Esta es realmente una pregunta antigua, y lleva tiempo para que la gente entienda (o acepte) que un cohete no necesita empujar contra nada para impulsarse hacia adelante. Lo creo porque funciona; Deberías; ¡también!
Apuesto a que se inundará en las próximas horas con miles de respuestas, formará coroanos bien intencionados que piensan “¡Ah, esta es simple!”, Y encontrará que todos le darán una conferencia sobre su versión de Newton Tercera Ley Pero encuentro que un poco de historia ayuda mucho a entender por qué.
Los historiadores dicen que los chinos comenzaron a usar cohetes desde 850 CE (anteriormente, AD). Cientos de años antes de eso, habían estado experimentando con los productos químicos que finalmente entran en la fabricación de la pólvora.
En 904 CE, los chinos comenzaron a utilizar la pólvora en la guerra como proyectiles incendiarios en este momento. Estos proyectiles eran conocidos como “fuegos voladores”. Fueron disparados como flechas, granadas y catapultas.
Ahora saltaremos a 1600 CE.
Este período ofreció una gran cantidad de desarrollo en la comprensión de los cohetes y los principios que los impulsan. En 1650, el experto en artillería polaco, Kasimiez Siemienowicz, publicó diseños para un cohete por etapas que ofrecería capacidades más destructivas y potencialmente un mayor alcance.
En 1696, el inglés Robert Anderson publicó un documento sobre cómo construir cohetes sólidos. Describió cómo mezclar los propulsores y luego verterlos en moldes. También describió cómo preparar los moldes. Esto a veces se sugiere como el primer paso en la producción en masa de cohetes.
Y, por supuesto, en 1643 nació Sir Isaac Newton . En su publicación, De Motu Corporum en 1684, tuvo el precursor de sus leyes de movimiento que luego serían completadas y publicadas en Principia en 1687. Fue a través de estas leyes de movimiento que otros científicos e ingenieros pudieron entender los por qué y los cómo. cohetes y ciencia de cohetes.
Saltando un poco más de historia que no es relevante para esta pregunta, vamos a fines del siglo XIX.
A finales de 1800, la era de los cohetes modernos estaba a punto de comenzar . En 1857 y en 1882, nacieron los dos verdaderos fundadores de la ciencia y la ingeniería modernas de cohetes. Uno de ellos era ruso y el otro estadounidense.
El maestro de escuela ruso Konstantin Tsiolkovsky (figura a continuación) nació en Izhevskoye, Rusia, en una familia de clase media en 1857. Cuando era niño, Tsiolkovsky contrajo fiebre escarlatina y como resultado desarrolló una discapacidad auditiva, lo que lo llevó a estudiar en casa hasta los 16 años.
El profesor de matemáticas de la escuela secundaria rusa Konstantin Tsiolkovsky es posiblemente el padre de la astronáutica moderna.
Según los informes, Tsiolkovsky trabajó como profesor de matemáticas en la escuela secundaria hasta que se jubiló en 1920. En 1903, el año de los primeros vuelos de los Wright Brothers, publicó lo que la comunidad científica de cohetes conoce como el primer libro o tratado verdadero sobre el tema. La exploración del espacio cósmico por medio de dispositivos de reacción describe la mayoría de los aspectos y las complejidades de la ciencia moderna de cohetes. Con los años, publicaría cientos de artículos sobre el tema. Principalmente, se destaca por la idea de cohetes multietapa para trenes de cohetes cósmicos. Por los detalles y las teorías en este tratado, Tsiolkovsky a menudo se conoce como el padre de la astronáutica moderna (los rusos a veces lo llaman cosmonautica).
Así que ahí estás. Tsiolkovsky había identificado el cohete como un dispositivo de reacción. Lo visualizó claramente yendo al “cosmos”, donde hay vacío, y nada para que los gases de escape “empujen”.
Tsiolkovsky nunca experimentó con cohetes; su trabajo fue casi puramente teórico. Identificó la velocidad de escape como el parámetro de rendimiento importante; se dio cuenta de que la mayor temperatura y el menor peso molecular producido por los combustibles líquidos serían importantes para lograr una alta velocidad de escape; e identificó oxígeno líquido e hidrógeno como propulsores adecuados para los cohetes espaciales. También inventó el cohete de múltiples etapas.
Robert Goddard nació en 1882 en Worcester, Massachusetts. A medida que maduró, se interesó profundamente en la lectura y, según los informes, realizó visitas periódicas a su biblioteca local. Recibió una licenciatura en física del Instituto Politécnico de Worcester en 1908, una maestría de la Universidad de Clark en 1910 y un doctorado de la Universidad de Clark en 1911. En 1912, se mudó a la Universidad de Princeton en una beca de investigación.
Los primeros experimentos de Goddard fueron con cohetes sólidos y después de varios experimentos en 1915 se convenció cada vez más de que el combustible líquido para cohetes permitiría que el cohete transportara más carga útil a altitudes más altas. Sin lugar a dudas, la Primera Guerra Mundial ayudó a financiar y alimentar la necesidad de la investigación de Goddard y de otros. En 1919, publicó un libro titulado Un método para alcanzar altitudes extremas , que es una de las razones por las que es conocido como uno de los fundadores de los cohetes modernos. Comenzó a experimentar con motores líquidos y lanzó su primer vuelo exitoso el 26 de marzo de 1926. La figura a continuación muestra.
Goddard y su cohete. El vuelo duró 2,5 segundos y recorrió una distancia terrestre de unos 56 metros. El cohete alcanzó su punto máximo a solo 12,5 metros.
Los inventos de Goddard incluyeron el uso de giroscopios para orientación, el uso de paletas en la corriente de chorro para dirigir el cohete, el uso de válvulas en las líneas de propulsores para detener y arrancar el motor, el uso de turbomotores para entregar el propulsor al cámara de combustión, y el uso de oxígeno líquido para enfriar la boquilla de escape, todo lo cual fue crucial para el desarrollo del cohete moderno. Lanzó su primer cohete de combustible líquido desde Auburn, Massachusetts, el 16 de marzo de 1926. Pesaba 5 kg, funcionaba con oxígeno líquido y gasolina, y alcanzó una altura de 12,5 metros. Al final de su artículo de 1919, Goddard había mencionado la posibilidad de enviar un cohete no tripulado a la Luna, y por esto la prensa lo ridiculizó. Debido a sus experimentos con cohetes, el oficial de bomberos lo expulsó de Massachusetts, pero continuó su trabajo hasta 1940, lanzando sus cohetes en Nuevo México.
Otro científico bastante notable de la época fue Hermann Oberth, quien nació en Rumania en 1894. En 1922, Oberth le escribió a Goddard pidiéndole una copia de su libro sobre cohetes líquidos. Solo un año después, Oberth publicó The Rocket into Planetary Space que discutía las posibilidades del vuelo tripulado y los efectos que el vuelo del cohete tendría en el cuerpo humano. También mostró a través de la mecánica newtoniana que un cohete podría viajar más rápido que sus gases de escape y cómo un cohete podría colocar un satélite en el espacio. Como resultado de sus escritos, se formaron muchos clubes y organizaciones espaciales en todo el mundo. Uno de los más notables fue el Verein fur Raumshiffahrt o VfR, que se traduce como la Sociedad de Viajes Espaciales.
Una perspectiva interesante sobre esta era en el tiempo fue la falta de comprensión públicamente percibida de la física involucrada en los cohetes y la oposición encontrada por los fundadores del campo. A menudo se describe en los libros de historia y programas de televisión que los científicos de todo el país y el mundo se opusieron a la idea de que un cohete podría viajar a alturas extremadamente altas porque no habría aire para que los gases de escape empujen. De la discusión histórica anterior, se puede ver con bastante claridad que el conocimiento y el desarrollo teórico estaban en su lugar para que tales nociones simplemente se descartaran como físicamente incorrectas.
En otras palabras, las leyes de Newton se habían publicado durante siglos. Se había desarrollado la comprensión de la dinámica de fluidos sobre el vehículo y dentro de él. Y, al menos, Tsiolkovsky y Oberth, en dos países separados, entendieron que tal concepto de gran altitud e incluso vuelo espacial era posible.
Como hemos visto, el cohete había sido un dispositivo práctico durante más de 1,000 años antes de que Tsiolkovsky determinara la dinámica que explicaba su movimiento. Al hacerlo, abrió el camino al uso del cohete como algo más que un arma de artillería de dudosa precisión. De hecho, identificó el cohete como el medio por el cual la humanidad podría explorar el espacio.
Esto fue revolucionario: los viajes ficticios anteriores a la Luna habían utilizado pájaros o armas como fuerza motriz, y se habían descontado los cohetes. Al resolver la ecuación de movimiento del cohete, Tsiolkovsky pudo demostrar que el viaje espacial era posible, y que se podía lograr usando un dispositivo que fuera fácil de manejar, y que solo necesitaba ser ampliado. Incluso identificó las limitaciones y los problemas de diseño que tendrían que enfrentar para realizar un vehículo espacial práctico.
La dinámica es tan simple que sorprende que no se haya resuelto antes, pero esto probablemente se debió a una falta de interés: la lectura de los libros de dinámica de la época revela un interés constante en la fuga de proyectiles sin potencia, inmediatamente aplicable a la artillería.
En su forma básica, un cohete es un dispositivo que se impulsa emitiendo un chorro de materia. El impulso arrastrado por el jet produce una fuerza que actúa para acelerar el cohete en la dirección opuesta a la del jet. Esto nos es familiar a todos, desde juegos con globos de juguete desinflados, por lo menos. Los hechos esenciales son que el cohete se acelera y su masa disminuye; esto último no es tan obvio con un globo de juguete, pero sin embargo es cierto.
En artillería, la propulsión es muy diferente. Toda la energía de una bala de cañón se le otorga en el cañón de la pistola por la expansión de los gases calientes producidos por la explosión de la pólvora. Una vez que abandona el barril, su energía y su velocidad comienzan a disminuir debido a la fricción o arrastre del aire.
El cohete, por otro lado, experimenta una fuerza propulsora continua, por lo que su vuelo será diferente al de una bala de cañón. De hecho, aunque la bala de cañón es un proyectil, el cohete es realmente un vehículo. El cañón del Boston Gun Club, en la novela de Julio Verne, era de hecho el método equivocado. Para llegar a la Luna, o de hecho a la órbita de la Tierra, se requieren cambios de velocidad y dirección, y dichos cambios no pueden realizarse con un proyectil.
es mejor mirarlo como si estuvieras empujando a alguien, pero al hacerlo te empuja hacia atrás, ahora imagínate a ti mismo como el arma de tus brazos como los propulsores y la masa en expansión como la persona que estás empujando. 