Como um foguete consegue sair da Terra?

Todo mundo já viu a cena: uma torre branca se solta da plataforma no meio de uma nuvem de vapor e sobe devagar, quase relutante, antes de acelerar e desaparecer. O que a imagem não mostra é que a parte mais difícil do trabalho não é subir. É ganhar velocidade.

Um foguete deixa o chão porque expulsa gases para baixo em altíssima velocidade e, em reação, recebe uma força para cima chamada empuxo. Enquanto esse empuxo for maior que o peso do veículo, ele acelera para longe da superfície. Mas sair da Terra no sentido que interessa — permanecer no espaço em vez de cair de volta — exige mais que altitude: exige uma velocidade horizontal da ordem de 28.000 km/h.

Ação e reação: o motor não empurra o ar

A explicação está na terceira lei de Newton, que diz que toda força aplicada em um corpo gera outra força de mesma intensidade em sentido oposto. O motor do foguete queima propelente e joga os gases resultantes para trás pela tubeira, a parte em forma de sino na base. Ao empurrar essa massa de gás para baixo, o motor é empurrado para cima com força equivalente.

Vale insistir nesse ponto porque a intuição costuma errar aqui: o foguete não se apoia no ar, como se estivesse pressionando o chão de baixo. Não há nada externo envolvido. A força vem de dentro, da expulsão de massa. É por isso que um foguete funciona perfeitamente no vácuo — e, na prática, com desempenho até melhor do que dentro da atmosfera densa, onde o ar oferece resistência e atrapalha a expansão dos gases.

Empuxo maior que peso: a primeira condição

Para a decolagem acontecer, uma comparação simples precisa ser verdadeira: o empuxo tem de superar o peso total do veículo naquele instante. Se for igual, o foguete fica parado sobre a plataforma. Se for menor, não sai do lugar.

Isso explica um detalhe que surpreende quem vê os números pela primeira vez: a maior parte da massa de um foguete no momento do lançamento é propelente, o conjunto de combustível e oxidante que será queimado. A estrutura, os motores, a eletrônica e a carga útil — o satélite, a sonda ou a cápsula tripulada que efetivamente vai ao espaço — representam uma fração pequena do total. Um foguete é, essencialmente, um tanque enorme com um motor embaixo e uma carga modesta no topo.

Como o propelente é consumido durante a subida, o veículo fica cada vez mais leve. Com empuxo praticamente constante e peso decrescente, a aceleração aumenta ao longo do voo. É por isso que a decolagem parece lenta nos primeiros segundos e depois se torna visivelmente rápida.

Por que combustível não basta: o oxidante

Queimar algo exige oxigênio. Na Terra, um motor de carro simplesmente aspira o ar ao redor. No espaço não existe ar, e mesmo nas camadas altas da atmosfera ele é rarefeito demais para sustentar a queima que um foguete precisa.

A solução é levar o oxigênio junto. Além do combustível, o foguete carrega um oxidante, a substância que fornece o oxigênio necessário para a reação. Os dois são bombeados para dentro da câmara do motor, queimam ali e saem pela tubeira como gás em alta velocidade. Essa é a razão pela qual um foguete é autossuficiente e um avião a jato não pode ir ao espaço: o avião depende do ar externo.

O ponto que quase todo mundo entende errado

Aqui está o conceito central deste artigo. Sair da Terra não é uma questão de subir alto. É uma questão de andar rápido de lado.

Órbita é o nome do movimento de um objeto que gira ao redor de outro sob efeito da gravidade. Estar em órbita da Terra significa estar caindo continuamente na direção do planeta e, ao mesmo tempo, avançar tão rápido na horizontal que a superfície curva “escapa” embaixo do objeto na mesma proporção em que ele desce. O objeto cai para sempre e nunca chega ao chão.

Um foguete que subisse em linha reta, muito alto, e parasse os motores voltaria a cair. Para permanecer lá, ele precisa dessa velocidade lateral: aproximadamente 28.000 km/h, ou algo em torno de 7,8 km/s, no caso da órbita baixa da Terra. Se o objetivo for abandonar de vez a influência gravitacional do planeta — rumo à Lua, a Marte ou ao espaço profundo — a exigência sobe para cerca de 40.000 km/h, aproximadamente 11,2 km/s, valor conhecido como velocidade de escape.

Para ter uma noção mais concreta de quanto significam essas distâncias e velocidades quando comparadas com trajetos do dia a dia, vale brincar um pouco com o conversor de distâncias.

Engenheiros resumem toda essa demanda em uma palavra: delta-v, a variação total de velocidade que o veículo precisa ser capaz de produzir para cumprir a missão. Projetar um foguete é, em boa medida, garantir delta-v suficiente com a menor massa possível.

A curva depois da decolagem

Se a velocidade horizontal é o que importa, por que o foguete começa subindo verticalmente? Por causa da atmosfera. As camadas mais densas ficam logo acima da plataforma, e atravessá-las pelo caminho mais curto — para cima — reduz a resistência do ar e o esforço estrutural.

Assim que ganha altitude, o veículo inclina progressivamente a trajetória, num movimento chamado manobra de inclinação, ou gravity turn. Aos poucos, a subida vertical se transforma em aceleração horizontal, até que, nos minutos finais do lançamento, o foguete esteja praticamente na horizontal, acumulando a velocidade que vai mantê-lo em órbita. Aquela curva suave que aparece nas transmissões de lançamento não é um desvio: é o objetivo.

Estágios: descartar peso para poder acelerar

Um tanque vazio ainda pesa. Um motor que já cumpriu sua função também. Carregar essas peças pelo resto da subida custaria empuxo sem oferecer nada em troca.

Daí a solução dos estágios: o foguete é montado como um conjunto de módulos empilhados, cada um com seus próprios motores e tanques. Quando o propelente de um estágio termina, ele é descartado, e o estágio seguinte acende. A massa que precisa continuar sendo acelerada diminui de uma vez, e o veículo consegue atingir velocidades que seriam inalcançáveis para uma estrutura única.

É por isso que quase todo lançamento ao espaço envolve um foguete de múltiplos estágios. Não é excesso de complexidade — é a única forma prática de resolver a conta entre massa e velocidade.

Onde o Brasil entra nessa história

O Brasil tem um trunfo geográfico no assunto: o Centro de Lançamento de Alcântara, no Maranhão. Sua posição próxima à linha do equador é vantajosa para lançamentos, porque nessa faixa a rotação da Terra contribui com um pequeno “empurrão” extra de velocidade na direção do movimento orbital. Quanto menos velocidade o foguete precisa produzir por conta própria, mais carga útil ele pode levar. O programa espacial brasileiro é coordenado pela Agência Espacial Brasileira.

O resumo em quatro ideias

• O foguete sobe por reação à expulsão de gases, sem precisar de ar externo.
• Ele decola quando o empuxo supera o peso, e a maior parte desse peso é propelente.
• Ficar no espaço depende de velocidade horizontal, não de altitude: perto de 28.000 km/h para órbita baixa.
• Estágios descartáveis existem para eliminar massa inútil e permitir que o restante acelere mais.

Entendida a subida, a pergunta natural é o que acontece depois. Vale ver como funciona a Estação Espacial Internacional, o destino tripulado mais frequente em órbita baixa, e como as tripulações lidam com detalhes tão básicos quanto dormir sem peso.