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로켓

로켓의 원리

로켓의 발사원리 하면 작용 반작용의 법칙, 즉 뉴턴의 제3법칙을 흔히 말한다. 작용과 반작용 법칙은 A물체가 B물체에게 힘을 가하면 B물체 역시 A물체에게 똑같은 크기의 힘을 가한다는 것이다. 그런데 이 법칙을 사용하여 로켓의 움직임을 계산하는 것은 쉽지 않다. 로켓의 운동은 오히려 운동량 보존의 법칙으로 계산하는 것이 훨씬 편리하다.

운동량 보존의 법칙은 외부의 힘을 받지 않는 고립된 물체 또는 계에서 전체 운동량의 합이 보존된다는 법칙. 자연의 기초적인 법칙이다. 이것이 왜 중요한가 하면, 인간이 땅 위를 걸어갈 때는 땅과 상호작용을 할 수 있지만, 우주공간을 날아가는 로켓은 그 어떤 것과도 상호작용을 할 수 없기 때문이다. 즉 로켓도 외부의 힘을 받지 않는 고립된 물체인 것이다.

로켓의 초기 총운동량은 0이다. 이 로켓이 작동을 시작하면 내부에 가지고 있는 연료를 태워서 만든 기체를 뒤로 빠른 속도로 밀어낸다. 그럼 로켓과 추진 기체를 한 몸으로 보았을 때 총운동량의 합이 원래 가만히 있었을 때처럼 0이 되게 하려면, 그 기체의 무게와 속도를 곱한 만큼의 운동량이 반대 방향으로 생겨서 상쇄되어야 한다. 즉, 로켓이 추진 기체와 반대 방향으로 움직여야 하는 것이다.

이 때 로켓의 전진속도×로켓의 무게 = 추진 기체가 뒤로 분사되는 속도×추진 기체의 무게가 되어야 총운동량의 합이 0이 된다. 기체는 무게가 가벼우므로, 로켓을 전진시키려면 대단히 빠른 속도로 분사되어야 한다. 따라서 엔진에서는 폭발에 가까운 연소가 일어나고, 그로 인해 생긴 추진 기체를 가급적 세게 불어 내기 위해 노즐이 필요한 것이다.

로켓의 최종 속도는 분출가스의 로켓에 대한 상대속도에 비례하고 로켓의 처음질량/최종 질량 값의 자연로그 값에 비례한다. 결국 빠른 속력의 로켓을 만들기 위해서는 분사 가스의 속도의 크기가 커야만 하고 로켓 본체의 질량이 연료 질량에 비하여 최대한 작아야만 한다.

운동량 보존의 법칙을 볼 수 있는 것은 로켓 뿐만이 아니다. 총의 발사시 총의 발사방향의 반대방향으로 밀리는 것, 즉 반동이 생기는 것도 운동량 보존의 법칙이다. 총 역시 자체 질량의 일부인 총알을 엄청난 속도로 총구 쪽으로 밀어내므로, 정지해 있던 초기 상태의 운동량을 보존하려면 총알의 추진 에너지에 상당하는 에너지가 총 본체에 총알의 추진방향 정반대로 가해진다. 따라서 총은 발사시 총알의 추진방향의 반대방향으로 향하는 반동이 생기는 것이다.

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