Trọng lượng là lực được tạo nên bởi trọng lực (lực hấp dẫn) của Trái Đất tác động lên tên lửa. Đây có lẽ là lực quen thuộc hơn bất cứ lực nào tác dụng lên tên lửa, bởi vì tất cả chúng ta có thể dễ dàng đo trọng lượng của mình qua những bàn cân thông dụng - thứ mà chúng ta sử dụng hằng ngày vào mỗi sáng. Ta biết được vật này nặng hay vật kia nhẹ. Tuy nhiên trọng lượng hay lực hấp dẫn về cơ bản rất khác so với những lực còn lại tác động suốt hành trình của tên lửa. Những lực như lực nhiệt động học, lực nâng, lực kéo và lực đẩy được gọi chung là lực cơ học. Tên lửa phải có tương tác tiếp xúc vật lý với dòng khí để tạo nên các lực đó. Còn lực hấp dẫn là một trường lực và tên lửa không cần phải tiếp xúc trực tiếp để có thể tương tác với nguồn lực này.

Bản chất của lực hấp dẫn đã được các nhà khoa học nghiên cứu trong suốt nhiều thế kỷ và vẫn đang tiếp tục được khảo sát bởi những nhà vật lý lý thuyết. Lời giải thích được đưa ra ở thời điểm 300 năm trước bởi nhà vật lý người Anh Isaac Newton đã có thể mô tả đầy đủ chuyển động của vật thể kích thước cỡ tên lửa. Newton đã phát triển lý thuyết hấp dẫn của mình khi chỉ mới 23 tuổi và công bố những lý thuyết này cùng với những định luật chuyển động chỉ vài năm sau đó. Theo Newton, lực hấp dẫn giữa hai vật phụ thuộc vào khối lượng và nghịch đảo bình phương khoảng cách giữa chúng. Vật thể càng nặng thì càng tạo ra lực lớn hơn và ở càng xa thì lực tương tác càng yếu, Newton đã thể hiện được mối quan hệ đó chỉ bằng một phương trình duy nhất. Lực hấp dẫn, F giữa hai hạt bằng với hằng số phổ quát G, nhân với tích khối lượng của các hạt, m1 và m2, rồi chia cho bình phương khoảng cách d, giữa các hạt.

F = G*(m1*m2)/d2

Giả sử bạn có rất nhiều hạt tác dụng lên một hạt duy nhất, bạn phải tổng hợp lực tác dụng của tất cả những hạt riêng lẻ. Đối với những vật thể ở gần Trái Đất, tổng khối lượng chất điểm nhận tương tác được xem như khối lượng Trái Đất, còn khoảng cách được tính từ tâm của Trái Đất đến các vật đó. Khoảng cách từ tâm đến bề mặt Trái Đất vào khoảng 6400 km (4000 dặm). Các nhà khoa học đã tổ hợp hằng số hấp dẫn, khối lượng Trái Đất, cùng với bình phương bán kính của Trái Đất để tính ra gia tốc trọng trường cho hành tinh của chúng ta, ký hiệu là ge.


ge = G * mTrái Đất / ( rTrái Đất)2
ge = 9.8 m/s2 (~ 32,2 ft/s2)

Trọng lượng W, hay lực hấp dẫn được tính bằng khối lượng một vật nhân với gia tốc trọng trường.


W = m * ge

Khối lượng của một vật là không đổi khi di chuyển từ nơi này đến nơi khác, không giống với khối lượng, trọng lượng thay đổi phụ thuộc vào gia tốc trọng trường cùng với bình phương khoảng cách từ vật đến tâm của Trái Đất.

Hãy thử làm một phép tính để xác định trọng lượng tàu vũ trụ ở quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.Trên mặt đất, trọng lượng tàu vào khoảng 11400 kg (~ 250000 pounds). Khi ở trên quỹ đạo, tàu con thoi cách bề mặt Trái Đất 320 km (200 dặm), và khoảng cách tới tâm Trái Đất là khoảng 6720 km. Do đó:


m = Ws / ge = Wo / go
Wo = Ws*go / ge

Với Ws là trọng lượng tại bề mặt (11400 kg), Wo là là trọng lượng khi ở trên quỹ đạo, và go là giá trị gia tốc trọng trường ở trên quỹ đạo.

Ta có thể tính được tỉ số của gia tốc trọng trường quỹ đạo trên giá trị ở bề mặt bằng với bình phương bán kính Trái Đất chia cho bình phương bán kính quỹ đạo so với tâm.


go/ge = ( rTrái Đất)2 / (rquỹ đạo so với tâm)2
go/ge = ( 6400 / 6720)2 = 0,907


Trên quỹ đạo, trọng lượng của tàu không gian là 11400 * 0,907 = 10339,8 kg. Lưu ý: không có trọng lượng bằng không. Một lực hấp dẫn lớn tác dụng lên tàu ở khoảng cách 320 km. Sự giảm trọng lượng này được kiểm chứng bởi các phi hành gia bên trong tàu gây ra bởi sự rơi tự do trên các quỹ đạo. Tàu con thoi bị kéo xuống bởi trọng lực. Nhưng do vận tốc quỹ đạo lớn, với phương tiếp tuyến với bề mặt Trái Đất, dẫn tới sự rơi theo một quỹ đạo cong xuống bề mặt Trái Đất. Về bản chất, tàu con thoi đang trong trạng thái rơi tự do vòng quanh quỹ đạo Trái Đất.


Bởi vì trọng lượng của một vật phụ thuộc vào khối lượng của vật đó, khối lượng của vật bị hấp dẫn, cùng với bình phương khoảng cách giữa chúng, trọng lượng bề mặt của vật trên các hành tinh khác nhau là khác nhau. Ở trên ta đã tính được gia tốc trọng trường trên bề mặt Trái Đất là ge = 9.8 m/s^2, dựa trên khối lượng và bán kính của Trái Đất. Có những giá trị gia tốc trọng trường giống nhau cho các vật thể trong Hệ Mặt Trời, phụ thuộc vào khối lượng và bán kính của chúng. Một thông tin cho những bạn đam mê khám phá không gian đó là gia tốc trọng trường của Mặt Trăng, ký hiệu gm tính bởi:


gm = G * mMặt Trăng / (rMặt Trăng)2

gm = 1,61 m/s^2 = 5,3 ft/s2

và gia tốc trọng trường của Sao Hỏa gmar là:


gmar = G * mSao Hoả / (rSao Hỏa)2
gmar = 3,68 m/s2 = 12,1 ft/s2

Khối lượng của tên lửa là không đổi cho dù ở trên Trái Đất, Mặt Trăng, hay kể cả là trên Sao Hỏa. Nhưng ở trên bề mặt của Mặt Trăng, trọng lực chỉ bằng ở Trái Đất, và ở Sao Hỏa thì xấp xỉ bằng lần Trái Đất. Ta không cần quá nhiều lực đẩy nếu phóng tên lửa ở trên Mặt Trăng hay Sao Hỏa, bởi vì trọng lượng của vật thể trên các hành tinh đó nhỏ hơn nhiều so với Trái Đất. Lực là đại lượng vectơ được quy định bởi hướng và độ lớn. Đối với tên lửa, trọng lực luôn hướng vào tâm của Trái Đất, và độ lớn phụ thuộc vào tổng khối lượng các phần của tên lửa, cộng với nhiên liệu, hàng hóa trên khoang. Trọng lực phân bố trên cả tên lửa, nhưng ta thường tối giản hoá bằng cách tổng hợp các lực lại và đặt chúng tại một điểm gọi là trọng tâm. Trong chuyến bay, tên lửa quay theo trọng tâm, nhưng hướng của lực hấp dẫn vẫn luôn hướng về tâm của Trái Đất.


Trong quá trình phóng, tên lửa đốt nhiên liệu và phóng ra khí, do đó trọng lượng của tên lửa sẽ thay đổi. Đối với mỗi mẫu tên lửa, sự thay đổi chiếm tỷ lệ không lớn so với tổng thể và ta có thể xác định trọng lượng của tên lửa bằng cách cộng các trọng lượng thành phần. Tuy nhiên với một tên lửa quy mô đầy đủ thì sự thay đổi khá lớn nên phải bao hàm thêm cả phương trình chuyển động. Các kỹ sư đã thiết lập một vài khối lượng tỉ lệ để mô tả tình trạng của tên lửa theo sự biến đổi của khối lượng. Những tên lửa quy mô lớn thường được thiết kế để chia tách tầng hoặc có thể phân ra thành các tên lửa nhỏ hơn và bị loại bỏ trong chuyến bay để tăng hiệu suất.

Tham khảo 

Author: Tôn Thất Minh Bảo
Sinh viên hệ cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (Đại học Việt Pháp - USTH).