Empuxo versus peso.

Um foguete parado na base de lançamento sofre duas forças principais: o empuxo T, que o empurra para cima, e o peso W = m g, que o puxa para baixo (g = 9,81 m/s² na Terra). A segunda lei de Newton diz que a força resultante faz o foguete acelerar:

a = (T − W) / m = T/m − g

Se T < W, o foguete fica na base, por mais forte que pareça o som do motor. Se T = W, a aceleração é zero: o foguete poderia pairar, se o empuxo permanecesse exatamente igual ao peso. Só quando T é maior que W ele sobe.

Engenheiros comparam os dois usando a razão empuxo-peso:

T/W = T / (m g)

A aceleração pode então ser escrita como a = (T/W − 1) × g. Um foguete com T/W = 1.5 acelera a 0,5 g, cerca de 4,9 m/s², no início. Um com T/W = 40 acelera a 39 g.

O foguete de garrafa da última aula é um bom exemplo. Seu empuxo inicial é de cerca de 300 N. Com cerca de 0,66 litros de água (0,66 kg) e uma massa vazia de 0,1 kg, sua massa é de cerca de 0,76 kg e seu peso é 0,76 × 9,81 ≈ 7,5 N. Então T/W ≈ 40 e a garrafa acelera a cerca de 390 m/s², quase 40 g. O empurrão da água dura bem menos de um décimo de segundo, então a garrafa acaba se movendo a dezenas de metros por segundo e depois segue por inércia.

Um veículo de lançamento real é o oposto. O Saturn V, que levou astronautas à Lua, tinha um empuxo na decolagem de cerca de 34 meganewtons e uma massa na decolagem de cerca de 2,9 a 3,0 milhões de kg. Seu peso era de cerca de 2,9 × 10⁷ N, então T/W era de apenas cerca de 1,2. Ele subia devagar no início, com uma aceleração de cerca de 0,2 g. Mas o empuxo continuava por minutos, não por uma fração de segundo, e, conforme o propelente era consumido, a massa diminuía e a aceleração aumentava.

O foguete de garrafa é um empurrão curto e forte. O Saturn V é um impulso longo e constante. Os dois obedecem à mesma regra: a = T/m − g.