Rachetele: cum funcționează și cum au dus omul în spațiu

O rachetă funcționează pe principiul acțiunii și reacțiunii: arde combustibil într-o cameră închisă și aruncă gazele rezultate, cu viteză foarte mare, printr-un ajutaj îndreptat în spate. Gazele sunt împinse înapoi, iar racheta este împinsă înainte. Spre deosebire de un avion, racheta nu se sprijină pe aer și își poartă singură și oxidantul necesar arderii, de aceea poate funcționa și în vidul spațiului cosmic.

Ideea este veche de secole, dar abia în secolul XX matematica, materialele și combustibilii au permis rachetelor să ducă sateliți pe orbită și oameni pe Lună. Mai jos afli fizica rachetei pe înțeles, de ce sunt construite în trepte, ce combustibili folosesc, care sunt momentele-cheie ale istoriei lor și ce legătură au cu Transilvania.

Principiul de bază: acțiune și reacțiune

O rachetă se mișcă pentru că împinge masă, adică gazele de ardere, în direcția opusă mișcării sale. Este aplicarea directă a celei de-a treia legi a lui Newton: oricărei acțiuni îi corespunde o reacțiune egală și de sens contrar. Legile sunt explicate pe larg în articolul despre legile lui Newton.

Exemple de acasă

• Balonul umflat eliberat brusc zboară prin cameră, pentru că aerul care iese în spate îl împinge înainte.
• Furtunul de grădină lăsat liber: jetul de apă care țâșnește împinge capătul furtunului înapoi și îl face să se zbată.
• Patinatorul care aruncă o minge grea alunecă în sens opus aruncării.

De ce funcționează în vid

O greșeală frecventă este să crezi că racheta „se împinge de aer”. De fapt, aerul doar o frânează. Forța apare între rachetă și gazele pe care le aruncă, iar asta se întâmplă la fel de bine și în vid. Chiar mai bine: fără aer, gazele ies mai ușor din ajutaj, iar motorul este puțin mai eficient.

Sfat: Poți face o „rachetă” sigură cu un balon, un pai de băut lipit pe el și o sfoară întinsă prin pai între două scaune. Când eliberezi balonul, acesta alunecă pe sfoară și arată exact principiul acțiunii și reacțiunii.

Anatomia unei rachete

O rachetă spațială este, în mare parte, un rezervor uriaș de combustibil cu un motor la bază și o încărcătură utilă mică în vârf. De obicei, combustibilul reprezintă cea mai mare parte din masa de la decolare.

Ajutajul convergent-divergent

Ajutajul rachetei are o formă specială: se îngustează, apoi se lărgește din nou, ca o clepsidră tăiată pe jumătate. În partea îngustă gazele ating viteza sunetului, iar în partea care se lărgește accelerează și mai mult, depășind-o de câteva ori. Forma a fost dezvoltată inițial pentru turbine cu abur și poartă numele inginerului suedez Gustaf de Laval.

Combustibilii: solizi, lichizi și hibrizi

Rachetele folosesc fie combustibil solid, fie combustibili lichizi, fiecare cu avantaje și dezavantaje. Indiferent de tip, motorul are nevoie atât de un combustibil, care arde, cât și de un oxidant, care furnizează oxigenul, pentru că în spațiu nu există aer.

Atenție: Combustibilii pentru rachete, inclusiv amestecurile pirotehnice „de casă”, sunt periculoși și pot exploda. Nu încerca să fabrici motoare de rachetă. Rachetomodelismul se practică doar cu motoare omologate, în cluburi și pe terenuri autorizate.

De ce rachetele au mai multe trepte

Rachetele sunt construite în trepte pentru că nu are rost să cari până pe orbită rezervoare goale și motoare grele. Fiecare treaptă se desprinde după ce și-a consumat combustibilul, iar racheta rămasă devine mai ușoară și accelerează mai ușor.

Ecuația rachetei

Fizicianul rus Konstantin Țiolkovski a publicat în 1903 relația care leagă viteza pe care o poate atinge o rachetă de viteza de ieșire a gazelor și de raportul dintre masa de la plecare și masa de la final. Ideea ei, fără formule:

1. Cu cât gazele ies mai repede, cu atât racheta poate atinge o viteză mai mare.
2. Cu cât mai mare e partea de combustibil din masa totală, cu atât racheta ajunge mai repede.
3. Câștigul crește doar logaritmic, adică foarte încet: dublarea combustibilului nu dublează viteza.

De aici rezultă că o rachetă cu o singură treaptă ajunge foarte greu pe orbită, iar împărțirea în trepte este soluția practică. Ideea rachetei cu mai multe trepte apare, interesant, încă din secolul al XVI-lea, în manuscrisul lui Conrad Haas de la Sibiu.

Viteza necesară: orbita și evadarea

Pentru a rămâne pe orbită joasă în jurul Pământului, un obiect trebuie să se deplaseze orizontal cu aproximativ 7,8 km/s, iar pentru a scăpa complet de atracția Pământului are nevoie de circa 11,2 km/s. Problema principală a zborului spațial nu este înălțimea, ci viteza.

Ce înseamnă să fii pe orbită

Un satelit pe orbită cade permanent spre Pământ, dar se mișcă atât de repede pe orizontală încât suprafața curbă a planetei „fuge” de sub el în același ritm. Astronauții par fără greutate nu pentru că gravitația ar lipsi, ci pentru că ei și stația cad împreună. Mecanismul este explicat în articolul despre gravitație, iar viața la bordul stației în articolul despre Stația Spațială Internațională.

De ce rachetele se înclină după decolare

Racheta pornește vertical pentru a ieși rapid din straturile dense ale atmosferei, apoi se înclină treptat spre orizontală, pentru că are nevoie mai ales de viteză laterală. Lansările spre est profită și de rotația Pământului, care adaugă gratuit câteva sute de metri pe secundă. Despre straturile pe care le traversează racheta citești în articolul despre atmosfera Pământului.

Scurtă istorie a rachetelor

Rachetele au început ca artificii și arme cu praf de pușcă și au devenit vehicule spațiale abia în secolul XX, după ce câțiva vizionari au calculat ce ar fi necesar.

Repere principale

1. Rachetele cu praf de pușcă au apărut în China, folosite în artificii și în război, iar până în secolul al XIII-lea erau cunoscute și în alte regiuni.
2. Conrad Haas, în secolul al XVI-lea, la Sibiu, descrie rachete cu mai multe trepte și stabilizatoare.
3. Rachetele militare cu carcasă metalică sunt folosite în India și apoi în Europa la sfârșitul secolului al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea.
4. Konstantin Țiolkovski, 1903: ecuația rachetei și ideea combustibililor lichizi.
5. Hermann Oberth, născut la Sibiu, publică în 1923 o carte despre rachete pentru zborul interplanetar, care inspiră o generație de ingineri.
6. Robert Goddard lansează în 1926, în Statele Unite, prima rachetă cu combustibil lichid, care zboară doar câteva secunde.
7. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, racheta germană V-2 devine primul obiect construit de om care trece de limita spațiului.
8. 4 octombrie 1957: URSS lansează Sputnik 1, primul satelit artificial.
9. 12 aprilie 1961: Iuri Gagarin devine primul om în spațiu, cu un zbor orbital de aproximativ o oră și jumătate.
10. 20 iulie 1969: misiunea Apollo 11, lansată cu racheta Saturn V, duce primii oameni pe Lună.

Contribuțiile lui Haas și Oberth sunt prezentate și în ghidul despre inventatori români. Pentru contextul mai larg al marilor invenții, vezi ghidul despre invențiile care au schimbat lumea.

Un român în spațiu

Pe 14 mai 1981, Dumitru Prunariu a zburat în spațiu la bordul navei Soiuz 40 și a lucrat câteva zile pe stația orbitală Saliut 6, devenind primul și, până acum, singurul cosmonaut român. În România activitățile spațiale sunt coordonate de ROSA, Agenția Spațială Română, iar România este stat membru al Agenției Spațiale Europene.

Rachetele de azi: sateliți, sonde și refolosire

Astăzi rachetele lansează în principal sateliți pentru comunicații, navigație prin satelit, observarea Pământului și prognoza meteo, plus sonde spre alte planete și echipaje spre stațiile spațiale. Ele au devenit o infrastructură de care depindem zilnic fără să o vedem.

Ce aduc rachetele în viața de zi cu zi

• Navigația prin satelit din telefon și din mașină.
• Prognozele meteo, bazate pe imagini și măsurători din orbită.
• Comunicațiile și televiziunea prin satelit.
• Monitorizarea mediului: incendii, inundații, gheață polară, culturi agricole.
• Explorarea științifică a planetelor, despre care afli mai multe în articolul despre Sistemul Solar.

Rachetele reutilizabile

Timp de decenii, aproape fiecare rachetă a fost folosită o singură dată. În ultimii ani, mai multe companii și agenții au dezvoltat trepte care se întorc și aterizează vertical, cu motoarele aprinse, pentru a fi refolosite. Ideea este să scadă costul unei lansări, la fel cum un avion de linie nu se aruncă după fiecare zbor.

Important: Fiecare lansare lasă pe orbită resturi: trepte superioare, sateliți scoși din uz, fragmente. Gestionarea acestor deșeuri spațiale a devenit o problemă reală pentru siguranța sateliților și a echipajelor.

Ultimele recomandări

O rachetă este o mașină care aruncă masă într-o direcție pentru a se mișca în direcția opusă. Principiul simplu al acțiunii și reacțiunii, combinat cu ecuația lui Țiolkovski, explică de ce rachetele au nevoie de combustibil enorm, de mai multe trepte și de viteze de aproape 8 km/s pentru a rămâne pe orbită. De la artificiile chinezești și manuscrisul lui Conrad Haas, prin calculele lui Oberth, până la Sputnik, Gagarin și Apollo 11, rachetele au transformat visul zborului spațial în realitate.

De reținut:

• racheta funcționează prin acțiune și reacțiune și nu are nevoie de aer;
• motorul are nevoie de combustibil și de oxidant;
• treptele se desprind pentru a reduce masa de transportat;
• orbita joasă cere aproximativ 7,8 km/s, evadarea de pe Pământ circa 11,2 km/s;
• Dumitru Prunariu a zburat în spațiu în 1981, la bordul Soiuz 40.