En realidad, habrá muchas ecuaciones (enraizadas específicamente en el cálculo diferencial), pero las tres leyes de movimiento de Newton, introducidas en la publicación ” Principia Mathematica Philosophiae Naturalis ” en 1686 “rigen los cohetes desde el lanzamiento hasta el aterrizaje.
La primera ley de Newton (a veces denominada Concepto de inercia de Galileo): “Un cuerpo en un estado de movimiento uniforme permanecerá en un estado de movimiento uniforme hasta que una fuerza externa neta actúe sobre él”.
Los fundamentos de esta ley gobiernan no solo la capacidad de maniobrar la nave en el espacio, sino que también gobierna la nave durante su aterrizaje.
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Los ingenieros de cohetes que diseñan los sistemas de guía confían en su funcionamiento cuando establecen los protocolos para el Comandante de vuelo que necesita “dirigir” la nave espacial en una dirección determinada y mantener una velocidad determinada.
Pero también es necesario y seguido en el aterrizaje.
Recuerdo haber visto el aterrizaje final del transbordador espacial en Google Earth, mientras escuchaba los comentarios en NASA.TV. La NASA había programado la telemetría de aterrizaje del transbordador espacial directamente en Google Earth, por lo que todo lo que tuve que hacer fue instalar el complemento, que fue todo tipo de estúpido, ¡MUY BUENO! Observé un transbordador animado en tiempo real mientras realizaba todas sus maniobras, y recuerdo específicamente algo muy bueno cuando el transbordador volvió a la atmósfera y estuvo cerca de estar en Florida. No recuerdo cuántas millas terrestres estaban lejos del aterrizaje, pero a esa velocidad, no les tomaría mucho tiempo llegar allí.
De todos modos, vi que el transbordador animado comenzó a hacer curvas en forma de S, y recuerdo haber pensado: “Apuesto a que eso es para reducir la velocidad”. De repente, el locutor se acercó y dijo: “Ahora, si ha estado siguiendo, verá que el Shuttle comienza a hacer patrones de curva en S. Lo están haciendo para” quemar “la inercia”.
Con todo lo que hacemos, tenemos que volver a nuestras definiciones para mayor claridad, y la definición de Inercia es la resistencia de un objeto al cambio. (Creo que mi papá lo tuvo una vez que golpeó el sillón reclinable al final del día.; P)
Recuerde que una vez que el Transbordador espacial entró en la atmósfera, realmente no estaba diseñado para volar, así que básicamente lo que tenía era un ladrillo volador bonito, brillante y CARO. Poco podía hacer el Comandante de vuelo, excepto empujarlo en una dirección mientras caía en picado a la Tierra. Sin ninguna forma de controlar esa magnitud de velocidad (la velocidad es la magnitud de la velocidad al igual que la fuerza es la magnitud de la fuerza) utilizando alerones o aletas ordinarios, recurrieron a una idea muy básica: sacar el ladrillo del movimiento uniforme. En su aproximación para aterrizar, el Shuttle estaba bajo la fuerza de gravedad constante (pero también sujeto a la fricción de una fuerza de arrastre que sería casi insignificante a ESA velocidad), y sin frenos, esto significaba que estaba en constante movimiento uniforme, lo que como sabemos, produce una aceleración constante SI ninguna otra fuerza externa actúa sobre ella. Al participar en una serie de curvas en S (que se veían tal como suenan, viste el pequeño transbordador de dibujos animados yendo y viniendo de un lado a otro como si lo estuviera dibujando un animador borracho), pudieron reducir la velocidad hacia abajo creando fuerzas EXTERNAS de fricción, aumentando así su coeficiente de arrastre, lo que redujo en gran medida su velocidad y los llevó a una velocidad de rango seguro para el momento en que aterrizaron.
Como Jeff mencionó, el segundo de Newton: F = ma (o g si está en la dirección y)
Hablé con un diseñador de Boeing hace dos años sobre el nuevo cohete SLS que se está diseñando, y dijo lo primero que hicieron al decidir retener ciertas partes del antiguo diseño del transbordador espacial (mi tío estaba en el equipo de diseñadores de McDonnell- Douglas en los años 70 que diseñó el transbordador original, por lo que soy parcial, fue que sabían que las alas tenían que irse.
Mira, la gente tiene la idea de que una vez que dejamos los límites de la Tierra, las leyes del movimiento cambian de alguna manera. Es una idea que no puedo hacer que mis estudiantes de laboratorio de astronomía se vuelvan locos. Pero Newton dijo que todo lo que funcione en la dirección X funcionará en la dirección Y, que incluye el espacio. Si va a considerar diseñar un cohete para la exploración del espacio profundo, entonces la masa será su PRIMERA y más importante consideración, porque todo lo que haga a partir de entonces dependerá de eso. Determinará cuánto combustible necesitará e incluso de qué tipo.
Es interesante notar que Aristóteles creía que la fuerza era responsable de la velocidad de un objeto, pero Newton nos mostró que la fuerza era realmente responsable del cambio en la velocidad, que ahora sabemos que es la aceleración.
Entonces, ¿por qué Aristóteles lo extrañaba tanto? No tuvo en cuenta la fricción.
Finalmente, Tercero de Newton: “Para cada fuerza, hay otra fuerza que está dirigida de manera opuesta pero de igual magnitud”.
Este es el mejor, para mí, y es más evidente durante el lanzamiento de un cohete. Para sacar esa cosa del suelo con suficiente aceleración para escapar de la atmósfera de la Tierra, debes darle suficiente fuerza dirigida opuestamente para “empujarla” del suelo.
Pero las personas tienen la idea errónea de que la acción / reacción proviene del combustible que empuja el suelo y el suelo que empuja hacia atrás que causa el empuje hacia arriba. Lo que realmente sucede es que la combustión desde el interior del motor se ve forzada y, por lo tanto, se acelera hacia la parte trasera del motor, y al igual que un astronauta varado en el espacio arroja una linterna en la dirección opuesta en la que quieren moverse, crea una fuerza que empuja el soporte del motor en una dirección hacia adelante, lo que resulta en la aceleración hacia arriba de la nave, y debido a que cada una de estas Leyes están entrelazadas y prueban las otras dos, esa aceleración en el soporte del motor hace que el cohete avance en sentido contrario dirección al empuje.
¿Ver? ¡Es el más genial!
Buena suerte. En serio, ¡es tu gente la que nos lleva al final! 