Hoe kan je een object in de ruimte bijsturen als dat zich in een vacuüm bevindt?

Antwoord

Dat gebeurt niet zoals bijvoorbeeld bij een auto of een trein. Daarbij zou je de wielen doen draaien die zich tegenover een vaste ondergrond (weg of sporen) afzetten en zo het voertuig doen voortbewegen. In de ruimte is er inderdaad niets om je tegen af te zetten. Wielen doen draaien of vleugels doen wapperen heeft daar geen zin.

In de ruimte kan je je voortbewegen door gebruik te maken van de wet van het behoud van impuls. De impuls van een bewegend lichaam is gewoon zijn massa maal zijn snelheid.  p = m.v.  Een lichaam kan dus een grote impuls hebben omdat het een grote massa heeft, omdat het snel beweegt en al zeker indien een grote massa snel beweegt. Een vrachtwagen heeft bijvoorbeeld veel meer impuls dan een fiets die aan dezelfde snelheid rijdt.

Stel je zit stil op een wagentje (geen wrijving) en je hebt een massa van 8 kilo in je handen. Zelf weeg je 56 kg. De totale impuls van jij + de massa is nul want er beweegt niets (in een assenstelsel dat ook stilstaat). Nu gooi je de massa achteruit weg met een snelheid van 5 m/s, gemeten tegenover u. Zelf zal je een hierdoor een beetje naar voor bewegen, en wel met een zodanige snelheid dat de totale impuls nul blijft. Dus:  

m(massa) . v(massa) + m(jij) . v(jij) = 0

en v(jij) - v(massa) = 8 m/s

als je nu de massa's invult en het 2x2 stelseltje oplost vind je:  v(jij) = 1 m/s  en v(massa) = -7 m/s

Merk op dat jouw snelheid 7 keer kleiner is dan de achterwaartse snelheid van de massa. Dat komt omdat jij 7 keer zwaarder bent.

Nu naar de raket.

Die werkt volgens eenzelfde principe. De massa daar zijn hete uitlaatgassen van de motor. Men brengt in de motor brandstoffen bijeen die bij contact spontaan reageren en energie vrijmaken. Die energie betekent een zeer hoge temperatuur, en bij een gas betekent dit dat het gas wil uitzetten. Het gas kan enkel langs de smalle uitlaat ontsnappen en doet dit aan een gigantische snelheid zodat het ondanks de kleine massa in vergelijking met de raket een hoge impuls heeft. Net zoals jij vooruit beweegt door een massa achteruit te gooien, beweegt de raket vooruit door hete gassen aan supersonische snelheden achteruit te "gooien".

Dat werkt perfect, vacuüm of niet.

Om rond hun massamiddelpunt te roteren hebben ruimtetuigen kleine stuurraketjes die zijdelings gericht zijn en wiens krachtvector niet door het massamiddelpunt van het ruimtetuig gaat. Die werken volgens een soortgelijk fysisch principe, het behoud van impulsmoment. Het impulsmoment van een massa m die op een cirkel met straal r aan een snelheid v beweegt is  m.v.r

Nog een weetje: een raketmotor die aan een constant tempo werkt, wordt steeds efficiënter want de massa die nog moet voortgestuwd worden neemt steeds af. Er blijft namelijk steeds minder brandstof over.