Cómo explicar cómo se logra el empuje en el vacío del espacio

El término “empuje” en este contexto es normalmente una referencia a la propulsión de cohetes lograda al expulsar cosas hacia la parte trasera del proyectil. El medio habitual en los cohetes comerciales es quemar un gas resellante “propulsor” desde el cual sale hacia la parte trasera porque es donde el orificio en el motor lo permite, dejando de lado las complejidades del diseño de la boquilla del cohete. En ese caso, realmente no hay una diferencia importante entre crear empuje en “el vacío del espacio” versus la atmósfera. Estar en la atmósfera tiene algún efecto, pero no cambia los principios básicos utilizados en la generación de empuje al expulsar los productos de la combustión hacia la parte trasera del vehículo. Resulta que estar en un “vacío” en realidad mejora el rendimiento, aunque los motores que se espera que funcionen en la atmósfera tienen un diseño de boquilla que está algo optimizado para funcionar en la atmósfera.

Debido a que hizo la pregunta de la manera en que lo hizo, y porque sugiere que cree que podría haber una diferencia, y particularmente porque su pregunta implica que se aferra a una comprensión incorrecta o inadecuada de por qué funciona, lo haré dar una respuesta que equivale a una lección de física.

Comencemos con una ilustración simple que no agota la intuición en absoluto. Imagine un objeto grande, tal vez un bloque de hielo de 1,000 lb o alguna roca. Imagine que se sienta en un marco y que el marco tiene ruedas o ruedas para que el objeto masivo pueda rodar.

Pensamos en una fuerza como un empujón o un tirón. Eso es antropomórfico, pero funciona por ahora. Si presiona personalmente el objeto, tendrá que apoyarse en él incluso si las ruedas están casi sin fricción. Puede moverlo, pero su gran tamaño significa que se necesita mucho esfuerzo para darle una velocidad significativa. En efecto, se siente como si el objeto estuviera empujando hacia atrás en “reacción” al empujarlo.

Ahora, si usa zapatos que resisten el deslizamiento en la superficie, su musculatura está “respaldada” por el hecho de que sus pies no se resbalarán. En ese caso, es posible que tenga que empujar con bastante fuerza, pero, por desgracia, el objeto masivo que se sienta en un marco con ruedas se moverá. El contacto entre tus zapatos pegajosos y la tierra significa que estás actuando como un resorte entre toda la tierra y el objeto masivo, pero toda la tierra es enormemente más masiva que el objeto que estás empujando, la tierra no se mueve lo suficiente como para ser notado mientras eventualmente obtienes el bloque masivo para moverse.

¡Ahora considere lo que sucede cuando usa patines! Si empujas ese bloque masivo, podrías impartir un poco de movimiento al bloque masivo, pero sobre todo serás impulsado hacia atrás porque llevas patines que no te permiten utilizar la tierra ultramasiva para mantenerte dentro. sitio.

En esta historia, el bloque es como un grupo de moléculas de gas, usted es el motor del cohete y sus músculos son una forma cruda de tener algo allí que lo empujará simultáneamente: el motor del cohete y las moléculas. Cuando sus pies no se resbalan, es como atar el motor a un banco de pruebas enorme (lo que en realidad hacen en lo que se llama disparo estático), pero cuando tiene patines es como tener el motor, y lo que sea que esté conectado a, libre de moverse, en cuyo caso lo hace.

Tomó muchas palabras, pero fue psicológicamente convincente.

Aquí está la descripción física matemática simplificada de lo que acabo de describir. Se ha probado exhaustivamente su corrección y se utiliza en una gran cantidad de tecnologías reales:

La fuerza sobre un objeto es lo que hace que cambie su velocidad neta. Más precisamente, la fuerza neta F sobre algún objeto de masa m se define como la masa de ese algo, m, multiplicado por la aceleración a, que experimenta el objeto. La aceleración es la tasa de cambio de velocidad en el tiempo, pero el principio de física que estamos usando es en realidad la masa multiplicada por la velocidad, p, lo que significa que m multiplicado por v = p está cambiando. Por lo tanto, hablamos de un cambio en el momento, p, en lugar de solo v. La segunda ley de movimiento de Newton es precisamente F neta = tasa de cambio de tiempo en el momento de lo que experimenta esa fuerza neta F, que también es igual a ma es como enseñado en física introductoria.

No utilicé ninguna notación de cálculo ni conceptos como tales. Esta es una simplificación general, pero adecuada.

En cualquier caso, la formalidad de las leyes de física ahora también debe reflejar la realidad de su hombre contra el ejemplo de objeto. La tercera ley del movimiento de Newton es que para cada “acción” hay una “reacción” opuesta e igual. El término “acción” tiene una definición formal bastante compleja, pero en este ejemplo se refiere a ese cambio de momento.

Una afirmación simplificada que codifica la tercera ley de movimiento de Newton aplicable en este caso es que no se puede crear o cambiar el impulso en una dirección sin pagarlo con un cambio de impulso en la dirección opuesta. La forma elegante de decir esto utilizada por los físicos es que “el impulso se conserva”, lo que significa que el impulso TOTAL no cambia.

El momento es una cantidad vectorial, por lo que agrega cosas con signos para indicar la dirección (explicación simplificada). En este caso, solo significa que la magnitud del momento a la derecha es igual a la magnitud del momento a la izquierda y que los agrega con + para una dirección y menos para la otra. En este caso, antes de empujar el impulso total (en su propio marco de referencia) es 0: la suma de + o y -0 para el bloque y sus momentos respectivamente. La conservación del impulso simplemente significa que en todo momento posterior, el impulso + a la derecha debe tener la misma magnitud que el impulso – a la izquierda. + p agregado a -p es igual a cero sin importar el valor que tenga p.

Finalmente llegamos a la esencia de su pregunta. ¿Qué diferencia hace si estás en el espacio versus en la atmósfera? La respuesta es que la atmósfera empuja un poquito los gases que salen y, en la medida en que esto inhibe la ganancia total de impulso causada por el calor de la combustión en el motor del cohete, habrá un poco menos de ganancia en el impulso ganado por el gases y, dado que se conserva el impulso, el cohete mismo gana un poquito menos impulso en ese momento. Pierdes una pequeña cantidad de empuje. La presión atmosférica puede medirse en libras por pulgada cuadrada, pero la presión en el motor es de miles de libras por pulgada cuadrada. La atmósfera simplemente corrompe la simplicidad de la física básica al agregar otra fuerza a la mezcla. Al final, el ímpetu está completamente conservado: algunos trozos de atmósfera simplemente terminan obteniendo parte del ímpetu que debería haberse dirigido al cohete.

Disculpa si es necesario: escribí esto en un estilo excesivamente pedante. No estaba tratando de insultarte de ninguna manera. Su pregunta implicaba que tenía un historial muy limitado, así que simplemente respondí de una manera que debería compensar eso. Sin embargo, la verdad es que la mayoría de las personas que piensan que entienden las cosas no pueden explicarlas muy bien y la razón de esta realidad es que realmente no las entienden tan fundamentalmente como piensan. Como dijo Feynman una vez, realmente no entiendes las cosas a menos que puedas explicarlas en términos muy simples, y a veces ese es un gran desafío que solo se enfrenta con muchas palabras. Es un ejercicio divertido y lo hice hoy solo para asegurarme de que todavía puedo. Gracias por la oportunidad. Espero que les ayude a usted y a otros a comprender realmente lo que es un error común.

Tercera Ley de Newton: cada acción tiene una reacción igual y opuesta. Si algo de masa va en un sentido. alguna otra masa debe ir en sentido contrario. Sin excepciones, sin excusas. Y no hay necesidad de “algo contra lo que empujar”.

Por supuesto, aquí en la Tierra estamos tan acostumbrados a empujar contra el planeta, que somos enormemente masivos, que no nos damos cuenta de que la física que la mente toma como normal está realmente muy distorsionada.

La tercera ley de Newton lo explica claramente. Cada acción tiene una reacción igual y opuesta. Por lo tanto, incluso si sopla aire por la boca, experimentará una fuerza de arrastre hacia atrás (muy poco). Una fuerza muy pequeña puede crear un mayor empuje en el espacio en función de su masa.

El empuje es la reacción al gas expulsado; no necesita aire para “empujar contra”. De hecho, en el espacio, un motor de cohete funciona mejor porque la relación de presión de la boquilla es mejor sin la presión exterior.

Es la primera ley de movimiento de Newton: “Para cada acción hay una reacción opuesta e igual” No importa si estás en el vacío del espacio, bajo el agua, en una atmósfera o dentro de un bloque de plomo sólido.

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