Come funziona un razzo
Il primo razzo a propellente liquido volò per due secondi e mezzo e raggiunse circa 12.5 m di altezza.
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.
| Saturn V (NASA) | Valore |
|---|---|
| Altezza | 111 m (363 ft) |
| Massa al decollo | 2.8 milioni di kg |
| Spinta al lancio | 34.5 milioni di newton |
| In orbita terrestre | circa 118 000 kg |
| Verso la Luna | circa 43 500 kg |
| Stadi | 3 |
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.
- 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
- Il motore di un razzo deve spingere contro l'aria?
- Sì
- No, spinge contro i propri gas di scarico
- Un motore espelle 2 kg di gas a 3000 m/s. Quanta quantità di moto (kg·m/s) acquista il razzo?
- Velocità di scarico 3 km/s, rapporto tra le masse 10. Quanto vale Δv in km/s? (due decimali)
- Velocità di scarico 4.4 km/s, rapporto tra le masse 10. Quanto vale Δv in km/s? (un decimale)
- 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
- Il razzo di Goddard raggiunse 41 piedi. Quanti metri sono? (un decimale; 1 ft = 0.3048 m)
- Saturn V: spinta 34.5 MN, peso 27.5 MN. Qual è il rapporto spinta/peso? (due decimali)
- In quale anno Ciolkovskij pubblicò il suo lavoro sui razzi nello spazio?
- 1903
- 1926
- 1957
- 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
- 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