Perchè si muovono i razzi

In questa pagina ho intenzione di spiegare perchè si muovono i razzi e farò questo attraverso un percorso specifico tra le branche della fisica che ci aiutano a capire questi oggetti. Infatti si parte dalle leggi base della dinamica e poi le quantità di moto: attraverso esempi cercherò di farvi capire non solo il missile ma pure le leggi fisiche che li governano.

PREMESSA: se siete allergici a formule e fisica...nulla vi vieta di passare direttamente a Come Funzionano i Razzi ad Acqua. Personalmente vi posso dire che ho spiegato le cose ai minimi termini e con molti esempi:non spaventatevi dalla lunghezza del testo. Ma vi avviso: per calcolare le prestazioni dei razzi o migliorarli, queste nozioni sono FONDAMENTALI...adesso fate voi :)

Cominciamo:

 Tra le tante branche della fisica c'è ne una che si pone questo genere di domande:

quale sarà il moto di un corpo soggetto a forze?

questa è la DINAMICA. La dinamica non si interroga affatto sull'origine delle forze ma si preoccupa di prevederne i solo risultati:ad esempio Galileo scoprì correttamente tutte le proprietà del moto di un corpo in caduta libera dall'alto(grave) ma non spiegò affatto l origine della gravità.

Sulla dinamica dei corpi ci si dedicarono pienamente un certo signor Galileo Galilei appunto(fondatore del ragionamento scientifico moderno,dell'astronomia,della relatività dei sistemi...)e anche un certo Isaac Newton(lui ad esempio risolse il problema dell'accelerazione di gravità,fece importanti scoperte sulla luce,sull'ottica-costruendo un telescopio ancora oggi in gran uso...). Questi hanno dato le basi per stabilirne le leggi fondamentali chiamate:

Leggi fondamentali della dinamica

1°Principio della dinamica o legge d'inerzia:

Ogni corpo non soggetto a forze persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme(rispetto al sistema di riferimento)

Che vuol dire?vuol dire tante cose. Ad esempio che se non tocchiamo una palla questa non si muoverà mai per i fatti suoi,ma solo se una forza interviene su di essa. Ma se la nostra palla viene spinta da forze opposte uguali,quindi in equilibrio, non si muoverà lo stesso.

Nella seconda parte del principio si parla di moto rettilineo uniforme... che è? E' soltanto una fila di paroloni per definire il moto di un corpo che si muove con la stessa velocità(uniforme) e con una traiettoria rettilinea(un automobilista con il gas bloccato ai 100Km/h in autostrada e coi freni rotti). E cosa centra nel 1° principio?Ci spiega che i corpi acquistano velocità e direzione,in base alla forza che ricevono:(in assenza di attrito) il corpo conserva velocità e direzione della forza.

Ovvero:la nostra palla anche se non c'è più il piede che la calcia,continua a viaggiare lo stesso... (vero o no?!)... per qualche decina di metri sulla terra:perchè l aria fa da attrito...sarebbe all'"infinito" nello spazio:non c'è aria ma ci penserebbe la gravità delle stelle a fermarla dopo qualche milione di anni :D... La legge ovviamente dice che se nessun altro da altri calci alla palla,quella continua per la sua strada,pertanto se la palla ha cambiato velocità o direzione,significa che è intervenuta una forza esterna.

Tutto questo introduce un altra cosa, fra l altro importantissima per i nostri missili:

l'inerzia

Presente cos'è l inerzia?E' quella cosa che vi fa andare avanti quando frenate col motorino, che fa volare per aria gli stuntman dei film quando si schiantano con le moto, che vi fa cadere nell'autobus quando frena ed è quella cosa che vi fa volare dal vetro se non tenete le cinture di sicurezza... Perchè?Quando voi salite su un mezzo capace di acquisire velocità,entrate a far parte di un sistema:ovvero un luogo a parte con velocità e direzione propri dove nessun altra forza può interferire.

Ma una cosetta che dovete capire è che se voi ci fate parte lo dovete soltanto all'attrito che il vostro fondo schiena fa sul sedile: il sedile non è messo per farvi stare comodi ma per permettervi di diventare tutt'uno col sistema(automobile ad esempio). Provate a salire in auto o in motorino e a mettere una pallina sul tettuccio o sul sedile... date una sgasata... dov'è la pallina?Precisamente li dove era prima,rispetto al terreno,ma rispetto al motorino si trova tutto da un altra parte. Questo perchè appunto la pallina,capace di scivolare facilmente, tende a mantenere il suo stato di quiete nel punto in cui era. Noi invece ,tramite il sedile,diventiamo tutt'uno con lauto e con essa ne acquistiamo la sua velocità(come se avessimo una serie continua di calci).

Ma quando l auto si ferma? Il nostro corpo persevera nel suo stato di moto rettilineo uniforme quindi,rispetto all'auto ferma voliamo in avanti. Esperimento in auto:a fianco al sedile dell'autista(legato con le cinture) mettete una pallina,raggiungete una certa velocità(da limite stradale grazie)e poi frenate abbastanza bruscamente... guardate come si comporta la pallina.

2°principio:

Ogni forza applicata ad un corpo libero di muoversi,determina in questo un accelerazione,nella direzione e nel verso della forza,direttamente proporzionale all'intensità della forza stessa

E quello che dicevamo prima più o meno:noi abbiamo la nostra palla appoggiata sul terreno,quindi libera di muoversi,e le diamo un gran bel calcio... la palla secondo la 2°legge se ne va con una velocità pari alla forza del calcio,direzione(nord sud ovest est)e verso(avanti indietro) dipendenti da come il piede colpisce la palla. Se ad esempio giocate a biliardo sapete benissimo di cosa sto parlando:ad ogni modo(angolazione),punto in cui colpite la boccetta,assieme alla forza,ottenete un risultato diverso e quasi prevedibile.

Cosa vuol dire però che l accelerazione è direttamente proporzionale alla forza stessa?Che se la fora raddoppia lo fa anche l accelerazione. Allo stesso tempo però otteniamo un altro risultato(interessante nei missili): che un corpo in movimento ha forza... quanta?

FORZA= M * A

Dove "M"è la massa in Kg dell'corpo e "A" l'accelerazione in metri fratto secondo al quadrato( m/s²). Ovviamente la formula è invertibile,nel senso che se noi conosciamo la forza che applichiamo al corpo e la sua massa possiamo calcolare l accelerazione che avrà:

ACCELERAZIONE=F/M        

o avendo solo forza del corpo e accelerazione troviamo la massa

MASSA=F/A

Queste formule ci saranno utili quando calcoleremo IN MODO APPROSSIMATIVO le prestazioni del nostro missile.

3°principio:

A OGNI AZIONE CORRISPONDE UNA REAZIONE UGUALE E CONTRARIA

Questa legge è la fondamenta sul funzionamento dei missili. Vi spiego:

Vi siete fatti un idea? Si tratta di AZIONE-->REAZIONE ma no a livello del tipo: avvicino il fuoco alla carta e questa brucia... grazie... qui si parla di AZIONI E REAZIONI DI FORZE FISICHE.

Se noi ad esempio diamo il famoso calcio alla palla(ormai l'avremo belle che distrutta sta palla) questa volerà si via ma allo stesso tempo ci ridarà indietro una forza pari e contraria alla nostra. Anche se diamo un pugno!Perchè ci si spacca la mano?Perchè la faccia del malcapitato ci ridà una forza uguale(non del tutto un po' ne assorbe)e contraria alla nostra,immediatamente.

Ma torniamo al primo esempio... mai sparato?(Fatelo al poligono grazie)sapete cosa succede no?Quando la capsula di innesco esplode,si sviluppa una quantità di gas, il quale spinge/fa partire il proiettile...e il fucile ci sbatte nella spalla. Ma se invece tenete male il fucile questo volerà via all'indietro non senza avervi rotto prima qualche osso. E se sparassimo per terra col fucile appoggiato?Cosa fa oltre che a un gran buco?Per analogia e 3°legge si sposta in direzione contraria del proiettile... volando...

Con questo ovviamente non vi dico di camuffare un fucile da missile e sparare all'impazzata. L esempio lo fatto tanto per avvicinarvi al concetto di azione-reazione e degli effetti che possa avere,perchè il missile funziona più o meno allo stesso modo.

Il principio di funzionamento di un razzo o degli aerei a reazione è identico a quello della velocità di rinculo del fucile. Nel caso di un razzo reale però abbiamo un combustibile chimico,dei gas,che vengono bruciati e poi espulsi.(mentre invece nel fucile i gas spingono il proiettile)

Di conseguenza i gas vengono espulsi con una certa velocità dal missile il quale viaggia con una certa velocità NON UGUALE ma contraria. 

Ma perchè il fucile viaggia con velocità contraria a quella del proiettile ma non uguale?(rendiamo grazie a dio altrimenti a 300m/s addio braccia...) E perchè anche il missile non ha la stessa velocità di uscita del gas?

...Per il differente peso...

Prima di chiedere aiuto alle Quantità di Moto facciamo una considerazione pratica

Abbiamo visto fin ora diversi esempi abbastanza comuni di azione-reazione:

• come la fuoriuscita dei gas dal missile spinga in direzione uguale e contraria il Razzo

• come la partenza del proiettile dalla canna del fucile ci spinga questo contro di noi (rinculo)

• come colpendo un pallone questo altrettanto ci restituisce una forza uguale e contraria

Prendendo il caso del Fucile sappiamo che un proiettile esce con una velocità media di 300m/s, pertanto per il 3°principio il fucile ha una velocità di rinculo di 300m/s?

"cosa ne sò io?" potreste dire... ma applichiamo la 2°Legge e facciamo una botta veloce di conti:

Ipotizzando che il fucile viaggi a 300m/s verso di noi e conoscendo la sua massa(facciamo 6Kg) possiamo calcolare la sua Forza

F=m*a        F=6Kg*300m/s=1800N

Dove"N" sta per Newton che è l'unità di misura della Forza.

1Newton è quella forza capace di imprimere a un corpo avente massa 1Kg,una accelerazione di 1m/s²

1N=1Kg*1m/s²

Ovviamente adesso come adesso non vi dicono nulla 1800N. Ma se io vi dico che se questa forza venisse applicata a voi...

m= 65Kg    F=1800N

F=m*a --->  a=F/m    a=1800N/65Kg=27,69m/s²

...vi darebbe un accelerazione di 27,69m/s²... vi dice ancora poco vero? Ok.Subiamo allora questa accelerazione per 1sec solo...a quanto viaggeremmo?

V= a*t

V= 27,69m/s²*1sec= 27,69 m/s pari a 99,69 Km/h    :D

Beh,penso che ora vi starete domandando o quanto meno vi dovreste chiedere se è possibile che il fucile ci spinga all indietro ad una velocità di 99,69Km/h... diciamo che la cosa non coincide con la pratica, per quanto ne sò io soldati e cacciatori quando sparano,non volano all indietro come auto in corsa :°D

Perciò questo calcolo ci dice già a livello intuitivo che la velocità di rinculo del fucile deve essere minore(ma pur sempre contraria) a quella del proiettile... perchè accade questo?

Ora possiamo andare a piangere dalle

Quantità di moto