Acerca de este experimento
Para permanecer en órbita, una nave espacial debe volar lateralmente a casi 8 km/s, lo bastante rápido como para caer alrededor de la Tierra en vez de volver a caer sobre ella. Llegar hasta allí es la parte difícil. El cohete tiene que elevar su propio combustible, atravesar la densa atmósfera inferior y pasar de subir en vertical a volar lateralmente en el momento adecuado. Cambia el empuje, el combustible, la velocidad de escape y la altura del giro; lanza el cohete y comprueba si alcanza la órbita, vuelve a caer o escapa.
Objetivos de aprendizaje
- Explica por qué un cohete necesita un empuje superior a su peso para despegar
- Usa la ecuación del cohete para calcular el cambio de velocidad ideal a partir de la velocidad de escape y la relación de masas
- Explica las pérdidas por gravedad y resistencia aerodinámica, y por qué el aumento real de velocidad es menor que el Δv ideal
- Explica por qué una órbita requiere una gran velocidad horizontal y no una gran altura.
- Describe por qué los cohetes pasan gradualmente del vuelo vertical al horizontal.
Cómo usarlo
- 1Lanza el cohete con la configuración predeterminada. Consulta la órbita y el combustible restante. ¿A qué velocidad va el cohete cuando se apaga el motor?
- 2Reduce el empuje hasta que el cohete no pueda despegar de la plataforma. Compara el empuje con el peso en el momento del lanzamiento.
- 3Reinicia y reduce la velocidad de escape a 3,5 km/s. ¿Por qué el cohete ya no alcanza la órbita, aunque no haya cambiado nada más?
- 4Reinicia y aumenta la masa en vacío a 15 t. ¿Cómo cambia el Δv ideal?
- 5Prueba a volar en horizontal a 60 km y a 300 km. ¿Qué pérdidas aumentan en cada caso?
- 6Desactiva el apagado automático y lanza el cohete con la configuración predeterminada. ¿Qué ocurre con la órbita?
El modelo
Supuestos
- Solo tiene una etapa, así que el cohete debe llevar toda su estructura hasta la órbita. Los cohetes reales se desprenden de las etapas vacías para alcanzar la misma velocidad con menos combustible.
- La Tierra es una esfera que no gira, así que no hay un impulso gratuito de 0.46 km/s por despegar hacia el este cerca del ecuador.
- Al principio, el cohete apunta directamente hacia arriba; después se inclina hacia el este siguiendo θ = 90° √(h / turn height), y vuela en horizontal por encima de la altura de giro. El motor funciona siempre a pleno empuje.
- Para el arrastre se usa un coeficiente de resistencia fijo multiplicado por un área de 5 m². La órbita se evalúa al apagarse el motor; se considera que se ha alcanzado una órbita cuando su punto más bajo está al menos a 100 km de altura.
Pruébalo en clase
- Q1¿Por qué es mucho más difícil alcanzar una órbita que llegar a 200 km de altura y volver a caer?
- Q2Duplicar el combustible no duplica Δv. Explica por qué usando la ecuación del cohete.
- Q3¿Por qué los cohetes despegan primero en vertical en vez de volar hacia los lados desde el principio?
- Q4Un cohete con un empuje muy elevado acelera rápidamente. ¿Por qué puede aumentar las pérdidas por resistencia aerodinámica, aunque reduzca las pérdidas gravitatorias?
- Q5¿Por qué los centros de lanzamiento reales suelen estar cerca del ecuador y se lanzan hacia el este?
Preguntas frecuentes
¿Por qué no hay gravedad en órbita?
Sí que la hay. A 200 km de altura, la gravedad sigue siendo aproximadamente el 94 % de la que hay en la superficie. Los astronautas se sienten ingrávidos porque ellos y su nave espacial están cayendo juntos todo el tiempo; simplemente se desplazan de lado tan rápido que el suelo se curva y se aleja bajo ellos.
¿Qué son las pérdidas gravitatorias?
Mientras el cohete asciende, parte de su empuje se utiliza únicamente para mantenerlo en alto contra la gravedad, en lugar de hacerlo ir más rápido. Cuanto más dura el ascenso, más Δv se pierde de esta manera.
¿Por qué el cohete necesita más de 7,8 km/s de Δv?
Porque parte del Δv se emplea en vencer la gravedad y la resistencia del aire durante el ascenso. Los lanzamientos reales necesitan un total de entre 9 y 10 km/s de Δv para alcanzar una órbita baja.