¿Por qué exactamente la ecuación del cohete de física contiene un logaritmo natural?

Supongo que te refieres a la ecuación del cohete Tsiolkovsky.

La intuición detrás de esto es que requiere exponencialmente más combustible para lograr un aumento lineal en delta-v. Para obtener más combustible en órbita, necesita más propulsores para levantarlo, lo que significa más propulsores para levantarlo, etc. Y dado que un cohete alimentado es más pesado, duplicar el combustible en una etapa dada no duplica el delta -v, ya que la mayor parte del combustible se destina a acelerar otro combustible.

Si desea la razón matemática, es porque la integración del cambio en la velocidad de la masa wrt resulta en un logaritmo natural.

El cambio instantáneo en la velocidad es el empuje del cohete dividido por su masa actual. El empuje es el producto de la velocidad de escape efectiva y el caudal másico del propulsor. Notarás que estamos integrando una función con la masa en el denominador wrt mass, que naturalmente da como resultado el logaritmo natural.