Viajes espaciales: ¿Existe un límite de velocidad inferior a la velocidad de la luz?

No es exactamente como lo dices, la velocidad de escape no es una velocidad máxima para una nave espacial . Mientras que la velocidad de escape define el empuje junto con la tasa de masa expulsada y viene dada por:

donde empuje$T$es una fuerza de reacción que es un producto de la velocidad de escape$v$y cambio masivo$\Delta m$a tiempo$\Delta t$, estás descuidando la inercia . En cierto sentido, si inviertes algunos de los propulsores para lograr algo de empuje y estás en camino a una velocidad dada, los propulsores restantes del cohete ahora llevan la misma fuerza de impulso del cohete . Esto se conoce más comúnmente como conservación del impulso .

Entonces, aunque la velocidad de escape normalmente no cambia (suponiendo que los mismos motores y propulsores funcionen) y está directamente relacionada con el rendimiento del cohete (a lo que generalmente nos referimos como impulso específico ), toda la masa restante del cohete, incluidos los propulsores restantes, ahora llevar esta misma velocidad. Dado que el empuje lo proporciona la velocidad de escape con respecto al cohete mismo, constantemente agregaría la velocidad del cohete al nuevo empuje en el tiempo, para potencialmente ir más allá de la velocidad de escape. ¿Esto tiene sentido?

Si desea leer más acerca de cómo calcular la velocidad máxima alcanzable (principalmente conocida como$\Delta v$, delta-v , o cambio de velocidad), sugiero leer el artículo de Wikipedia sobre la ecuación del cohete Tsiolkovsky u otras preguntas similares en nuestro propio sitio.

Por ejemplo, si asumimos una relación de masa húmeda a seca de 10:1 (la carga útil y el cohete pesan juntos 1/10 del peso de los propulsores), el cohete alcanzará$\ln(10) \approx 2.3 \cdot v_e$, o delta-v de aproximadamente 2,3 veces la velocidad de escape del propulsor. Para un ejemplo más práctico, digamos que la masa total de nuestro cohete (masa húmeda; propulsores + masa seca del cohete) es de 100 toneladas métricas, y la masa seca del cohete (cuando agotó todos sus propulsores) es de 10 toneladas métricas. Suponiendo un impulso específico$I_{sp}$de 460 segundos (velocidad de escape de ~ 4.511 m/s, o$I_{sp}$en segundos multiplicado por$g \approx 9.80665\ m/s^2$) que se puede lograr con motores propulsores criogénicos LOX/LH (oxígeno líquido/hidrógeno líquido), como los motores principales del transbordador espacial en el vacío, el delta-v total usando la ecuación del cohete Tsiolkovsky anterior resulta en 10,387 m/s. Entonces, nuevamente, esos ~ 2.3 veces la velocidad de escape, es decir, logaritmo natural $\ln(x)$, dónde$x$es$\frac {m_0} {m_1}$, o nuestra relación de masa húmeda a seca . Si desea jugar con otros parámetros, puede usar esta calculadora Delta-V para mayor comodidad.

Por cierto, lo que dijo en las preguntas sería cierto para algunos otros métodos de propulsión donde la fuente de su empuje es estacionaria hasta el punto que usa para definir su velocidad, como, por ejemplo, velas solares o algunas formas de haz . -propulsión motorizada .

En cuanto a los límites , los métodos tradicionales de propulsión de cohetes vienen con su propio límite, a menudo denominado la tiranía de la ecuación del cohete ya que, simplificando, su delta-v total depende de la cantidad de propulsores que lleve, pero cuantos más lleve, más más pesado te vuelves y se vuelve más costoso acelerarlos a cualquier velocidad (que no debe confundirse con la velocidad de escape , que permanece igual).

TildalWave dio una respuesta correcta y detallada. Sin embargo, para una prueba muy simple:

Incluso los motores de hidrógeno/oxígeno (el combustible más potente que se ha utilizado realmente) tienen una velocidad de escape muy por debajo de la velocidad orbital.

En realidad, es cierto que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Entonces, cuando no hay gravedad, la velocidad máxima será igual a ella. Pero no hay un límite fijo menor que la velocidad de la luz. Sólo la velocidad de la luz es constante e irrompible. según la teoría de la relatividad y eso se debe a que el tiempo se vuelve lento para conservar ese valor constante.