Newton de empuje
Un newton es la fuerza que en un segundo acelera un kilogramo un metro por segundo. Una manzana de unos 100 gramos presiona sobre la palma con una fuerza de un newton. Un motor cohete expulsa cientos de kilogramos de gas por segundo a 3–4 km/s y obtiene un empuje de millones de newtons — meganewtons.
El empuje tiene dos términos: la cantidad de movimiento del chorro ṁ·vₑ y la diferencia de presiones en la salida de la tobera. Por eso el mismo motor empuja menos a nivel del suelo que en el vacío, y la forma de la tobera decide dónde funciona mejor. Un cohete despega solo si el empuje supera al peso; su cociente es la relación empuje/peso.
| Notación | N · kN · MN |
| Definición | 1 N = 1 kg·m/s² — por la segunda ley de Newton F = ma |
| Empuje | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Unidades antiguas | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Despegue | relación empuje/peso F / mg mayor que 1 · en cohetes al despegar 1,2–1,6 |
| Valores típicos | manzana — 1 N · motor de avión — cientos de kN · motor de propulsante líquido — unos 2 MN · cohete pesado — 30–70 MN |
01 · Definición
Fuerza, cantidad de movimiento del chorro y presión de salida
Segunda ley de Newton: la fuerza es igual a la masa por la aceleración. Un newton es la fuerza con la que un kilogramo recibe una aceleración de 1 m/s². Un motor se impulsa contra su propio chorro: cada segundo expulsa una masa ṁ a velocidad vₑ y recibe una fuerza ṁ·vₑ — por la tercera ley.
El segundo término es la presión. Si el gas en la salida de la tobera presiona más que el aire, todavía empuja; si menos, el aire comprime el chorro y le quita empuje. Una tobera larga acelera más el gas y funciona bien en el vacío, pero pierde a nivel del suelo. Una corta, al revés. El impulso específico Isp es el empuje por el peso de propulsante consumido por segundo, en segundos: cuanto más alto, más económico es el motor.
Cuántos newtons hacen falta para despegar
Elija qué levantar y ajuste el empuje — la escala es logarítmica, de 0,1 N a 100 MN. El peso es la fuerza de gravedad mg. Se despega cuando el empuje es mayor que el peso.
Taller: construya un cohete con piezas
El cohete está en la nave de montaje. Cada pieza cambia la masa, la resistencia del aire y el empuje: la cofia, la forma de la punta; el fuselaje, el diámetro de los tanques y cuántos motores caben; las aletas, la estabilidad en el max-Q; el motor y la tobera, el empuje y el impulso específico. La última pieza cambiada aparece resaltada. A la derecha, la masa por partes, la relación empuje/peso y la reserva de Δv. Cuando el cohete esté listo — «A la plataforma».
Construya un cohete — y vea si despega
El cohete se monta en el taller de arriba: cofia, fuselaje, aletas, motores, tobera, propulsante y carga útil. A la mesa sale lo que se ha montado. La acción principal es «Lanzar»: cuenta atrás, encendido, despegue, barrera del sonido, presión dinámica máxima, apagado de motores y vuelo por inercia hasta el punto más alto. En el taller se puede añadir una segunda etapa y activar «Giro hacia la órbita»: tras el despegue el cohete se inclina hacia el horizonte, la primera etapa se separa, la segunda gana unos 7,8 km/s en horizontal — y si el perigeo queda por encima de 160 km, el cohete está en órbita. Sin giro el vuelo es vertical, como el de un cohete sonda. Los primeros segundos pasan despacio, después el vuelo se acelera; el deslizador bajo la escena lo rebobina. A la derecha, la tobera en corte: presión de salida frente a presión exterior, de ellas dependen la forma del chorro y el empuje.
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02 · Conversión
| {n} | {v} | {note} |
Cálculo rápido: una tonelada-fuerza son casi 10 kN, cien toneladas de empuje, cerca de 1 MN. Con más precisión, multiplicar por 9,807.
Los motores estadounidenses se describen a menudo en libras-fuerza: un millón de lbf son 4,45 MN.
03 · Órdenes de magnitud
04 · Instrumentos de medida
05 · Reglas de escritura
06 · Unidades vecinas
07 · Sección histórica
El newton es una unidad derivada del SI: kilogramo, metro y segundo. Desde 2019 el kilogramo se define mediante la constante de Planck, y el newton se apoya también en ella. Los patrones de fuerza son máquinas que cargan un sensor con pesas conocidas en un campo gravitatorio conocido; las mayores alcanzan varios meganewtons.
El empuje de un motor cohete no es una constante de catálogo. Depende de la presión exterior, por eso las especificaciones dan dos cifras: al nivel del mar y en el vacío. Los manuales antiguos daban el empuje en toneladas-fuerza; según la GOST 8.417 es una unidad ajena al sistema, que se convierte a newtons multiplicando por 9 807.
Catálogo de magnitudes
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Una gota de ácido cambia el color del jugo, la sal tiñe la llama, el agua se congela con un golpe. Debajo, todas las fichas de Simetrium, por disciplina y por orden alfabético.
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