İtki ve ağırlık

Fırlatma rampasında duran bir rokete etki eden iki ana kuvvet vardır: onu yukarı iten itki T ve aşağı çeken ağırlık W = m g (Dünya'da g = 9,81 m/s²). Newton'un ikinci yasasına göre net kuvvet, roketin ivmelenmesini sağlar:

a = (T − W) / m = T/m − g

T < W ise motorun sesi ne kadar güçlü olursa olsun roket rampada kalır. T = W ise ivme sıfırdır: itki ağırlığa tam olarak eşit kalırsa roket havada asılı durabilir. Yalnızca T, W'den büyük olduğunda roket yükselir.

Mühendisler bu ikisini itki-ağırlık oranı ile karşılaştırır:

T/W = T / (m g)

İvme daha sonra a = (T/W − 1) × g şeklinde yazılabilir. T/W = 1.5 olan bir roket başlangıçta 0,5 g, yani yaklaşık 4,9 m/s² ivmeyle hızlanır. T/W = 40 olan bir roket ise 39 g ivmeyle hızlanır.

Önceki dersteki şişe roketi buna iyi bir örnektir. Başlangıç itkisi yaklaşık 300 N'dur. Yaklaşık 0,66 litres su (0,66 kg) ve 0,1 kg boş kütle ile kütlesi yaklaşık 0,76 kg, ağırlığı ise 0,76 × 9,81 ≈ 7,5 N'dur. Dolayısıyla T/W ≈ 40 olur ve şişe yaklaşık 390 m/s² ivmeyle, yani neredeyse 40 g ile hızlanır. Suyun itmesi saniyenin onda birinden çok daha kısa sürer; bu yüzden şişe saniyede onlarca metre hıza ulaşır ve sonra süzülerek ilerler.

Gerçek bir fırlatma aracı bunun tam tersidir. Astronotları Ay'a gönderen Saturn V'nin kalkış itkisi yaklaşık 34 meganewtons, kalkış kütlesi ise yaklaşık 2,9 to 3,0 million kg idi. Ağırlığı yaklaşık 2,9 × 10⁷ N olduğundan T/W yalnızca yaklaşık 1,2 idi. Başlangıçta yavaşça yükseldi ve yaklaşık 0,2 g ivmeyle hızlandı. Ancak itki saniyenin küçük bir bölümü boyunca değil, dakikalarca devam etti; yakıt tükendikçe kütle azaldı ve ivme arttı.

Şişe roketi kısa ve sert bir itiştir. Saturn V ise uzun süre devam eden, sabit bir itiştir. İkisi de aynı kurala uyar: a = T/m − g.