ロケットの推進を運動量保存と可変質量から考える
年のニューヨーク・タイムズは、ロケット研究者のゴダードを社説で嘲笑しました。真空では押し返す相手がないので、宇宙では進めないはずだ、という理屈です[3]。
この理屈は誤っていた。ロケットが押しているのは空気ではなく、自分が捨てる燃料のガスです。同紙は 年後、アポロ 号が月へ向かう最中に訂正を出しています[3]。
押す相手は自分の一部
閉じた系の運動量は変わりません。ロケットとガスをひとまとめに見れば、噴射の前後で合計は同じ。
ガスを後ろへ送り出せば、その運動量と釣り合うだけの運動量が前向きに残る。外に相手は要りません。
作用反作用で言いかえても同じになる。ガスを押した力の反作用が、ロケットを押す。空気は最初から関係していません。

速さの増え方は質量の減り方で決まる
質量 のロケットが、短い時間に だけのガスを、自分に対して速さ で後ろへ捨てるとします。運動量の釣り合いから次の関係が出る[1]。
移項して積分します。 の積分が対数になるので、答えにも対数が現れる[2]。
ツィオルコフスキーが 年に導いた式です[2]。 は燃料込みの質量で、 が燃え尽きたあとの質量にあたる。
効くのは差ではなく比になる。しかも対数なので、比を 倍にしても得られる速さは 倍になりません。
例:質量比 10 のロケット
液体水素と液体酸素の組み合わせでは、有効な排気速度が ほどになります[1]。
質量比を 、つまり全体の 割を燃料にすると、次の値が出る。
第一宇宙速度にほぼ届きました[1]。ただし実際の打ち上げでは、重力に逆らって登るぶんと空気抵抗のぶんが余分に要ります。
必要な は から に上がる。質量比 の 段では足りません。
段を切り離すと比が改善する
対数のせいで、燃料を増やしても速さは伸び悩みます。空になったタンクを積んだまま飛べば、その重さが最後まで分母に残るから。
そこで燃え尽きた段を捨てます[2]。捨てた瞬間に が小さくなり、次の段では新しい質量比で計算をやり直せる。
排気速度 で 段に分けた例を見ます[2]。
合計で です。同じ質量を 段で飛ばすと にしかならず、同じ性能を出すには質量比 以上が必要になる[2]。
作れる構造には限りがある。多段式が使われるのは、 段では比を稼げないためです。
推力は 1 秒あたりに捨てる質量で決まる
式を時間で見ると、推力が出てきます[1]。 秒あたりに捨てる質量を と書く。
排気速度が同じなら、勢いよく捨てるほど強く押されます。 で毎秒 を出せば、推力は になる。
例:離陸できるかどうか
質量 のロケットにかかる重力は です。推力のほうが大きいので浮き上がる。
打ち上げ直後の加速度は小さくなる。燃料が減って質量が落ちるにつれ、同じ推力でも加速度は増えていきます。
推力が重力より小さければ、いくら噴射しても上がりません。飛行機と違って揚力に頼れないので、この条件は最初から満たしておく必要がある。
翼で空気を押し下げて揚力を得る。空気のないところでは飛べない
自分の燃料を後ろへ捨てて運動量をやりとりする。空気があってもなくても同じように進む
大気の中では空気抵抗が邪魔になるので、ロケットにとって空気はむしろ損になります。高いところまで登ってから加速するのは、そのぶんを避けるため。
質量が変わる系では、運動方程式をそのまま とは書けません。可変質量の扱いでは、出ていく質量が持ち去る運動量を別に数える必要がある。
時間とともに質量が変わる物体の扱い。ロケットのほか、雨を受けながら走るトロッコや、砂を落とす台車がこれにあたる。
燃料を 2 倍にすると
質量比 で飛ぶロケットがあります。構造の質量を変えずに燃料だけを増やし、質量比を にすると、得られる速さは何倍になりますか。
- 倍
- 倍
- 倍
- 倍















Δv=uln(m0/m1) で、ln9=2ln3 です。だから質量比を 2 乗すると速さはちょうど 2 倍。燃料を 2 倍ではなく 4 倍に増やしてこの結果になるので、伸び方はかなり鈍い。多段式が必要になる理由がここにあります。