Skyvekraft kontra vekt

En rakett som står på oppskytningsrampen, har to hovedkrefter på seg: skyvekraften T som skyver den opp, og tyngden W = m g som trekker den ned (g = 9,81 m/s² på jorda). Newtons andre lov sier at nettokraften får den til å akselerere:

a = (T − W) / m = T/m − g

Hvis T < W, blir raketten stående på rampen, uansett hvor kraftig motoren høres ut. Hvis T = W, er akselerasjonen null: Raketten kan holde seg svevende hvis skyvekraften forblir nøyaktig lik tyngden. Først når T er større enn W, stiger den.

Ingeniører sammenligner de to med forholdet mellom skyvekraft og tyngde:

T/W = T / (m g)

Akselerasjonen kan da skrives som a = (T/W − 1) × g. En rakett med T/W = 1.5 akselererer med 0,5 g, omtrent 4,9 m/s², i starten. En rakett med T/W = 40 akselererer med 39 g.

Vannflaskeraketten fra forrige leksjon er et godt eksempel. Skyvekraften i starten er omtrent 300 N. Med omtrent 0,66 liter vann (0,66 kg) og en tom masse på 0,1 kg er massen omtrent 0,76 kg, og tyngden er 0.76 × 9,81 ≈ 7,5 N. Derfor er T/W ≈ 40, og flasken akselererer med omtrent 390 m/s², nesten 40 g. Vannets skyv varer i godt under et tidels sekund, så flasken ender opp med å bevege seg i titalls meter per sekund, og deretter fortsetter den å bevege seg av seg selv.

Et ekte oppskytingsfartøy er det motsatte. Saturn V, som fraktet astronauter til månen, hadde en skyvekraft ved oppskyting på omtrent 34 meganewtons og en masse ved oppskyting på omtrent 2,9 til 3,0 millioner kg. Tyngden var omtrent 2,9 × 10⁷ N, så T/W var bare omtrent 1,2. Den steg sakte i starten, med en akselerasjon på omtrent 0,2 g. Men skyvekraften varte i minutter, ikke en brøkdel av et sekund, og da drivstoffet ble brent opp, sank massen og akselerasjonen økte.

Vannflaskeraketten får et kort og kraftig dytt. Saturn V får et langt og jevnt skyv. Begge følger den samme regelen: a = T/m − g.