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Come funziona un razzo

Il primo razzo a propellente liquido volò per due secondi e mezzo e raggiunse circa 12.5 m di altezza.

Il motore espelle il gas verso il basso (freccia inferiore); il gas spinge il razzo verso l'alto con una forza uguale (freccia superiore). Non serve appoggiarsi all'aria o al terreno.

Spingi via qualcosa e ricevi una spinta in senso opposto

Mettiti su uno skateboard e lancia in avanti una palla pesante: ti muovi all'indietro. Lascia andare un palloncino gonfio e lo vedrai schizzare via mentre l'aria esce dal collo. In entrambi i casi agisce il terzo principio della dinamica di Newton: quando un corpo ne spinge un altro, il secondo spinge il primo con una forza uguale e di verso opposto. Il motore di un razzo brucia propellente per produrre una grande quantità di gas caldo e lo espelle dall'ugello ad alta velocità. Il razzo spinge il gas all'indietro e il gas spinge il razzo in avanti.

Un errore comune è pensare che i gas di scarico debbano spingere contro l'aria. Non è così. La spinta nasce all'interno del motore, tra il razzo e il suo gas. Per questo i razzi funzionano ancora meglio nel vuoto dello spazio, dove l'aria non ostacola il moto. La grandezza che conta è la quantità di moto, il prodotto della massa per la velocità. Se il motore espelle 1 kg di gas a 3000 m/s, il razzo acquista 3000 kg·m/s di quantità di moto nel verso opposto, qualunque cosa lo circondi.

L'equazione del razzo

Nel 1903 l'insegnante russo Konstantin Ciolkovskij pubblicò un trattato sull'uso dei motori a razzo nello spazio, presentando l'equazione usata ancora oggi da chi progetta razzi. Permette di calcolare la variazione di velocità Δv a partire da due dati: la velocità di scarico ve e il rapporto tra le masse, cioè la massa iniziale m0 divisa per la massa finale mf dopo l'esaurimento del propellente. Δv = ve × ln(m0 ÷ mf). Il problema è il logaritmo. Con una velocità di scarico di 3 km/s, un razzo composto per tre quarti da propellente (rapporto tra le masse 4) guadagna 4.16 km/s; portare il propellente al 90% (rapporto 10) permette di arrivare soltanto a 6.91 km/s.

Per raggiungere l'orbita occorre una velocità orizzontale di circa 7.7 km/s, più un margine per contrastare gravità e aria durante la salita. Un solo razzo semplice non basta. La soluzione è dividerlo in stadi. Un grande primo stadio solleva tutto il veicolo, poi si stacca quando è vuoto: i suoi pesanti serbatoi e motori smettono così di essere una massa inutile. Il secondo stadio parte con un nuovo rapporto tra le masse, molto più favorevole. Il Saturn V della NASA, usato per i voli Apollo, aveva tre stadi: il primo portava il razzo a circa 68 km, il secondo quasi in orbita e il terzo completava l'inserimento orbitale, per poi spingere la navicella verso la Luna.

ContestoIl 16 marzo 1926, in una fattoria innevata di Auburn, nel Massachusetts, Robert Goddard lanciò il primo razzo al mondo a propellente liquido. Secondo il Comune di Auburn, raggiunse un'altezza di 41 piedi (circa 12.5 m), volò per due secondi e mezzo e atterrò a 184 piedi (circa 56 m) dalla struttura di lancio. Nel 1919 Goddard aveva pubblicato «A Method of Reaching Extreme Altitudes» ed era stato deriso per aver suggerito che un razzo potesse raggiungere la Luna. Oggi il sito del lancio, che fa parte di un campo da golf, è riconosciuto come National Historic Landmark.
Saturn V (NASA)Valore
Altezza111 m (363 ft)
Massa al decollo2.8 milioni di kg
Spinta al lancio34.5 milioni di newton
In orbita terrestrecirca 118 000 kg
Verso la Lunacirca 43 500 kg
Stadi3

Per decollare serve anche una spinta maggiore del peso. Sulla rampa il peso del Saturn V era 2.8 milioni di kg × 9.81 m/s² ≈ 27.5 milioni di newton, mentre i motori fornivano 34.5 milioni di newton: un rapporto di circa 1.26. I 7 milioni di newton rimanenti, distribuiti su 2.8 milioni di kg, producono all'inizio un'accelerazione verso l'alto di appena 2.5 m/s². Ecco perché i grandi razzi sembrano salire così lentamente. Man mano che il propellente si consuma, la massa diminuisce e l'accelerazione aumenta.

  1. Quale principio spiega perché un razzo si muove?
    • Il terzo principio della dinamica di Newton
    • La legge di conservazione della massa
    • La legge di Ohm
  2. Il motore di un razzo deve spingere contro l'aria?
    • Sì
    • No, spinge contro i propri gas di scarico
  3. Un motore espelle 2 kg di gas a 3000 m/s. Quanta quantità di moto (kg·m/s) acquista il razzo?
  4. Velocità di scarico 3 km/s, rapporto tra le masse 10. Quanto vale Δv in km/s? (due decimali)
  5. Velocità di scarico 4.4 km/s, rapporto tra le masse 10. Quanto vale Δv in km/s? (un decimale)
  6. Perché i razzi sono suddivisi in stadi?
    • Per abbandonare serbatoi e motori vuoti e migliorare il rapporto tra le masse della parte rimanente
    • Perché non si può costruire un motore unico abbastanza grande da accendere
    • Per rendere il razzo più alto
  7. Il razzo di Goddard raggiunse 41 piedi. Quanti metri sono? (un decimale; 1 ft = 0.3048 m)
  8. Saturn V: spinta 34.5 MN, peso 27.5 MN. Qual è il rapporto spinta/peso? (due decimali)
  9. In quale anno Ciolkovskij pubblicò il suo lavoro sui razzi nello spazio?
    • 1903
    • 1926
    • 1957
  10. Perché un grande razzo sembra salire lentamente all'inizio?
    • La sua spinta supera il peso solo di poco
    • L'aria è densa e lo ferma
    • I motori si scaldano lentamente
Punti chiave
  • Un razzo espelle gas all'indietro e riceve una spinta in avanti (terzo principio della dinamica di Newton); l'aria non serve.
  • Equazione del razzo: Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f).
  • La separazione degli stadi elimina la massa inutile, così ogni stadio parte con un rapporto tra le masse migliore.
  • Goddard fece volare il primo razzo a propellente liquido il 16 marzo 1926.
  • Saturn V: 111 m, 2.8 milioni di kg, 34.5 MN di spinta, tre stadi.
Fonti di questo corso (17)
  • Town of Auburn MA, Robert Goddard (auburnma.gov/693/Robert-Goddard)
  • History.com This Day in History, 16 March 1926 (Tsiolkovsky 1903 treatise)
  • NASA "What Was the Saturn V?" (nasa.gov/learning-resources/for-kids-and-students/what-was-the-saturn-v-grades-5-8)
  • NASA Earth Fact Sheet (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², escape velocity 11.186 km/s, sidereal rotation 23.9345 h)
  • NASA History "The Dawn of the Space Age" (nasa.gov/history/dawn-of-the-space-age)
  • NASA "April 1961, First Human Entered Space" (nasa.gov/image-article/april-1961-first-human-entered-space)
  • GPS.gov Space Segment (gps.gov/space-segment)
  • KARI (kari.re.kr: KOMPSAT-1 1999, Chollian, Nuri launch dates, Danuri contents/193, 194, 196 and news release 2022-12-28)
  • Korea.kr policy news on the Nuri second launch, 21 June 2022 (korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148902762)
  • Korea AeroSpace Administration (kasa.go.kr, founded 27 May 2024)
  • NASA International Space Station Facts and Figures (nasa.gov/international-space-station/space-station-facts-and-figures)
  • ISS National Lab on Zarya and Expedition 1 (issnationallab.org/iss360/celebrating-the-20th-anniversary-of-the-first-international-space-station-module)
  • Korea Herald and Korea.net on Yi So-yeon, 8 April 2008 (koreaherald.com/article/10711787, korea.net/NewsFocus/HonoraryReporters/view?articleId=264742)
  • NASA Apollo pages (nasa.gov/the-apollo-program, nasa.gov/history/apollo-11-mission-overview, nasa.gov/mission/artemis-ii)
  • NASA Voyager 1 (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1) and "What is a light-day" (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day)
  • NASA Stennis Lagniappe July 2015 on New Horizons at Pluto (nasa.gov/wp-content/uploads/2015/05/julylagniappe.pdf)
  • NASA SVS 5534 Parker Solar Probe (svs.gsfc.nasa.gov/5534).

Consultato il: 2026-10-18