaginar que es la resistencia de la atmósfera exterior "resistiendo" al gas expulsado lo que crea la fuerza de movimiento.

La forma más sencilla de obtener esto intuitivamente es considerar un cohete donde los gases de escape escapan en dos direcciones opuestas. Entonces, hay una boquilla en un lado y también en el lado opuesto. En este caso, el cohete no irá a ninguna parte. Las reacciones químicas producen gases a alta temperatura y presión que luego se aceleran y escapan en ambas direcciones. Si ahora cerramos una boquilla, el cohete se moverá en la dirección opuesta. Los gases que habrían escapado si esa boquilla estuviera abierta, ahora chocarán contra el límite y ejercerán una fuerza sobre el cohete allí. La tercera ley implica que el cohete debe estar ejerciendo una fuerza opuesta sobre el gas allí. Por lo tanto, existe una fuerza neta sobre los gases de escape en la dirección de la tobera abierta, mientras que el cohete es empujado en la dirección opuesta.

Me pregunto cómo los cohetes podrían empujar en el espacio vacío y moverse en la dirección opuesta.

En términos muy simples, el motor del cohete empuja contra el extremo cerrado de la tobera. Una vez que el gas sale de la boquilla, ya no tiene ninguna interacción con el cohete; no es necesario que "golpee" nada más.

El mejor ejemplo común se muestra a menudo en las clases de física de HS. Un estudiante en una silla de baja fricción sostiene un extintor de incendios de CO2 y lo apunta en una dirección segura. Cuando aprietan el gatillo y liberan gas CO2 que se mueve muy rápido desde la boquilla del extintor de incendios, ese gas que se mueve rápidamente y sale del sistema (silla del estudiante y botella de gas) hace que el sistema se mueva en la otra dirección directamente opuesta al flujo de gas.

Algunos motores de cohetes en realidad usan iones cargados y fuerzas eléctricas para acelerar esos iones cargados lejos de la nave en la dirección opuesta a la que el sistema de la nave necesita acelerar. El peso de los iones es muy bajo, pero la velocidad con la que se emiten puede acercarse a la velocidad de la luz, por lo que estos motores son muy eficientes y pueden funcionar durante largos periodos de tiempo en comparación con los motores "cohete" tradicionales.

Los motores a reacción funcionan exactamente como los motores de cohetes. La atmósfera proporciona oxígeno para la reacción que genera la rápida expansión de la mezcla aire/combustible. Pero el motor no necesita aire para "empujar". Los motores de cohetes suministran su propio oxidante, en lugar de usar el contenido de oxígeno del aire.