Duw achteruit om vooruit te gaan

Een raket beweegt door massa achteruit te werpen. Dat is de hele truc. Alles wat de raket uitstoot (heet gas uit een echte raket, een waterstraal uit een flessenraket) noemen we het uitlaatgas. Wanneer de raket het uitlaatgas achteruit duwt, duwt het uitlaatgas de raket vooruit.

Dit is de derde wet van Newton: wanneer voorwerp A voorwerp B duwt, duwt voorwerp B terug op A met een kracht van gelijke grootte en tegengestelde richting. De twee krachten vormen een paar. Ze werken op verschillende voorwerpen, dus heffen ze elkaar niet op. De duw op het uitlaatgas versnelt het uitlaatgas achteruit; de duw op de raket versnelt de raket vooruit.

Hetzelfde idee kun je uitleggen met impuls, de massa maal de snelheid (p = m v). Als niets van buitenaf het systeem duwt, kan de totale impuls niet veranderen. Een raket en zijn uitlaatgas beginnen in rust, dus hun totale impuls begint bij nul en blijft nul:

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

Het minteken betekent dat de twee snelheden in tegengestelde richtingen wijzen.

Een voorbeeld om over na te denken, zonder raket: een schaatser van 60 kg staat op heel glad ijs en gooit een bal van 3 kg met 10 m/s naar voren. De bal krijgt 3 × 10 = 30 kg·m/s aan impuls, dus de schaatser moet dezelfde hoeveelheid naar achteren krijgen: v = 30 ÷ 60 = 0,5 m/s de andere kant op. Een raket is als deze schaatser die steeds opnieuw een heel kleine bal extreem snel weggooit.

Waartegen duwt de raket? Niet tegen de lucht en niet tegen de grond. Hij duwt tegen zijn eigen uitlaatgas, dat hij met zich meedraagt. Daarom werkt een raket in de lege ruimte, waar niets anders is om zich tegen af te zetten. Eigenlijk werkt hij daar zelfs iets beter, zoals je in Wereld 4 zult zien.

Dat verbaasde sommige mensen vroeger. In 1920 twijfelde een hoofdartikel in een krant eraan dat een raket in de ruimte kon werken, omdat hij “niets had om zich tegen af te zetten”. Diezelfde krant plaatste in juli 1969 een rectificatie, terwijl Apollo 11 onderweg was naar de Maan.