Fuerza G

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La fuerza G es una medida de fuerza, una medida intuitiva de aceleración. Está basada en la aceleración que produciría la gravedad en un objeto cualquiera en condiciones ideales (sin atmósfera u otro rozamiento). Una aceleración de 1G es generalmente considerado como igual a la gravedad estándar, que es de 9.80665 metros por segundo cuadrado (m/s2).[1]

La fuerza G para un objeto es de 0G en cualquier ambiente sin gravedad, como una caída libre o un satélite orbitando la Tierra y de 1G a cualquier objeto estacionario en la superficie de la Tierra al nivel del mar. Aparte de esto, las fuerzas G pueden ser mayores a 1, como en una montaña rusa, en una centrifugadora o en un cohete.

La medición de las fuerzas G se hace por medio de un acelerómetro.

Origen de estas fuerzas[editar]

La aceleración es un fenómeno familiar para cualquiera que se haya subido a un automóvil, experimentándose en cada cambio de dirección y velocidad respecto al punto de referencia. Cuando cambian algunas de estas, se pueden sentir cambios laterales (de lado a lado) y longitudinales (de adelante hacia atrás).

La aceleración y la fuerza G puede ser expresada en términos más familiares: Una aceleración de 1G es la variación de la velocidad en aproximadamente 35 km/h (22 mph) por cada segundo. Un automóvil de alto rendimiento puede frenar (desacelerar) a aproximadamente 1G. Esto significa que un automóvil que viaje a 105 km/h (66 mph) y frene en 1 segundo experimentará una fuerza de 3G.

La expresión "1G= 9,80665 m/s2" significa que por cada segundo que pasa, la velocidad varia en 9,80665 m/s (35,30394 km/h).

Aceleración y fuerzas[editar]

Tercera ley de Newton: Ley de las fuerzas opuestas.

En 1687 Newton escribió sus conocidas leyes de Newton. En su segunda ley, la ley de la aceleración, Newton planteó una ecuación que reducida se escribe como F=ma. Esta fórmula enuncia que la Fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la Masa multiplicado por la Aceleración.

En la tercera ley de Newton, la ley de las fuerzas opuestas, dice:

3 ley de Newton: Todas las fuerzas ocurren en pareja, y cada una de esas fuerzas es igual a la otra, solo que en sentido opuesto.

Para Newton (y para todos nosotros), su tercera ley determinaba que la gravedad actuando hacia abajo no era la única fuerza que actuaba para mantener tus manos abajo. Simultáneamente, para levantar tus manos debes aplicar una fuerza mayor a ésta en la dirección opuesta, es decir, hacia arriba. Cuando lanzas una piedra hacia el suelo, no hay fuerzas que actúan en la dirección contraria, por lo que acelerará. Esto esta de acuerdo con la primera ley de Newton: La ley de inercia.

Ecuación para fuerza G[editar]

Para calcular la fuerza que actúa sobre un cuerpo de masa m, en un campo gravitatorio de aceleración de la gravedad g, según la segunda ley de Newton:


   \mathbf{F} =
   m \cdot \mathbf{g}

Donde si la masa se expresa en kg, y la aceleración g en m/s², la fuerza F se obtendrá en newton. La fuerza: F, al ser una magnitud vectorial tiene la misma dirección y sentido que la aceleración g.

Tolerancia humana[editar]

Experimento de Estados Unidos con fuerzas G.

La tolerancia humana depende de la magnitud de la fuerza G, la duración, la dirección, el lugar aplicado y la postura del cuerpo.[2]

El cuerpo humano es flexible y deformable (ley de la materia), particularmente los tejidos livianos. Un gran golpe en la cara podría llegar a los cientos de Gs, pero no produciría ningún daño real; 16G por un minuto puede ser, sin duda, mortal. Cuando hay vibración de por medio, fuerzas Gs relativamente bajas pueden dañar seriamente si se encuentran en la frecuencia de resonancia de los órganos y tejidos.

Hasta cierto grado, la tolerancia a las fuerzas G puede ser entrenable, habiendo una considerable variación entre la resistencia de distintos individuos. Algunas enfermedades, como los problemas cardiovasculares, reducen la tolerancia a la Fuerza-G.

Fuerzas G verticales[editar]

Los aviones, en general, ejercen una gran fuerza G en el eje relacionado con subir y bajar. Esto causa una gran variación en la presión sanguínea, la que limita la tolerancia máxima. Además, las fuerzas G se pueden ver en un avión de combate o de acrobacia ya que los pilotos se ven expuestos a grandes cambios de gravedad con sus movimientos.

En los aviones, las fuerzas G normalmente están orientadas hacia los pies, haciendo que llegue menos sangre al cerebro; causando principalmente problemas de visión y al cerebro. Además causa la casi inmovilidad de las extremidades, ya que deben soportar casi 1000 veces su peso. Mientras que las fuerzas G aumentan, puede ocurrir un brownout o un grayout, donde la visión pierde exactitud. Si las fuerzas G aumentan aparecerá la visión de túnel. Si siguen en aumento, se perderá la visión, pero se mantendrá la consciencia. Este punto es llamado "blacking out". Pasado este punto, se llegará a la pérdida de consciencia, conocido como G-LOC (LOC por pérdida de la conciencia en inglés). Mientras que la tolerancia varía, una persona normal puede resistir 5G (49 m/s2) antes del G-LOC, pero con trajes antigravedad y técnicas de tensado de músculos, ambos actuando para devolver la sangre al cerebro, los pilotos modernos pueden soportar hasta 9G (88 m/s2) mantenidos (por un periodo) o más (entrenamiento para altas G).

La resistencia a las fuerzas G negativas, las cuales fuerzan la sangre hacia la cabeza, es mucho menor. El límite promedio es de -2G a -3G (-20 m/s2 a -30 m/s2). La visión de la persona se torna roja, (red out). Esto es probablemente por que los capilares de los ojos se inflaman o explotan debido a la mayor presión.

Fuerzas G horizontales[editar]

El cuerpo humano está mejor capacitado para resistir fuerzas G horizontales que verticales. Generalmente cuando la aceleración es hacia delante, por lo que la fuerza empuja al cuerpo hacia atrás (coloquialmente "los ojos hacia dentro"[3] ), habiendo una mejor tolerancia que cuando es en la dirección contraria ("los ojos hacia afuera"), debido a que los vasos sanguíneos son más sensibles en esa dirección.

Recientes experimentos demuestran que las personas sin ninguna clase de entrenamiento pueden llegar a soportar 17G hacia delante, (comparado contra los 12 G máximos de fuerza hacia atrás) por muchos minutos sin perder el conocimiento o terminar con daños aparentes.[4]

Ejemplos de aceleraciones[editar]

Valor
(o rango)
Satélites en órbita y pruebas de gravedad cero[5] 0 G
Superficie de la luna en el Ecuador 0,1654 G
Superficie de la tierra en el Ecuador al nivel del mar. 1 G
Cohete lunar Saturno V recién despegando 1,14 G
Máximo de una Lanzadera espacial durante el despegue y el reingreso a la atmósfera. 3 G
Montañas rusas más veloces[6] 3,5–5 G
Apolo 16 en reingreso[7] 7,19 G
Viraje máximo normal en un avión acrobático o un jet de combate. 9 G
Máximo para un humano en un trineo cohete (John Stapp) 46,2 G
Misil Sprint 100 G
Corta exposición de una persona a un choque[8] >100 G
Capacidad de absorción de relojes mecánicos[9] 5.000–7.500 G
Munición 9 × 19 Parabellum de mano
(Largo promedio de una munición)[10]
31.000 G
Munición de mano 9 × 19 Parabellum , máximo[11] 190.000 G

Otros ejemplos:

  • Al detectar 3Gs saltan los airbag.
  • Un caza en un giro puede producir 7 Gs. Para compensar la fuerza se utilizan trajes anti-G .
  • Un automóvil de Fórmula 1 puede producir en frenada 5 G, y 5 G laterales en las curvas.
  • Un coche de calle en una frenada de emergencia produce alrededor de 1 G.
  • Robert Kubica, en su brutal accidente en el GP de Canadá de F1 en 2007, sufrió un pico de 75 G durante un milisegundo.[12]
  • Ralf Schumacher en Indianápolis sufrió un brutal accidente, del que salió sin graves problemas, pero con un pico de 72 G.
  • En un viaje en montaña rusa se producen rápidos cambios entre G positivas (a menudo se suelen alcanzar sobre las 4 G) y negativas (sobre -1 G), lo que produce la sensación típica que llama la atención a la gente y hace que estas atracciones gusten tanto.
  • Kenny Brack sufrió un accidente con un pico de 214 G en la categoría Indy Car el año 2003, en Texas. Esto le produjo la fractura de su esternón y fémur, así como el dislocamiento de su tobillo y una fractura por compresión en una vértebra, le tomo 18 meses recuperarse, para luego hacer una vuelta rápida en Indianápolis a 366 km/h.

Nota: El récord mundial voluntario que ha resistido el hombre en fuerza G es de 82,6 G durante sólo 0,04 segundos.[13]

Referencias[editar]

  1. BIPM: Declaration on the unit of mass and on the definition of weight; conventional value of gn
  2. Beyond the Black Box: the Forensics of Airplane Crashes; George Bibel, Johns Hopkins University Press, 2008 (ISBN 0-8018-8631-7), p350
  3. NASA Physiological Acceleration Systems
  4. NASA Technical note D-337, Centrifuge Study of Pilot Tolerance to Acceleration and the Effects of Acceleration on Pilot Performance, by Brent Y. Creer, Captain Harald A. Smedal, USN (MC), and Rodney C. Vtlfngrove
  5. Stanford University: Gravity Probe B, Payload & Spacecraft, and NASA: Investigation of Drag-Free Control Technology for Earth Science Constellation Missions. The TRIAD 1 satellite was a later, more advanced navigation satellite that was part of the U.S. Navy’s Transit, or NAVSAT system.
  6. Beyond the Black Box: the Forensics of Airplane Crashes; George Bibel, Johns Hopkins University Press, 2008 (ISBN 0-8018-8631-7), p340
  7. NASA: Table 2: Apollo Manned Space Flight Reentry G Levels
  8. “Several Indy car drivers have withstood impacts in excess of 100 G without serious injuries.” Dennis F. Shanahan, M.D., M.P.H.: ”Human Tolerance and Crash Survivability, citing Society of Automotive Engineers. Indy racecar crash analysis. Automotive Engineering International, June 1999, 87-90. And National Highway Traffic Safety Administration: Recording Automotive Crash Event Data
  9. Omega FAQ, Ball Watch Technology
  10. Assuming a 124 grain (8.04 gram) bullet, a muzzle velocity of 1,150 ft/s (350 m/s), and a 4‑inch (102 mm) barrel.
  11. Assuming a 124 grain (8.04 gram) bullet, a peak pressure of 35,000 psi (241 MPa) and 100 pounds (440 N) of friction.
  12. «Escalofriantes datos del accidente de Kubica « Todomotor.net».
  13. Los Récords Guiness más extravagantes del mundo