Los cohetes actuales son el resultado de más de 2000 años de descubrimientos, inventos y experimentación. Primero por observación e inspiración y después por una investigación metódica, así fue como los fundamentos de la cohetería se construyeron. Normalmente se encuentran perdidos en las sombras del tiempo los primeros pioneros en la cohetería que impulsaron el desarrollo de estos vehículos para tierra, mar aire y finalmente el espacio.
Cuando los principios físicos que gobiernan el movimiento se descubrieron, los cohetes se graduaron de juguetes y objetos de ficción a dispositivos avanzados para el comercio, la guerra y la investigación. Este trabajo nos guio hacia muchos de los grandes descubrimientos del siglo XX y nos sigue guiando ahora en el siglo XXI.
Naves espaciales han explorado otros planetas, los satélites nos han dado una nueva visión de la tierra. Una estación espacial gigantesca se construyó en la órbita baja de la tierra, que sirve como un laboratorio de micro gravedad y donde también residen astronautas de muchas naciones. Otros satélites observaron nuestra galaxia y mas allá, casi hacia el inicio del tiempo. Todos estos increíbles eventos solo fueron posibles gracias al desarrollo de la tecnología de los cohetes.
Estamos al filo de una nueva era en la exploración espacial y los cohetes nos llevaran hasta allá. Usando la siguiente generación de cohetes, la presencia humana pronto se extenderá más allá de la órbita de la tierra. Vehículos versátiles y más poderosos nos permitirán regresar a la luna y viajar hacia marte y hacia los asteroides. Las mejores ideas de la exploración espacial surgieron de la imaginación. Estamos en el momento perfecto para aprender sobre ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas. Los cohetes serán nuestro vehículo para el aprendizaje.
¿Como Funcionan los cohetes?
No importa si estas volando un modelo de cohete pequeño o lanzando un cohete de carga gigante, los principios de cómo funcionan exactamente son los mismos. Entendiendo y aplicando estos principios significa el éxito en cada una de nuestras misiones.
En los primeros días de la cohetería el vuelo de una flecha encendida o cualquier otro dispositivo de cohete era mera cuestión de suerte u oportunidad, puede que volara, puede que diera en el blanco. A través de los siglos los cohetes se volvieron más viables. Sin embargo, los verdaderos avances dependen sobre el entendimiento matemático y científico del movimiento. Esto sucedió en el siglo XVII con el trabajo de científicos como Galileo e Isaac Newton.
Galileo llevo a cabo muchos experimentos respecto al movimiento. A través de sus estudios de planos inclinados, Galileo concluyo que los objetos en movimiento no necesitan la aplicación constante de fuerza (en la ausencia de fricción y drag) para seguirse moviendo. Galileo descubrió el principio de la inercia, porque toda la materia debido a su masa resiste el cambio al movimiento. Entre mayor masa mayor resistencia.
Isaac Newton nació en el año en el que Galileo falleció, avanzo sobre los descubrimientos de Galileo y algunos de ellos son propuestos en sus tres leyes básicas del movimiento. Estas leyes son el fundamento de la ciencia de los cohetes. Entiende estas leyes y sabrás todo lo que necesitas saber para construir exitosamente cohetes. Aplica estas leyes y te convertirás en un científico de la cohetería.
Las leyes del movimiento de Newton.
En su obra maestra titulada Philosophia Naturalis Principia Mathemathica Isaac Newton estableció sus 3 leyes del movimiento. Para la mayoría de los que integremos esta comunidad debemos de conocer intuitivamente estas 3 leyes, porque estas leyes fueron las que elevaron a la cohetería a una ciencia. Sus aplicaciones prácticas de las leyes del movimiento de Newton hacen la diferencia entre tener éxito y fallar en nuestros lanzamientos. Estas leyes relacionan la fuerza y la dirección con todas las formas de movimiento.
En un lenguaje simple las leyes del movimiento de Newton son:
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Primera Ley de Newton:
Los objetos en reposo permanecerán en reposo y los objetos en movimiento permanecerán en movimiento en línea recta a menos que una fuerza externa desequilibre el reposo o la trayectoria de estos objetos.
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Segunda Ley de Newton:
Fuerza es igual a la masa veces la aceleración (f=ma).
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Tercera Ley de Newton:
Para cada acción existe una reacción igual y opuesta.
Antes de que empecemos a investigar cada una de estas leyes en detalle unos cuantos términos deben ser explicados.
REPOSO Y MOVIMIENTO: como son utilizados en la primera ley de newton pueden ser confusos. Ambos términos son relativos. Esto quiere decir que están en reposo o movimiento respecto a un marco de referencia. Tu estas en reposo cuando estas sentado en una silla. Esto no importa si la silla está en la cabina de un avión que está volando, se sigue considerando que estas en reposo por que el avión se está moviendo junto contigo. Si te paras de tu asiento en el avión y caminas por el pasillo estas en un movimiento relativo porque estas cambiando tu posición dentro de la cabina.
FUERZA: es un empujón o un tirón ejercido sobre un objeto. La Fuerza puede ser ejercida de muchas maneras, tales como, el poder muscular, el movimiento del aire, el electromagnetismo por nombrar algunos. En el caso de los cohetes, la fuerza es ejercida normalmente al quemar propelente que se expanden explosivamente.
FUERZA DE DESEQUILIBRIO: se refiere a la suma total de la fuerza neta ejercida en un objeto. Las fuerzas en una taza de café que se encuentra sobre una mesa, por ejemplo, están en balance. La gravedad está ejerciendo una fuerza hacia abajo en la taza. Al mismo tiempo la estructura del escritorio ejerce una fuerza en dirección contraria a la fuerza de gravedad así evitando que la taza se caiga. Las dos fuerzas están en balance. Alcanzar y levantar la taza. Al hacer esto estamos desbalanceando las fuerzas en la taza. El peso que tu sientes es la fuerza de la gravedad actuando en la masa de la taza. Para mover la taza hacia arriba tienes que ejercer una fuerza mayor a la fuerza de la gravedad. Si tu sostienes la taza sin moverla, la fuerza de la gravedad y la fuerza muscular que estas ejerciendo están en balance.
Fuerzas en equilibrio.
Fuerza de desequilibrio
Las fuerzas desbalanceadas también se refieren a otros movimientos. Las fuerzas en un balón de soccer en reposo sobre el campo de juego están en equilibrio. Dale al balón una buena patada y las fuerzas se desequilibrarán. Gradualmente el arrastre del aire (air drag) que es una fuerza desacelera el balón y la gravedad provoca que caiga al suelo. Cuando el balón para de revotar y de rodar las fuerzas están en balance una vez más.
Ahora llevemos el balón de soccer al espacio profundo lejos de cualquier estrella u otro campo gravitatorio, y démosle una patada. La patada es una fuerza de desequilibrio o desbalance que se ejerce en al balón y este empieza su movimiento. Una vez que el pie no está más en contacto con el pie las fuerzas en el balón se equilibran nuevamente y el balón viajara en línea recta para siempre.
¿Cómo puedes decir si las fuerzas están balanceadas o desbalanceadas?
Si el balón de soccer está en reposo, las fuerzas se encuentran en equilibrio. Si el balón está en movimiento a velocidad constante y en línea recta las fuerzas están en balance. Si el balón está acelerando o cambiando de dirección las fuerzas no están en equilibrio.
MASA: es la cantidad de materia contenida en un objeto. El objeto no tiene que ser sólido. Puedes der la cantidad de aire contenida en un globo o la cantidad de agua dentro de un vaso. Lo importante sobre la masa es que solamente que se altere de alguna manera si el objeto está en la tierra, en la órbita de la tierra o en la órbita de la luna. La masa solo se refiere a la cantidad de materia contenida en un objeto. (Masa y peso son normalmente confundidos. No son lo mismo, peso es una fuerza que es la masa veces la aceleración de la gravedad).
ACELERACIÓN: relacionado al movimiento. Significa un cambio en el movimiento. Usualmente se refiere a un cambio en la velocidad ya sea positivo o negativo, algo así como cuando pisamos el acelerador del coche o pisamos el freno. Aceleración también se refiere a un cambio en la dirección.
Vista desde arriba de dos objetos o personas que se subieron al carrusel. La plataforma del carrusel ejerce fuerzas que desequilibran a los objetos evitando que viajen en línea recta. En su lugar la plataforma acelera continuamente a sus tripulantes en sentido contrario a las manecillas del reloj. Esto es lo que sucede en un carrusel incluso si está dando vueltas a una tasa constante el constante cambio de dirección de los tripulantes de forma circular es una aceleración.
ACCIÓN: es el resultado de una fuerza. Un cañón dispara y la bola de cañón vuela a través del aire. El movimiento de la bola de cañón es una acción. Liberar el aire de un globo inflado, el aire sale por la boquilla del globo. Eso también es una acción. Poner un pie fuera de un bote para ponerlo en el muelle, eso también es una acción.
REACCIÓN: está relacionado a una acción. Cuando el cañón dispar4a y la bala de cañón vuela a través del aire, el cañón sufre un retroceso. Esto es una reacción. Cuando el aire sale del globo por la boquilla y el globo vuela hacia el lado opuesto eso es una reacción. Poner un pie fuera de un bote para ponerlo en una muelle causa una reacción. A menos que el bote este anclado de alguna manera se mueve en la dirección opuesta. (Nota: el ejemplo del bote es una gran demostración del principio acción/reacción).
LA PRIMERA LEY DE NEWTON.
Esta ley algunas veces es referida a la ley de inercia de Galileo quien descubrió el principio de inercia. Esta ley simplemente señala que un objeto en reposo, como un cohete en una plataforma de lanzamiento, requiere que se ejerza en el, una fuerza que lo mueva del reposo (una fuerza des balanceadora o de desequilibrio), y que haga que despegue. La cantidad de impulso (fuerza) producida por los motores de un cohete tiene que ser mayor que la fuerza de gravedad que lo mantiene en el suelo. Así como el impulso de los motores se incrementa, el cohete acelera, cuando el cohete se queda sin propelente, las fuerzas pierden su balance una vez más. Esta vez, la gravedad toma el control y causa que el cohete caiga de regreso a la tierra. Después de esto el cohete aterriza, y vuelve al reposo, y las fuerzas vuelven a estar en balance.
Existe una parte muy interesante de esta ley que tiene enormes implicaciones para el vuelo espacial. Cuando el cohete alcanza el espacio el drag o coeficiente de arrastre, de la atmosfera se elimina. Dentro de la atmosfera el drag es una importante fuerza de desequilibrio. Esta fuerza es virtualmente ausente en el espacio. Un cohete viajando lejos de la tierra a una velocidad mayor a los 11,186 kilómetros por segundo o 40,270 kilómetros por hora, eventualmente escapara de la gravedad de la tierra. El cohete desacelerara, pero la gravedad de la tierra nunca lo desacelerara lo suficiente como para hacer que el cohete caiga nuevamente hacia la tierra. En ultima instancia la carga útil del cohete viajara hacia las estrellas sin la necesidad de impulso extra. Su inercia causara que continúe viajando hacia el espacio. Al menos 4 naves espaciales están viajando actualmente hacia el espacio mientras lees esto. Pioneer 10 y 12 (Pioneros) y las naves Voyager 1 y 2 (Viajeros) se encuentran es su viaje hacia las estrellas.
LA TERCERA LEY DE NEWTON.
Es útil saltar a la tercera ley y luego regresar a la segunda después. Esta es la ley de movimiento con la cual mucha gente está familiarizada. Es el principio de la acción reacción. En el caso de los cohetes, la acción es la fuerza producida por la expulsión de gases, y flamas desde la tobera en el extremo inferior del motor del cohete. La reacción es cuando esta fuerza impulsa al cohete en la dirección opuesta.
Cuando un cohete despega los productos de la combustión se aceleran rápidamente para ser expulsados por el motor. El cohete por otra parte también acelera más lentamente hacia el cielo. Parecería que algo está mal aquí, si la acción y la reacción se suponen que serían iguales. Son iguales, pero la masa de los gases y las flamas que son expulsadas por el motor son mucho menores que la masa total del cohete que está siendo impulsado hacia arriba en la dirección opuesta. Aun así, la fuerza es igual en ambos, los efectos son diferentes. La primera ley de Newton, la ley de la inercia, explica por qué. La ley establece que se requiere de una fuerza para cambiar el movimiento de un objeto. Entre mayor es la masa mayor es la fuerza que se requiere para moverlo.
SEGUNDA LEY DE NEWTON.
La segunda ley relaciona la fuerza, la aceleración y la masa. Esta ley es normalmente escrita como la ecuación:
F=ma
La fuerza o empuje producido por el motor de un cohete es directamente proporcional a la masa de los gases y partículas producidas por la combustión del propelente veces la aceleración de estos productos de la combustión que salen por la tobera del cohete. Esta ley solo aplica a lo que actualmente está viajando fuera del motor al momento y no a la masa del propelente contenida en el cohete que será consumida después.
La implicación de esta ley para la cohetería es que entre más propelente (m) se consume en cualquier momento y entre mayor es la aceleración (a) de los productos de la combustión que se eyectan por la tobera fuera del cohete, mayor es el impulso.
Una prueba de “Ciencia Real de los Cohetes”.
Naturalmente lanzar cohetes al espacio es mucho más complicada que las leyes del movimiento de Newton. Diseñar cohetes que realmente pueden alcanzar velocidades orbitales o para viajes al espacio interplanetario, es un proceso extremadamente complicado. Las leyes de Newton son el comienzo, pero muchas otras cosas entran en juego. Por ejemplo, la presión del aire juega un papel muy importante mientras que el cohete siga en la atmosfera. La presión interna en el motor del cohete producida por la combustión de los propelentes dentro de la cámara de combustión tiene que ser mayor que la presión exterior para que los gases puedan escapar a través de la tobera del motor. En cierto sentido, el aire de afuera es como un corcho en el motor. Requiere algo de la presión generada dentro del motor solo para superar la presión del ambiente externo. Consecuentemente, la velocidad de los productos de la combustión que pasan a través de la abertura o garganta de la tobera es reducida. La buena noticia es que en cuanto el cohete se eleva cada vez más hacia el espacio, la presión del ambiente se vuelve menor y menor ya que la atmosfera se va adelgazando y el empuje del motor se incrementa.
Otro factor importante es el cambio de masa en el cohete. Así como el cohete va aumentando su empuje y va acelerando y aumenta su altura debido a los cambios de presión exteriores, también consigue un incremento en su empuje debido a su cambio de masa, cada pequeña porción de propelente quemado tiene una masa. Cuando los productos de la combustión son eyectados por el motor, el total de la masa del vehículo disminuye. Como resultado la aceleración del cohete se incrementa. En términos prácticos la segunda ley de Newton puede ser reescrita como:
(“A” se refiere al área transversal de la garganta del motor del cohete).
Cuando el cohete alcanza el espacio, y la presión del ambiente es mínima la presión del ambiente se vuelve cero, y la ecuación se convierte en:
En la ciencia real de los cohetes muchos otros factores entran en juego.
Incluso con poca aceleración, el cohete ganara velocidad, con el tiempo debido a que la aceleración se acumula.
No todos los cohetes son iguales algunos producen mucho más empuje que otros debido a su taza de combustión y eyección de masa. Parece obvio que los científicos de la cohetería siempre escogerán los propelentes más energéticos. No siempre es así. Cada elección que un científico de la cohetería hace tiene un costo. El oxígeno líquido y el nitrógeno líquido son muy energéticos cuando hacen combustión. Pero tienen que ser almacenados a muy bajas temperaturas. A demás su masa es muy baja y se requiere de tanques muy grandes para almacenar suficiente propelente para hacer el trabajo.
En conclusión…
Las leyes del movimiento de newton nos hablan sobre todo lo que debes de saber acerca de la cohetería. Sin embargo, el conocer estas leyes no es suficiente, debes de saber cómo aplicarlas, para los siguientes planteamientos:
¿Cómo puedes crea suficiente empuje para superar el peso del cohete?
¿Cuáles combinaciones de materiales estructurales y propelentes debes usar?
¿Qué tan grande debe ser el cohete?
¿Cómo puedes hacer que un cohete valla a donde tú quieres?
¿Cómo puedes traerlo de regreso a tierra de manera segura?