Gaya dorong versus berat

Roket yang berada di landasan memiliki dua gaya utama: gaya dorong T yang mendorongnya ke atas, dan berat W = m g yang menariknya ke bawah (g = 9,81 m/s² di Bumi). Hukum kedua Newton menyatakan bahwa gaya total membuatnya mengalami percepatan:

a = (T − W) / m = T/m − g

Jika T < W, roket tetap berada di landasan, sekuat apa pun suara mesinnya. Jika T = W, percepatannya nol: roket bisa melayang, jika gaya dorongnya tetap sama persis dengan beratnya. Hanya ketika T lebih besar daripada W roket akan naik.

Para insinyur membandingkan keduanya dengan rasio gaya dorong terhadap berat:

T/W = T / (m g)

Percepatan kemudian dapat ditulis sebagai a = (T/W − 1) × g. Roket dengan T/W = 1.5 mengalami percepatan sebesar 0.5 g, sekitar 4.9 m/s², pada awal penerbangan. Roket dengan T/W = 40 mengalami percepatan sebesar 39 g.

Roket botol dari pelajaran sebelumnya adalah contoh yang bagus. Gaya dorong awalnya sekitar 300 N. Dengan sekitar 0.66 litres air (0,66 kg) dan massa kosong 0,1 kg, massanya sekitar 0.76 kg dan beratnya 0,76 × 9,81 ≈ 7,5 N. Jadi T/W ≈ 40 dan botol mengalami percepatan sekitar 390 m/s², hampir 40 g. Dorongan air hanya berlangsung jauh kurang dari sepersepuluh detik, sehingga botol akhirnya bergerak dengan kecepatan puluhan metres per second, lalu meluncur.

Kendaraan peluncur sungguhan justru sebaliknya. Saturn V yang membawa para astronaut ke Bulan memiliki gaya dorong saat lepas landas sekitar 34 meganewtons dan massa saat lepas landas sekitar 2,9 hingga 3,0 million kg. Beratnya sekitar 2.9 × 10⁷ N, jadi T/W hanya sekitar 1,2. Roket itu naik perlahan pada awalnya, dengan percepatan sekitar 0.2 g. Namun gaya dorongnya berlangsung selama minutes, bukan sepersekian detik, dan saat propelan terbakar, massanya berkurang sehingga percepatannya meningkat.

Roket botol adalah dorongan singkat yang kuat. Saturn V adalah dorongan panjang dan stabil. Keduanya mengikuti aturan yang sama: a = T/m − g.