Nach hinten drücken, um vorwärts zu kommen

Eine Rakete bewegt sich, indem sie Masse nach hinten ausstößt. Das ist der ganze Trick. Was auch immer die Rakete ausstößt (heißes Gas aus einer echten Rakete, ein Wasserstrahl aus einer Flaschenrakete), wird Abgas genannt. Wenn die Rakete das Abgas nach hinten drückt, drückt das Abgas die Rakete nach vorn.

Das ist Newtons drittes Gesetz: Wenn Körper A auf Körper B drückt, drückt Körper B mit einer Kraft von gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung auf Körper A zurück. Die beiden Kräfte bilden ein Paar. Sie wirken auf verschiedene Körper und heben sich deshalb nicht gegenseitig auf. Der Druck auf das Abgas beschleunigt das Abgas nach hinten; der Druck auf die Rakete beschleunigt die Rakete nach vorn.

Dieselbe Idee lässt sich mit Impuls beschreiben. Der Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit (p = m v). Wenn nichts von außen auf das System einwirkt, kann sich sein Gesamtimpuls nicht ändern. Eine Rakete und ihr Abgas starten aus dem Stillstand, also beginnt ihr Gesamtimpuls bei null und bleibt null:

m_rocket × v_rocket + m_exhaust × v_exhaust = 0, also m_rocket × v_rocket = −m_exhaust × v_exhaust

Das Minuszeichen zeigt, dass die beiden Geschwindigkeiten in entgegengesetzte Richtungen zeigen.

Ein Gedankenbeispiel ganz ohne Rakete: Eine 60 kg schwere Person steht auf sehr glattem Eis und wirft einen 3 kg schweren Ball mit 10 m/s nach vorn. Der Ball erhält 3 × 10 = 30 kg·m/s Impuls. Also muss die Person denselben Impuls rückwärts erhalten: v = 30 ÷ 60 = 0,5 m/s in die andere Richtung. Eine Rakete ist wie diese Person, die immer wieder einen sehr kleinen Ball mit extrem hoher Geschwindigkeit wegwirft.

Wogegen stößt die Rakete? Nicht gegen die Luft und nicht gegen den Boden. Sie stößt gegen ihr eigenes Abgas, das sie mitführt. Deshalb funktioniert eine Rakete im leeren Raum, wo es nichts anderes gibt, wogegen sie stoßen könnte. Tatsächlich funktioniert sie dort sogar etwas besser, wie du in Welt 4 sehen wirst.

Das war für manche Menschen früher überraschend. 1920 bezweifelte ein Zeitungsartikel, dass eine Rakete im Weltraum funktionieren könne, weil sie dort „nichts hätte, wogegen sie stoßen könnte“. Dieselbe Zeitung veröffentlichte im Juli 1969 eine Korrektur, während Apollo 11 auf dem Weg zum Mond war.