Newton di spinta
Un newton è la forza che in un secondo porta un chilogrammo a un metro al secondo. Una mela di circa 100 grammi preme sul palmo con la forza di un newton. Un motore a razzo espelle centinaia di chilogrammi di gas al secondo a 3–4 km/s e ottiene una spinta di milioni di newton: meganewton.
La spinta ha due termini: la quantità di moto del getto ṁ·vₑ e la differenza di pressione all'uscita dell'ugello. Per questo lo stesso motore spinge meno al suolo che nel vuoto, e la forma dell'ugello decide dove rende meglio. Il razzo decolla solo se la spinta supera il peso; il loro rapporto è il rapporto spinta/peso.
| Notazione | N · kN · MN |
| Definizione | 1 N = 1 kg·m/s² — dal secondo principio di Newton F = ma |
| Spinta | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Vecchie unità | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Decollo | rapporto spinta/peso F / mg maggiore di 1 · per i razzi al decollo 1,2–1,6 |
| Valori tipici | mela — 1 N · motore d'aereo — centinaia di kN · motore a liquido — circa 2 MN · razzo pesante — 30–70 MN |
01 · Definizione
Forza, quantità di moto del getto e pressione all'uscita
Secondo principio di Newton: la forza è uguale alla massa per l'accelerazione. Un newton è la forza che dà a un chilogrammo un'accelerazione di 1 m/s². Il motore spinge contro il proprio getto: ogni secondo espelle una massa ṁ alla velocità vₑ e riceve una forza ṁ·vₑ, per il terzo principio.
Il secondo termine è la pressione. Se all'uscita dell'ugello il gas preme più dell'aria, spinge ancora; se preme meno, l'aria comprime il getto e toglie spinta. Un ugello lungo accelera di più il gas e funziona bene nel vuoto, ma al suolo perde. Uno corto, il contrario. L'impulso specifico Isp è la spinta per peso di propellente consumato al secondo, in secondi: più è alto, più il motore è economico.
Quanti newton servono per decollare
Scegliete che cosa sollevare e impostate la spinta: la scala è logaritmica, da 0,1 N a 100 MN. Il peso è la forza di gravità mg. Si decolla quando la spinta supera il peso.
Officina: costruite un razzo con i pezzi
Il razzo è nel capannone di assemblaggio. Ogni pezzo cambia massa, resistenza aerodinamica e spinta: l'ogiva la forma del muso, la fusoliera il diametro dei serbatoi e quanti motori ci stanno, gli impennaggi la stabilità a max-Q, il motore e l'ugello la spinta e l'impulso specifico. L'ultimo pezzo cambiato è evidenziato. A destra: massa per parti, rapporto spinta/peso e riserva di velocità. Quando il razzo è pronto: «Porta sulla rampa».
Costruite un razzo e guardate se decolla
Il razzo si costruisce nell'officina qui sopra: ogiva, fusoliera, impennaggi, motori, ugello, propellente e carico. Sulla rampa arriva ciò che è stato assemblato. L'azione principale è «Lancio»: conto alla rovescia, accensione, distacco, barriera del suono, massima pressione dinamica, spegnimento dei motori e volo balistico fino al punto più alto. In officina si può aggiungere un secondo stadio e attivare «Virata verso l'orbita»: dopo il decollo il razzo si inclina verso l'orizzonte, il primo stadio si separa, il secondo accumula circa 7,8 km/s in orizzontale e, se il perigeo supera i 160 km, il razzo è in orbita. Senza virata il volo è verticale, come quello di un razzo sonda. I primi secondi scorrono lentamente, poi il volo è accelerato; il cursore sotto la scena lo riavvolge. A destra, l'ugello in sezione: pressione all'uscita contro pressione esterna, da cui dipendono la forma del getto e la spinta.
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02 · Conversione
| {n} | {v} | {note} |
Conto rapido: una tonnellata-forza è quasi 10 kN, cento tonnellate di spinta circa 1 MN. Più precisamente: moltiplicare per 9,807.
I motori americani si descrivono spesso in libbre-forza: un milione di lbf sono 4,45 MN.
03 · Ordini di grandezza
04 · Strumenti di misura
05 · Regole di scrittura
06 · Unità vicine
07 · Sezione storica
Il newton è un'unità derivata del SI: chilogrammo, metro e secondo. Dal 2019 il chilogrammo è definito tramite la costante di Planck, e il newton si basa sulla stessa costante. I campioni di forza sono macchine che caricano il sensore con masse note in un campo di gravità noto; le più grandi arrivano a diversi meganewton.
La spinta di un motore a razzo non è una costante di targa. Dipende dalla pressione esterna, perciò nelle caratteristiche si danno due cifre: al livello del mare e nel vuoto. I vecchi manuali davano la spinta in tonnellate-forza; secondo il GOST 8.417 è un'unità fuori sistema, che si converte in newton moltiplicando per 9 807.
Catalogo delle grandezze
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