Newton de empuxo
Um newton é a força que, num segundo, acelera um quilograma em um metro por segundo. Uma maçã de cerca de 100 gramas pressiona a palma da mão com uma força de um newton. Um motor-foguete expele centenas de quilogramas de gás por segundo a 3–4 km/s e obtém um empuxo de milhões de newtons — meganewtons.
O empuxo tem duas parcelas: a quantidade de movimento do jato ṁ·vₑ e a diferença de pressões na saída da tubeira. Por isso o mesmo motor puxa menos junto ao solo do que no vácuo, e a forma da tubeira decide onde funciona melhor. Um foguetão só descola se o empuxo for maior do que o peso; a razão entre eles é a razão empuxo/peso.
| Notação | N · kN · MN |
| Definição | 1 N = 1 kg·m/s² — pela segunda lei de Newton F = ma |
| Empuxo | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Unidades antigas | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Descolagem | razão empuxo/peso F / mg maior do que 1 · nos foguetões à partida 1,2–1,6 |
| Valores típicos | maçã — 1 N · motor de avião — centenas de kN · motor de propelente líquido — cerca de 2 MN · foguetão pesado — 30–70 MN |
01 · Definição
Força, quantidade de movimento do jato e pressão de saída
Segunda lei de Newton: a força é igual à massa vezes a aceleração. Um newton é a força com que um quilograma recebe uma aceleração de 1 m/s². Um motor apoia-se no próprio jato: a cada segundo expele uma massa ṁ à velocidade vₑ e recebe uma força ṁ·vₑ — pela terceira lei.
A segunda parcela é a pressão. Se o gás na saída da tubeira pressiona mais do que o ar, ainda empurra; se pressiona menos, o ar comprime o jato e tira empuxo. Uma tubeira longa acelera mais o gás e funciona bem no vácuo, mas perde junto ao solo. Uma curta, ao contrário. O impulso específico Isp é o empuxo pelo peso de propelente consumido por segundo, em segundos: quanto mais alto, mais económico é o motor.
Quantos newtons são precisos para descolar
Escolha o que levantar e ajuste o empuxo — a escala é logarítmica, de 0,1 N a 100 MN. O peso é a força da gravidade mg. Descola-se quando o empuxo é maior do que o peso.
Oficina: monte um foguetão com peças
O foguetão está no hangar de montagem. Cada peça muda a massa, a resistência do ar e o empuxo: a coifa, a forma da ponta; a fuselagem, o diâmetro dos tanques e quantos motores cabem; as aletas, a estabilidade no max-Q; o motor e a tubeira, o empuxo e o impulso específico. A última peça alterada fica realçada. À direita, a massa por partes, a razão empuxo/peso e a reserva de Δv. Quando o foguetão estiver pronto — «Para a plataforma».
Monte um foguetão — e veja se descola
O foguetão monta-se na oficina acima: coifa, fuselagem, aletas, motores, tubeira, propelente e carga útil. Para a mesa sai o que foi montado. A ação principal é «Lançar»: contagem decrescente, ignição, descolagem, barreira do som, pressão dinâmica máxima, corte dos motores e voo por inércia até ao ponto mais alto. Na oficina pode juntar um segundo andar e ativar «Viragem para a órbita»: após a descolagem, o foguetão inclina-se para o horizonte, o primeiro andar separa-se, o segundo ganha cerca de 7,8 km/s na horizontal — e se o perigeu ficar acima de 160 km, o foguetão está em órbita. Sem viragem o voo é vertical, como o de um foguete de sondagem. Os primeiros segundos correm devagar, depois o voo é acelerado; o cursor por baixo da cena rebobina-o. À direita, a tubeira em corte: pressão de saída contra pressão exterior, das quais dependem a forma do jato e o empuxo.
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02 · Conversão
| {n} | {v} | {note} |
Conta rápida: uma tonelada-força são quase 10 kN, cem toneladas de empuxo são cerca de 1 MN. Com mais precisão, multiplicar por 9,807.
Os motores americanos são muitas vezes descritos em libras-força: um milhão de lbf são 4,45 MN.
03 · Ordens de grandeza
04 · Instrumentos de medição
05 · Regras de escrita
06 · Unidades vizinhas
07 · Secção histórica
O newton é uma unidade derivada do SI: quilograma, metro e segundo. Desde 2019 o quilograma é definido através da constante de Planck, e o newton também se apoia nela. Os padrões de força são máquinas que carregam um sensor com massas conhecidas num campo gravítico conhecido; as maiores chegam a vários meganewtons.
O empuxo de um motor-foguete não é uma constante de catálogo. Depende da pressão exterior, por isso as especificações dão dois valores: ao nível do mar e no vácuo. Os manuais antigos davam o empuxo em toneladas-força; segundo a GOST 8.417 é uma unidade fora do sistema, convertida em newtons multiplicando por 9 807.
Catálogo de grandezas
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Uma gota de ácido muda a cor do sumo, o sal tinge a chama, a água congela com uma pancada. Por baixo, todas as fichas do Simetrium, por disciplina e por ordem alfabética.
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