LANÇAMENTO DE UM FOGUETE ( RESUMO )

Prévia do material em texto

Resumo
Este trabalho tem como intuito uma rápida explanação sobre o funcionamento da Física no lançamento de foguetes. Para início de estudo é importante lembrar que são necessárias mais informações do que as apresentadas até agora em nossos estudos. 
Temos como objetivo discriminar as forças que influenciam no lançamento de foguetes, que podem ajudar ou atrapalhar no lançamento. A partir das análises expostas a seguir serão esclarecidos os momentos que fazem parte da propulsão, onde serão explicados como ocorre a perda de massa, a variação da velocidade e a influência do combustível usado.
Com isso, por meio de alguns cálculos e a aplicação das forças, serão estabelecidos resultados e discursões sobre o assunto abordado.
Palavras chaves: Lançamento; Foguete; Leis de Newton; Combustível; Velocidade; massa.
Introdução
Um foguete espacial é uma máquina que se desloca expelindo atrás de si um fluxo de gás a alta velocidade, tendo que “lutar” contra a gravidade (a força que o planeta exerce sobre objetos que queiram deixá-lo) para poder chegar ao espaço. A partir disso, será analisado todos as forças internas e externas que atuam em um lançamento de um foguete e a aplicação das leis Newtonianas para entender melhor como acontecem os lançamentos.
Para um foguete conseguir subir é preciso que o empuxo gerado por seus motores seja maior do que a força peso que atua nele. Para produzir a força de empuxo, os motores do foguete produzem gases de combustão, geralmente usando hidrogênio líquido como combustível e oxigênio líquido como o comburente, esses gases são expulsos pelos bocais do foguete, fazendo força contra a parede superior dos bocais. A relação entre as forças pode ser resumida pela terceira lei de Newton, em que toda ação causa uma reação de igual força e direção e sentido contrário, os gases são expelidos com tal força que esta supera a força peso do foguete, o impulsionando para cima. Assim sendo, uma enorme força é feita contra o chão e, em reação a essa força aplicada ao chão, o foguete é impulsionado para cima.
A partir disso iremos identificar, que, pela terceira lei de Newton a força Normal não é considerada uma reação da força Peso. A terceira lei de Newton diz que ação e reação atuam em corpos diferentes, e Peso e Normal atuam no mesmo corpo, contrariando a lei da ação e reação. É importante também destacar a importância da massa do foguete e do combustível usado. Pois, quanto menor a massa do foguete, menor a força de empuxo necessária para lançá-lo e consequentemente menor a quantidade de combustível para o lançamento aeroespacial. 
De modo geral, iremos perceber que uma das evidências de que a grandeza relevante, no estudo do movimento, e a variação da quantidade de movimento é dada pelo movimento dos foguetes. Também faremos a análise de como um foguete consegue aumentar sua velocidade mesmo na ausência de forças externas, a variação da massa em função do tempo que causa uma variação na velocidade em função do tempo e a ejeção de massa no espaço.
Metodologia
Para determinar o empuxo (E), que é gerado pelos gases de combustão expulsos através dos bocais do foguete, precisamos pensar que o empuxo é função da relação entre a massa de combustível ejetada por unidade de tempo (que chamamos de T) e da velocidade de ejeção em relação ao foguete (que chamaremos de V) é utilizado “ O princípio da conservação da quantidade de movimento”, que se dar por
E = T.V
Como exemplificação, consideremos um foguete com massa inicial (antes de iniciar a queima de combustível) igual a 710 kg, que consome combustível na taxa de 2,5 kg/s e expele os gases de combustão com velocidade relativa de 3.300 m/s.
Podemos calcular o valor do empuxo assim:
E = T.V = 2,5 . 3300 = 8250 N
	A aceleração inicial imposta ao foguete pelo empuxo também pode ser calculada, pois já sabemos que 
E = M . A
Logo,
A = E/M -- A = 8250/750 A = 11,6 m/s²
Note que o valor da aceleração inicial do foguete deve ser maior que a aceleração gravitacional da Terra, que vale 9,8 m/s² (na superfície), pois, do contrário, o foguete não subiria. A partir dessa análise foi explicado como funciona os cálculos da força de empuxo.
Partindo para a aplicação das leis Newtonianas que atuam no lançamento do foguete. Percebemos que as três leis fundamentais têm influência direta. Para que o foguete saia da plataforma de lançamento, é necessário que haja uma desigualdade de forças atuando sobre o mesmo, o que caracteriza a Primeira Leite Newton (Inércia). Já a quantidade do empuxo (força) produzida pelo motor de um foguete será definida pela massa de gás que está sendo queimado e a velocidade com que o mesmo escapa, designando a Lei de Newton (Força Resultante é igual a massa vezes a aceleração). No que diz respeito a Terceira Lei de Newton (Ação e Reação), esta, se torna a mais importante no caso dos foguetes. Pois, se faz presente no movimento do foguete, reação, no sentido, que será contrário à do empuxo, e da ação que fará com que aconteça o lançamento.
No Lançamento de foguetes temos a resistência do ar como um desafio no lançamento de foguetes. Para calcularmos a força de resistência do ar temos que ter em mente alguns conceitos como:
Coeficiente de penetração aerodinâmica (Cx): O formato do carro é caracterizado por um número chamado coeficiente de arrasto aerodinâmico, indicado por Cx. Quanto menor o coeficiente, melhor a “aerodinâmica”. Normalmente o Cx dos veículos varia entre 0,3 e 0,9.
Área do objeto (A): Para determinar a área, devemos verificar qual é o lado do objeto que está voltado para o movimento, e a partir daí descobrir em que ponto essa área é maior. 
Velocidade (v): A velocidade relativa entre o fluido e o corpo também influi. Quanto maior for a velocidade do foguete, maior é a força de resistência que ele sofre.
Densidade (ῤ): A densidade do ar depende da temperatura e da pressão ambiente. Em locais de menor altitude a pressão atmosférica é maior e o ar é mais denso e, portanto, oferece mais resistência ao movimento.
Tendo em mente esses quatro conceitos podemos calcular a força de resistência do ar utilizando a seguinte fórmula: Fr= ῤCxAv². 
Na figura abaixo temos um minifoguete que podemos utilizar como objeto de estudo.
Força de Arrasto (D) é a componente da força aerodinâmica (A) que atua no eixo longitudinal do minifoguete (MF), no sentido contrário ao seu movimento.
	O movimento de um foguete se dá através do sistema de massas que consiste em variar massa para que tenha também uma variação na velocidade, segue que, por a definição da segunda lei de Newton temos
A taxa de variação da massa, multiplicada pela velocidade da massa variante, tem dimensão de Força e recebe o nome de Empuxo.
Considere um corpo de massa M se movendo com velocidade v e sendo bombardeado por um fluxo contínuo de matéria, com velocidade u. 
Conservação do momento, temos:
Velocidade relativa entre o foguete e os gases:
Considere um foguete com a massa (M) variando continuamente, à medida que ele queima o combustível. Suponha que o foguete esteja subindo na vertical com velocidade v e que a taxa de queima de combustível seja R
Considere que os gases escapem com velocidade Vrel em relação ao foguete. Considere como sistema o conjunto foguete + combustível restante.
	Para podermos deduzir com exatidão todas as forças é necessário fazer o levantamento de vários dados relacionados ao foguete e as possíveis influencias exteriores como o clima.
Resultados e Discursão
A partir dessas análises, notamos que, no planejamento de uma missão, desde o lançamento do foguete até o momento em que a nave fica acima do ar, a atmosfera deve ser levada em consideração. O veículo deve ser aerodinâmico de modo a tornar a resistência do ar um valor mínimo. A velocidade na baixa atmosfera não deve ser muito grande, porque a força de atrito aumenta com a velocidade. Além disso, o calor resultante desse atrito elevaa temperatura a valores que podem ser nocivos ao material da nave e consequentemente trará insucessos para o lançamento.
Nota-se ainda, que devido ao efeito da inércia, existe uma tendência de o Foguete continuar em movimento, mesmo sem tanque de combustível externo e foguetes propulsores. 
Em uma expedição o ônibus espacial permanece em movimento, sem a ação de nenhuma força na direção de seu movimento. Isso só é possível por que o projétil obedece à lei da inércia, ou seja, ele permanece com a mesma velocidade, já que no espaço não existe nenhuma força para alterar sua velocidade.
Para conseguir altas velocidades no lançamento para ultrapassar a atmosfera terrestre, o foguete deve ser o mais leve possível. Mas, como os foguetes levam toneladas de estruturas metálicas, combustível e equipamentos adicionais, seus planejadores utilizam uma solução adicional construída em vários estágios.
Os estágios se resumem a, basicamente, dois ou mais foguetes, colocados um em cima do outro. Assim, quando o foguete do estágio inferior queima todo o seu combustível, ele se desacopla do conjunto e aciona o segundo estágio, permitindo que o corpo restante do foguete aproveite o impulso obtido e alivie o peso considerado "peso morto", a fim de ganhar mais velocidade na subida. Esse é o sistema usado para os grandes foguetes lançadores atuais. Um exemplo bem conhecido é no caso do foguete Saturn V que utilizava um sistema dum lançador de três estágios, sendo o primeiro impulsionado por querosene e os demais por hidrogênio líquido.
A equação do lançamento de um foguete define o sistema como sendo o foguete e o combustível em seu interior em um instante de tempo t. Sendo assim, nesse instante o momentum total do sistema é dado pela variação ou perda depois de um intervalo de tempo dt.
Utilizando a conservação do momentum para deduzir a equação de movimento do foguete, vamos supõe se que não há nenhuma força externa agindo sobre o sistema composto pelo foguete e seu combustível. Já a variação da quantidade de massa de combustível é dada por um módulo |dm| que é lançada pelo motor para fora do foguete. 
De modo geral é importante enfatizar a grande importância das leis Newtonianas que interferem diretamente na física que envolve o lançamento de foguetes. As Leis de Newton representam um marco importantíssimo na Física, pois ele conseguiu representar matematicamente a dinâmica dos corpos celestes em suas órbitas. Isso permite até os dias de hoje fazer cálculos precisos para os lançamentos. Além disso, atualmente são conhecidas as órbitas de planetas, cometas, além das trajetórias de asteroides, graças ao conhecimento e aplicação dessas leis, incluindo a Lei da Gravitação Universal.
Referências
NICOLODI, Juliana. A física nos aeroplanos, jatos e foguetes: História. Disponível em: <http://fisicaespacial-sts.blogspot.com.br/2012/05/terceira-lei-de-newton.html>. Acesso em: 26 agos. 2017.
REIS, Norma Teresinha Oliveira. Operações de Lançamento: História. Disponível em: < https://educacaoespacial.wordpress.com/recursos-2/materiais-de-estudo/conteudos/astronautica/operacoes-de-lancamento/>. Acesso em: 26 agos. 2017.
PORTAL, São Francisco. Resistência do ar: História. Disponível em: < http://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/resistencia-do-ar>. Acesso em: 26 agos. 2017.
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO - UFERSA
CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE PAU DOS FERROS - CMPF
BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
José Renato De Né
João Victor Araújo Lima
PAU DOS FERROS – RN
2017
A Física envolvida no Lançamento de Foguetes
Resumo apresentado à Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA, Centro Multidisciplinar de Pau dos Ferros – CMPF, como requisito parcial para a obtenção de créditos do Componente Curricular Mecânica Clássica, período 2016.2. 
Prof. Dr. Ernandes Costa 
PAU DOS FERROS – RN
2017