Calculando a aceleração do foguete - Science Learning Hub

Como a aceleração de um modelo de foguete se compara à do ônibus espacial? Usando a força e massa resultantes, a aceleração pode ser calculada.

Forças agindo

As duas forças que atuam nos foguetes no momento do lançamento são o impulso para cima e o peso para baixo. Peso é a força da gravidade e é calculado (na superfície da Terra) multiplicando a massa (quilogramas) por 9,8.

A força resultante em cada foguete é calculada usando a equação força resultante = empuxo - peso.

Calculando a aceleração de um modelo de foguete

A aceleração é uma medida de quanto a velocidade aumenta a cada segundo. Pode ser calculado usando a equação aceleração = força resultante (newtons, N) dividida pela massa (quilogramas, kg).

Um modelo de foguete tem massa de 50 gramas e um motor de foguete que produz um empuxo de 5 N por 1 segundo.

Para encontrar o peso, 50 g precisa ser transformado em quilogramas dividindo por 1000. Isso dá uma massa de 0,050 kg. O peso é a massa (em kg) x 9,8, o que dá 0,050 x 9,8 = 0,49 N.

A força resultante é o empuxo - peso = 5 - 0,49 = 4,51 N (não arredondado).

Aceleração = força resultante dividida pela massa = 4,51 ÷ 0,050 = 90 metros por segundo ao quadrado (90 m / s2). Isso significa que, a cada segundo, a velocidade do foguete aumenta em 90 m / s.

Isso é nove vezes a aceleração normal devido à gravidade.

O mesmo método pode ser usado para um foguete de tamanho normal, como o Ônibus Espacial.

Calculando a aceleração do ônibus espacial

A missão do Ônibus Espacial lançada em 24 de fevereiro de 2011 foi chamada de STS-133. Ele tinha uma massa de decolagem de 2 milhões de quilogramas (2.000 toneladas). Isso significa que o peso total na decolagem é de 2 milhões x 9,8, o que é aproximadamente 20 milhões de newtons (20 mega newtons).

O impulso de cada um dos grandes impulsionadores de foguetes sólidos brancos na lateral foi de 12,5 milhões de newtons, e os três motores principais na extremidade traseira da broca que se parece com um avião (a órbita do ônibus espacial) tiveram um impulso combinado de 5,5 milhões de newtons . Isso dá um impulso total massivo de 30,5 milhões de newtons!

Força resultante = empuxo - peso = 30,5 milhões - 20 milhões = 10,5 milhões de newtons.

Aceleração = força resultante ÷ massa = 10,5 milhões ÷ 2 milhões = 5,25 m / s2.

Comparando acelerações

A aceleração do foguete modelo a 90 m / s2 é muito maior do que a do ônibus espacial a 5,25 m / s2, mas há uma diferença significativa no movimento após o lançamento.

Em primeiro lugar, o modelo de foguete só tinha propelente suficiente para 1 segundo de empuxo. Após 1 segundo, ele atinge uma velocidade máxima de 90 m / s (ignorando o arrasto e a mudança de massa), mas após esse 1 segundo de empuxo, o modelo de foguete começa a perder velocidade devido ao peso e às forças de arrasto que atuam na direção oposta ao seu movimento.

Para o ônibus espacial, os impulsionadores de foguetes sólidos (SRBs) têm propelente suficiente para fornecer empuxo por 124 s. Isso significa que o ônibus espacial acelera por mais de 2 minutos antes que os propulsores do foguete sólido se separem. (À medida que o ônibus espacial usa seu propelente, ele também se torna muito mais leve, o que aumenta a aceleração.)

Após 124 segundos, o ônibus espacial já atingiu uma altitude de 45 km e está viajando a 1.380 m / s (4.973 km / h). Neste momento (uma vez que todo o combustível é consumido), os SRBs se separam do tanque externo (a grande parte laranja). O combustível continua a ser bombeado para os três motores principais por mais 6 minutos. A aceleração continua até que o orbitador do ônibus espacial finalmente atinge uma velocidade de 28.000 km / he uma altitude de mais de 300 km. Isso permite que ele orbite ao redor da Terra.