¿Cómo crean los motores de reacción una fuerza contra el cohete?

Soy bastante nuevo en física, así que perdónenme si no tengo conocimientos básicos.

Me pregunto cómo funcionan realmente los motores de cohetes. Sé la respuesta de "actio est reactio", pero siento que esta es una explicación muy abstracta y poco clara porque no toca lo que realmente está sucediendo. Aquí está mi problema:

Según tengo entendido, el motor genera una explosión que arroja partículas de gas en una dirección (digamos hacia abajo) y, por lo tanto, crea una fuerza invertida que empuja el cohete en la otra dirección (digamos hacia arriba). Lo que no entiendo es: ¿Cómo interactúan las partículas salientes con el cohete? No necesariamente tocan el cohete, al menos no de una manera que lo haga subir, entonces, ¿cómo es posible que tengan un efecto? Hasta donde yo sé, una fuerza puede actuar a través de

  • contacto
  • un campo

Ahora supongo que las partículas de gas no crean algún tipo de campo de fuerza, por lo que en algún momento tiene que haber un contacto 'significativo'.

Entiendo que matemáticamente la fuerza de las partículas de gas que están saliendo es igual a la fuerza con la que se acelera el cohete, pero me cuesta entender cómo las partículas que ya están saliendo del cohete son la causa de la aceleración.

Mi explicación sería que el cohete está volando por la misma razón que cualquier cosa está 'volando' cerca de una explosión: los explosivos golpean otros objetos y los arrastran con ellos (conservación del impulso). La misma fuerza se aplica en un cohete en todas las paredes del motor, y dado que las partículas pueden escapar "hacia abajo", el único impulso que obtiene el cohete es "arriba" (la izquierda y la derecha se anulan entre sí). Pero también tengo problemas con esa explicación, porque digamos que hacemos que la salida del motor sea realmente larga, digamos unos cientos de metros (experimento mental), y luego la cerramos. ahora eso significa que al principio el efecto sería el mismo, el cohete sube, pero una vez que la explosión golpea el otro extremo del motor, el cohete será 'arrastrado' hacia atrás nuevamente. me parece extraño

por favor ayudame a resolver este problema. ¡gracias!

Un buen lugar para comenzar sería buscar las leyes del movimiento de Newton en Google.
Me las sé todas, incluso parafraseé la tercera ley.
Entonces, uno podría parafrasear su pregunta como "¿Cómo una fuerza de acción crea una fuerza de reacción?"
más o menos, pero este tipo de motor específicamente levanta mis cejas porque no puedo seguir las migas de pan de cómo se genera la reacción.
Considere también lo que sucede con su tubo de salida largo si no lo cierra en el otro extremo, sino que lo dobla un poco para que el escape escape un poco hacia un lado.
@ PM2Ring esa es una buena pregunta. Creo que las partículas golpearían un poco el tubo doblado, creando así una fuerza en esta dirección. ¿entonces la nariz del cohete se inclinaría en la otra dirección? (por ejemplo, si la curva está hacia la izquierda, la punta de la nariz hacia la derecha)
Re, "el motor genera una explosión". La mayoría de la gente pensaría en una explosión como un evento en el que algo se desintegra repentinamente y sus partes salen volando en diferentes direcciones. Podría ser más exacto decir que la esencia destilada de un motor de cohete es una boquilla de la que se permite escapar un fluido a alta presión. La naturaleza de ese fluido y el mecanismo o proceso que lo presuriza son secundarios a la discusión.

Respuestas (3)

"La misma fuerza se aplica en un cohete en todas las paredes del motor, y dado que las partículas pueden escapar "abajo", el único impulso que obtiene el cohete es "arriba"

Eso es todo: las moléculas de gas chocan con las paredes de la cámara de combustión, pero hay un agujero en una pared, ¡así que la fuerza en esa pared es menor!

La fuerza neta sobre el cohete es igual y opuesta al impulso por unidad de tiempo de las moléculas que escapan, ¡ya que estas no golpean la pared con el agujero!

"Digamos que hacemos que la salida del motor sea realmente larga, digamos unos cientos de metros (experimento mental), y luego lo cerramos. Eso significa que al principio el efecto sería el mismo, el cohete sube".

Sí.

"pero una vez que la explosión golpea el otro extremo del motor, el cohete será 'arrastrado' de nuevo".

No, pero dejará de acelerar.

¡gracias! así que solo mi pensamiento con el "motor largo" estaba equivocado. voy a cambiar un poco la pregunta
Michio Kaku dijo una vez en un programa de Discovery Channel (Science Channel) que los cohetes no funcionan tan bien en el espacio como en la atmósfera porque el escape no tiene partículas de aire contra las que empujar en el espacio.
en este caso, kaku no sabe de lo que habla.
Estaba pensando en cambiar la pregunta, pero la haré aquí: mi problema es que la explicación de "actio est reactio" hace que parezca que las partículas 'salientes' generan la fuerza contra el cohete, cuando en realidad es los que van hacia arriba. lo que sale del motor ya es 'residuo' y ya no tiene efecto en el cohete, ¿no? Estoy un poco frustrado/confundido por qué todos usan la tercera ley aquí, cuando simplemente parece un modelo matemático.

Aquí hay otra forma de pensar en este problema que podría ayudar:

Imagina que estás sentado en una patineta con un cañón en tu regazo. Este es un cañón especial, que consta únicamente de un tubo corto cerrado en un extremo. Dentro del tubo hay una bola de bolos que se mantiene firmemente en su posición contra un resorte comprimido que se encuentra entre la bola y el extremo cerrado. un mecanismo de activación mantiene el sistema en su estado "armado".

apuntas el cañón lejos de ti horizontalmente, pones los pies en la patineta y aprietas el gatillo.

El resorte comienza a expandirse violentamente, empujando la bola de bolos hacia atrás fuera del tubo a gran velocidad. Pero también está empujando con la misma fuerza el extremo cerrado del tubo, que retrocede y te patea justo en el pecho y, por lo tanto, te empuja en la dirección opuesta a la que tomó la bola de boliche.

Supongo que mi problema con la tercera ley de Newton es que hace que parezca que la bola de cañón voladora está "haciéndome algo" activamente. pero el resorte también podría haber empujado una superficie estable (una extraña pared de beton que llega al tubo), sin que ninguna bala de cañón saliera volando del tubo. La tercera ley podría ser una buena manera de calcular las fuerzas, pero es terrible para explicar la causa física real (imo). o tal vez es solo mi mal hábito de pensar
@Philipp La idea clave es la conservación del impulso. Cualquiera que sea la dirección en la que vaya el escape, el centro de masa del cohete + escape no se puede mover.
Sí, la conservación del impulso tiene mucho más sentido. ¿Por qué no decir simplemente que el cohete sube porque las partículas golpean el cohete en la parte superior del motor? esto está respaldado por la experiencia cotidiana (A golpea a B, B se mueve). No entiendo la necesidad de este desvío de la tercera ley de Newton. Decir que las partículas que salen de alguna manera están creando una fuerza hacia arriba es ontológicamente incorrecto (imo). su fuerza podría coincidir matemáticamente con la fuerza hacia arriba, pero eso es todo. Tal vez deje esto para una nueva pregunta, ya que tengo mis problemas con las leyes de Newton y el concepto de fuerza en general.

¿ Cómo interactúan las partículas salientes con el cohete? No necesariamente tocan el cohete, al menos no de una manera que lo haga subir, entonces, ¿cómo es posible que tengan un efecto?

Considere la siguiente situación simple.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Inicialmente la masa metro viaja a la misma velocidad que el cilindro hueco que está sellado en el lado izquierdo.
La masa metro explota en dos fragmentos de igual masa, uno moviéndose hacia la izquierda y el otro hacia la derecha con velocidad v .
La masa que se mueve hacia la derecha no interactúa con el tubo y lleva consigo la cantidad de movimiento. metro 2 v i ^ y se escapa por el tubo.

La masa que se mueve hacia la izquierda lleva consigo el impulso. metro 2 v ( − i ^ ) = − metro 2 v i ^ , golpea el final del tubo y rebota con velocidad v ahora teniendo impulso metro 2 v i ^ .
Entonces, el cambio en el momento de esta masa es metro 2 v i ^ − ( − metro 2 v i ^ ) = metro v i ^ .

El cambio de cantidad de movimiento de la masa que se movía hacia la izquierda es igual a menos el cambio de cantidad de movimiento del cilindro, − metro v i ^ , es decir, al cilindro se le da un impulso hacia la izquierda aumentando así la velocidad de los cilindros hacia la izquierda.

Lo que sucede en un motor de cohete es mucho más complejo que esto y aquí hay un diagrama de la página de Wikipedia Motor de cohete que muestra las fuerzas que actúan sobre la cámara de combustión del cohete a la izquierda y una boquilla (de Laval) a la derecha, las cuales contribuyen a la propulsión hacia adelante de un cohete.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pero también tengo problemas con esa explicación, porque digamos que hacemos que la salida del motor sea realmente larga, digamos unos cientos de metros (experimento mental), y luego la cerramos. ahora eso significa que al principio el efecto sería el mismo, el cohete sube, pero una vez que la explosión golpea el otro extremo del motor, el cohete será 'arrastrado' hacia atrás nuevamente. me parece extraño

Considere el cilindro cerrado en ambos extremos y la "explosión" que ocurre cerca de la pared de la izquierda.
La masa que se mueve hacia la izquierda transfiere impulso al cilindro, que ahora se mueve más rápido hacia la izquierda.
Luego, la masa que inicialmente se movía hacia la derecha rebota en el extremo derecho del cilindro y reduce su velocidad a la que tenía originalmente.

Luego, la masa que originalmente se movía hacia la izquierda y ahora se mueve hacia la derecha golpea el extremo derecho del cilindro y el cilindro ahora se mueve hacia la derecha.

etc.

¡Gracias! Una cosa más: ¿puede explicar por qué un conjunto de escape más pequeño (estrangular) acelerará el cohete más rápido? digamos que hay tres partículas moviéndose en cada dirección en tu ilustración. en el lado izquierdo, los tres golpean el cohete, dándole su impulso. en el lado derecho, sin embargo, solo uno escapará (agujero pequeño), y los otros dos también golpearán el cohete, dándole impulso al otro lado. por lo que el cohete solo gana el impulso total de 1 partícula en lugar de 3, por lo que se movería más rápido si el agujero fuera más grande y las tres partículas pudieran escapar hacia la derecha. ¿Dónde estoy equivocado?
Comencé mi respuesta con la oración "Considere la siguiente situación simple". Un motor de cohete real no es un sistema simple. El objetivo principal es que los gases expulsados ​​se muevan lo más rápido posible en una dirección opuesta a la del movimiento del cohete. Con ese fin, la garganta entre la cámara de combustión y la boquilla acelera los gases (la misma masa por segundo fluye a través de una pequeña sección transversal) y luego la expansión adiabática en el área de la boquilla hace el resto. Tenga en cuenta que la velocidad del gas en la cámara de combustión es menor que en la garganta.
pero ¿cómo se transfiere al cohete la fuerza de las partículas que ahora se mueven más rápido? este es el quid de mi pregunta inicial. tiene que haber algún contacto, no?
El gas en la cámara de combustión está a alta presión y la fuerza en el lado sellado es mayor que la fuerza en el lado de la garganta. La fuerza que actúa sobre la garganta acelera los gases a través de la garganta. Las moléculas de gas se “comunican” entre sí a través de colisiones.
respuesta acertada, gracias! Siento que la tercera ley de Newton describe la cantidad de fuerza contra el cohete, pero no la causa de la fuerza. Esto me confundió durante bastante tiempo ahora. No sé, tal vez a medida que voy aprendiendo a manejarlo mejor y usarlo de manera más intuitiva.
¿Cómo crean los motores de reacción una fuerza contra el cohete?
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