ผลักกลับเพื่อพุ่งไปข้างหน้า

จรวดเคลื่อนที่โดย ขว้างมวลไปด้านหลัง นั่นคือเคล็ดลับทั้งหมด สิ่งที่จรวดปล่อยออกมา (แก๊สร้อนจากจรวดจริง หรือลำน้ำจากจรวดขวด) เรียกว่า ไอเสีย เมื่อจรวดผลักไอเสียไปด้านหลัง ไอเสียก็จะผลักจรวดไปข้างหน้า

นี่คือ กฎข้อที่สามของนิวตัน: เมื่อวัตถุ A ผลักวัตถุ B วัตถุ B จะผลักกลับไปที่ A ด้วยแรงที่มี ขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้าม แรงทั้งสองเป็นคู่กัน แรงเหล่านี้กระทำต่อ วัตถุคนละชิ้น จึงไม่หักล้างกัน การผลักไอเสียทำให้ไอเสียเร่งไปด้านหลัง ส่วนการผลักจรวดทำให้จรวดเร่งไปด้านหน้า

แนวคิดเดียวกันนี้เขียนด้วย โมเมนตัมได้ โดยโมเมนตัมคือมวลคูณด้วยความเร็ว (p = m v) ถ้าไม่มีแรงจากภายนอกมากระทำต่อระบบ โมเมนตัมรวมของระบบจะเปลี่ยนแปลงไม่ได้ จรวดและไอเสียเริ่มต้นจากหยุดนิ่ง ดังนั้นโมเมนตัมรวมจึงเริ่มต้นที่ศูนย์และยังคงเป็นศูนย์:

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

เครื่องหมายลบบอกว่าความเร็วทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน

ลองนึกภาพตัวอย่างที่ไม่มีจรวดเลย: นักสเก็ตที่มี 60 kg ยืนอยู่บนพื้นน้ำแข็งที่ลื่นมาก แล้วขว้างลูกบอลที่มีมวล 3 kg ไปข้างหน้าด้วยความเร็ว 10 m/s ลูกบอลมีโมเมนตัมเพิ่มขึ้น 3 × 10 = 30 kg·m/s ดังนั้นนักสเก็ตต้องมีโมเมนตัมเพิ่มขึ้นเท่ากันในทิศย้อนกลับ: v = 30 ÷ 60 = 0.5 m/s ไปในทิศตรงข้าม จรวดก็คือนักสเก็ตคนนี้ที่ขว้างลูกบอลขนาดเล็กมากซ้ำแล้วซ้ำอีกด้วยความเร็วสูงสุด ๆ

จรวดผลัก อะไร? ไม่ใช่อากาศ และไม่ใช่พื้น จรวดผลัก ไอเสียของตัวเอง ซึ่งมันพาไปด้วย นี่จึงเป็นเหตุผลที่จรวดทำงานในอวกาศที่ว่างเปล่าได้ ที่ซึ่งไม่มีสิ่งอื่นให้ผลัก อันที่จริง จรวดทำงานได้ดีกว่านั้นเล็กน้อยในอวกาศ ดังที่คุณจะได้เห็นในโลกที่ 4

เรื่องนี้เคยสร้างความประหลาดใจให้คนบางกลุ่ม ในปี 1920 บทบรรณาธิการของหนังสือพิมพ์ฉบับหนึ่งสงสัยว่าจรวดจะทำงานในอวกาศได้อย่างไร เพราะจรวดจะ “ไม่มีอะไรให้ผลัก” หนังสือพิมพ์ฉบับเดิมตีพิมพ์คำแก้ไขในเดือนกรกฎาคม 1969 ขณะที่ Apollo 11 กำลังเดินทางไปดวงจันทร์