¿Cómo funcionan los cohetes espaciales?
Dinámica
Ley de Newton
Los cohetes espaciales son la maquina más veloz inventada por el hombre. Su funcionamiento no es más que el aprovechamiento inteligente de la Tercera Ley de Newton, el Principio de acción y reacción.
Una combustión química produce potentes gases, los cuales “tiran” con mucha fuerza el aire hacia abajo. Como según el principio de acción y reacción, a toda fuerza le corresponde otra de igual magnitud y dirección contraria, el aire impulsa al cohete con la misma fuerza que los potente gases ejercen fuerza sobre el aire de abajo.
Dado que la potencia con la se expulsa las gases en el cohete es muy grande, la reacción es de la misma magnitud y es lo que permite no solo levantar el cohete, sino alcanzar velocidades muy altas.
Principio de acción y reacción
Índice
1. Introducción
2. Tercera Ley De Newton
1. Introducción
Cuando uno se apoya en la pared, cuando hay un libro sobre la mesa o cuando se empuja un auto hay fuerzas que actúan sobre los cuerpos, y más de las que uno piensa. En el ejemplo del auto claro que hay una fuerza, la de la persona que empuja, pero que sucede con los otros ejemplos. Sobre los cuerpos están actuando muchas fuerzas constantemente como la de gravedad, que es la atracción que ejercen todos los cuerpos sobre los otros; la normal, que es la que evitan que los cuerpos caigan cuando están sobre algo; la de roce, que actúa contra el sentido del movimiento; la de acción y la de reacción. Son estas últimas dos las que son representadas en la tercera ley de Newton. Normalmente en la naturaleza las fuerzas no se presentan solas, sino que en pares como son las fuerzas de acción y reacción.
2. Tercera Ley De Newton
La tercera ley de Newton explica las fuerzas de acción y reacción. Estas fuerzas las ejercen todos los cuerpos que están en contacto con otro, así un libro sobre la mesa ejerce una fuerza de acción sobre la mesa y la mesa una fuerza de reacción sobre el libro. Estas fuerzas son iguales pero contrarias; es decir tienen el mismo modulo y sentido, pero son opuestas en dirección.
Esto significa que siempre en que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro este también ejerce una fuerza sobre él.
Se nombra fuerza de acción a la que es ejercida por el primer cuerpo que origina una fuerza sobre otro, por lo tanto se denomina fuerza de reacción a la es originada por el cuerpo que recibe y reacciona (De allí el nombre) con esta otra fuerza sobre el primer cuerpo.
¿Pero qué pasa cuando ningún cuerpo origino primariamente la fuerza, como en el ejemplo del libro sobre la mesa? Cualquiera puede ser denominada fuerza de acción y obviamente a la otra se le denominará como fuerza de reacción.
Ejemplos
En la siguiente imagen se encuentran cinco ejemplos más de las fuerzas de acción y reacción:
La fuerza que ejerce la bala sobre la pistola y la que ejerce la pistola sobre la bala provocando el disparo de esta.
La fuerza que ejerce el avión sobre el aire, provoca que el aire reaccione sobre el avión provocando el desplazamiento de este.
La fuerza del misil hacia el aire y la del aire sobre el misil provoca el movimiento del misil.
La fuerza que la mano ejerce sobre la mesa y la que esta ejerce de vuelta no da como resultado el movimiento debido a que las fuerzas son muy leves como para provocarlo.
La fuerza que ejerce el remo sobre el muelle no es suficiente como para moverlo pero la fuerza de reacción del muelle si es suficiente como para mover al remo hacia atrás, llevando al hombre hacia atrás, por lo que el bote es arrastrado hacia atrás.
Otros ejemplos:
Al patear una pelota, el pie ejerce una fuerza sobre ésta; pero, al mismo tiempo, puede sentirse una fuerza en dirección contraria ejercida por la pelota sobre el pie.
Si una persona empuja a una pared la pared. La persona ejerce una fuerza sobre la pared y la pared otra fuerza sobre la persona.
Cuando una persona camina empuja hacia atrás el suelo, la reacción del suelo es empujarlo hacia adelante, por lo que se origina un movimiento de la persona hacia adelante. Lo mismo sucede con un auto en movimiento, las ruedas empujan el camino y este la empuja hacia adelante.
Un objeto colgando de una cuerda ejerce una fuerza sobre la cuerda hacia abajo, pero la cuerda ejerce una fuerza sobre este objeto hacia arriba, dando como resultado que el objeto siga colgando y no caiga.
Cohete aeroespacial.
Un cohete espacial es una máquina que, utilizando un motor de combustión, produce la energía cinética necesaria para la expansión de los gases, que son lanzados a través de un tubo propulsor (llamada propulsión a reacción). Por extensión, el vehículo, generalmente espacial, que presenta motor de propulsión de este tipo es denominado cohete o misil. Normalmente, su objetivo es enviar artefactos (especialmente satélites artificiales y sondas espaciales) o naves espaciales y hombres al espacio (véase atmósfera).
Un cohete está formado por una estructura, un motor de propulsión a reacción y una carga útil. La estructura sirve para proteger los tanques de combustible y oxidante y la carga útil. Se llama también cohete al motor de propulsión en sí mismo.
1 Historia
2 Principio de funcionamiento
2.1 Tipos de cohete
3 Aplicaciones
3.1 Uso militar
3.2 Uso civil
4 El futuro
5 Véase también
6 Bibliografía
7 Enlaces externos
Historia
Robert Hutchings Goddard y el primer vuelo de cohete propulsado con combustible líquido (gasolina y oxígeno), lanzado el 16 de marzo de 1926, en Auburn, Massachusetts, Estados Unidos. El origen del cohete es probablemente oriental. La primera noticia que se tiene de su uso es del año 1232, en China, donde fue inventada la pólvora.
Existen relatos del uso de cohetes llamados flechas de fuego voladoras en el siglo XIII, en defensa de la capital de la provincia china de Henan.
Los cohetes fueron introducidos en Europa por los árabes.
Durante los siglos XV y XVI fue utilizado como arma incendiaria. Posteriormente, con el perfeccionamiento de la artillería, el cohete bélico desapareció hasta el siglo XIX, y fue utilizado nuevamente durante las Guerras Napoleónicas.
Los cohetes del coronel inglés William Congreve fueron usados en España durante el sitio de Cádiz (1810), en la primera Guerra Carlista (1833-1840) y durante la guerra de Marruecos (1860).
A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, aparecieron los primeros científicos que convirtieron al cohete en un sistema para impulsar vehículos aeroespaciales tripulados. Entre ellos destacan, el peruano Pedro Paulet, el ruso Konstantín Tsiolkovski, el alemán Hermann Oberth y el estadounidense Robert Hutchings Goddard, y, más tarde los rusos Serguéi Koroliov y Valentin Gruchensko y el alemán Wernher von Braun.
Los cohetes construidos por Goddard, aunque pequeños, ya tenían todos los principios de los modernos cohetes, como orientación por giroscopios, por ejemplo.
Lanzamiento de un cohete Bumper 2 por los EE.UU. en julio de 1950 en Cabo Cañaveral. Este cohete era un V-2 adaptado.
Los alemanes, liderados por Wernher von Braun, desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial los cohetes V-1 y V-2 (A-4 en la terminología alemana), que fueron la base para las investigaciones sobre cohetes de los EE.UU. y de la URSS en la posguerra. Ambas bombas nazis, usadas para bombardear Londres a finales de la guerra, pueden ser definidas como misiles. Realmente, el V-1 no llega a ser un cohete, sino un misil que vuela como un avión de propulsión a chorro.
Cohete Saturno V siendo lanzado.
Inicialmente se desarrollaron cohetes específicamente destinados para uso militar, normalmente conocidos como misiles balísticos intercontinentales. Los programas espaciales que los estadounidenses y los rusos pusieron en marcha se basaron en cohetes proyectados con finalidades propias para la astronáutica, derivados de estos cohetes de uso militar. Particularmente los cohetes usados en el programa espacial soviético eran derivados del R.7, misil balístico, que acabó siendo usado para lanzar las misiones Sputnik.
Destacan, por el lado estadounidense, el Astrobee, el Vanguard, el Redstone, el Atlas, el Agena, el Thor-Agena, el Atlas-Centauro, la serie Delta, los Titanes y Saturno (entre los cuales el Saturno V - el mayor cohete de todos los tiempos, que hizo posible el programa Apollo), y, por el lado soviético, los cohetes designados por las letras A, B, C, D y G (estos dos últimos tuvieron un papel semejante a los Saturno estadounidenses), denominados Protón.
Otros países que han construido cohetes, en el marco de un programa espacial propio, son Francia, Gran Bretaña (que lo abandonó), Japón, China, Argentina, Brasil y la India, así como el consorcio europeo que constituyó la Agencia Espacial Europea (ESA), que ha construido y explotado el cohete lanzador Ariane.
Principio de funcionamiento
Motor de cohete.
Principio de funcionamiento del motor de cohete: los gases expelidos por la abertura provocan un movimiento hacia arriba por reacción.
El principio de funcionamiento del motor de cohete se basa en la tercera ley de Newton, la ley de la acción y reacción, que dice que "a toda acción le corresponde una reacción, con la misma intensidad, misma dirección y sentido contrario".
Imaginemos una cámara cerrada donde exista un gas en combustión. La quema del gas producirá presión en todas las direcciones. La cámara no se moverá en ninguna dirección pues las fuerzas en las paredes opuestas de la cámara se anularán.
Si practicáramos una abertura en la cámara, donde los gases puedan escapar, habrá un desequilibrio. La presión ejercida en las paredes laterales opuestas continuará sin producir fuerza, pues la presión de un lado anulará a la del otro. Ya la presión ejercida en la parte superior de la cámara producirá empuje, pues no hay presión en el lado de abajo (donde está la abertura).
Diagrama en corte del cohete Saturno IB.
Así, el cohete se desplazará hacia arriba por reacción a la presión ejercida por los gases en combustión en la cámara de combustión del motor. Por esto, este tipo de motor es llamado de propulsión a reacción.
Como en el espacio exterior no hay oxígeno para quemar el combustible, el cohete debe llevar almacenado en tanques no sólo el combustible (carburante), sino también el oxidante (comburente).
La magnitud del empuje producido (expresión que designa la fuerza producida por el motor de cohete) depende de la masa y de la velocidad de los gases expelidos por la abertura. Luego, cuanto mayor sea la temperatura de los gases expelidos, mayor será el empuje. Así, surge el problema de proteger la cámara de combustión y la abertura de las altas temperaturas producidas por la combustión. Una manera ingeniosa de hacer esto es cubrir las paredes del motor con un fino chorro del propio propelente usado por el cohete para formar un aislante térmico y refrigerar el motor.
Tipos de cohete
Astrobee: cohete estadounidense.
En cuanto al tipo de combustible usado, existen dos tipos de cohete:
Cohete de combustible líquido - en que el propelente y el oxidante están almacenados en tanques fuera de la cámara de combustión y son bombeados y mezclados en la cámara donde entran en combustión;
Cohete de combustible sólido - en que ambos, propelente y oxidante, están ya mezclados en la cámara de combustión en estado sólido.
En cuanto al número de fases, un cohete puede ser:
Cohete de una fase - en este caso el cohete es "monolítico";
Cohete de múltiples fases - posee múltiples fases que van entrando en combustión secuencialmente y van siendo descartados cuando el combustible se agota, permitiendo aumentar la capacidad de carga del cohete.
Aplicaciones
La importancia de los cohetes como vehículos radica en dos características:
Su capacidad de alcanzar grandes velocidades y aceleraciones.
Su capacidad de funcionar en el vacío.
La primera de estas características es la que ha promovido su uso histórico en el campo militar y en los espectáculos pirotécnicos, la segunda no ha sido significativa hasta la aparición de la astronáutica en la década de 1950.
Uso militar
Misil antiaéreo de fabricación rusa.
El cohete constituye un medio capaz de transportar una carga útil a grandes velocidades de un punto a otro. Como arma, un cohete puede transportar un explosivo (convencional o nuclear) a grandes distancias en un tiempo lo bastante corto como para tomar al enemigo por sorpresa. El cohete presenta otras ventajas con respecto a los proyectiles: tiene un radio de acción más grande y su trayectoria puede ser controlada.
Existen cohetes militares (también nombrados misiles) de muy variado tamaño, potencia y radio de acción. Los pequeños pueden ser lanzados directamente por los soldados o desde vehículos en movimiento, y suelen ser utilizados para atacar las aeronaves del enemigo. La capacidad de controlar su vuelo también les permite ser usados para atacar objetivos fijos con bastante precisión.
Los misiles de gran tamaño pueden llegar a tener un radio de acción de miles de kilómetros y se utilizan para bombardear las instalaciones introducidas en territorio enemigo sin necesidad de enviar tropas o aviones. Su gran velocidad también dificulta la intercepción. De especial atención son los misiles balísticos intercontinentales (ICBM en terminología inglesa). Estos cohetes tienen un radio de acción de decenas de miles de kilómetros y siguen una trayectoria balística que los lleva, efectivamente, fuera de la atmósfera terrestre. Armados con explosivos nucleares constituyen un medio de disuasión importante, ya que permiten atacar el corazón de la nación enemiga por muy lejos que esté, sin que ésta disponga de ninguno medio para impedir su llegada.
Uso civil
Fuera del campo militar, el uso más importante de los cohetes es el de lanzar objetos al espacio exterior, normalmente poniéndolos en órbita en torno a la Tierra. Para este objetivo, el cohete es el único medio disponible. Por una parte, son los únicos vehículos capaces de alcanzar la velocidad necesaria para esta aplicación, y de la otra sólo el cohete es capaz de propulsarse en el vacío del espacio. Los otros vehículos necesitan un medio material sobre el que desplazarse, o bien obtienen algún elemento esencial para su funcionamiento del medio.
Sin embargo, el cohete no deja de ser un medio ineficaz de lanzar objetos al espacio. Debido a su propia naturaleza el cohete habrá siempre de ser mucho mayor que el objeto que tiene que transportar, y eso quiere decir que en un lanzamiento la mayor parte de la energía será utilizada para acelerar el propio cohete y no su carga útil. Por ejemplo, un cohete Ariane 5 cargado de combustible pesa en torno a 750 toneladas, de las cuales sólo 20 pueden ser efectivamente puestas en órbita. Sin embargo, no existen alternativas en el cohete ni a corto ni a largo plazo para esta aplicación.
Otro uso ligeramente diferente de los cohetes se encuentra en los estudios de micro gravedad. Un cohete puede poner un objeto en una trayectoria balística fuera de la atmósfera, donde no será sometido a la fuerza de rozamiento del aire y estará, pues, en una situación de caída libre, equivalente a la ausencia de gravedad para muchos fenómenos físicos.
En razón del creciente desarrollo y la alta tecnología que involucra, no puede dejarse de lado la cohetería vocacional, conocida también cohetería amateur.
El futuro
Una nube de escape engulle la plataforma de lanzamiento 39A en el Centro Kennedy de la NASA en Florida, el transbordador espacial Endeavour despega hacia el cielo nocturno.
El cohete convencional deberá pasar por algunos avances en los próximos años, aunque aún será el mayor responsable, por mucho tiempo, del envío de astronautas y satélites artificiales al espacio.
La adopción de vehículos reutilizables, como el transbordador espacial, de la NASA, debe ampliarse. Los transbordadores espaciales despegan como un cohete convencional, pero aterrizan como aviones, gracias su aerodinámica especial.
Un motor revolucionario, que puede hacer avanzar la tecnología astronáutica, es el motor Scramjet, capaz de alcanzar velocidades hipersónicas de hasta 15 veces la velocidad del sonido. El motor Scramjet no posee partes móviles, y obtiene la compresión necesaria para la combustión por el aire que entra de frente, impulsado por la propia velocidad del vehículo en el aire. La NASA probó con éxito un motor de este tipo en 2004. El cohete, llamado X-43A, fue llevado a una altitud de 12 000 m por un avión B-52, y lanzado de un cohete Pegasus a una altitud de 33 000 m. Alcanzó la velocidad récord de 11 000 km/h.
Otra posibilidad de adelanto en la tecnología de motores de cohetes es el uso de propulsión nuclear, en que un reactor nuclear calienta un gas produciendo un chorro que se usa para producir empuje. O la idea de construir un cohete en forma de vela, impulsado por la presión de radiación solar, lo que permitiría viajes interplanetarios a distancias mayores.