Come si calcolano le forze G?

Il 29 aprile 2001, I funzionari CART (Championship Auto Racing Teams) hanno annullato una gara al Texas Motor Speedway perché i piloti hanno avuto vertigini dopo appena 10 giri. La combinazione di alte velocità e curve strette al Texas Motor Speedway produce forze di quasi 5 G nelle curve. Un G è la forza di gravità terrestre:è questa forza che determina quanto pesiamo. A 5 G, un pilota subisce una forza pari a cinque volte il suo peso. Ad esempio, durante una virata 5-G, ci sono da 60 a 70 libbre di forza che tirano la testa di lato. Vediamo come calcolare quanti G un'auto tira in una curva e come queste auto Champ possono rimanere in pista sotto tanta forza.

Calcolare il forze G sui driver è in realtà abbastanza semplice. Abbiamo solo bisogno di conoscere il raggio delle curve e la velocità delle auto. Secondo i fatti della pista del Texas Motor Speedway, le curve in pista hanno un raggio di 750 piedi (229 metri). Durante la pratica, le auto giravano a circa 230 miglia all'ora (370 km/h).

Quando un'auto fa una svolta, accelera per tutto il tempo (ecco perché, quando fai un giro con la tua macchina, senti una forza che spinge il tuo corpo verso l'esterno dell'auto). La quantità di accelerazione è uguale alla velocità dell'auto al quadrato divisa per il raggio della svolta:

Eseguiamo i numeri:

230 mph sono 337 piedi al secondo (f/s).
(337 f/s) ² / 750 piedi =circa 151 f/s ² .
L'accelerazione di gravità (1 G) è 32 f/s ² .
151 / 32 =4,74 Gs sperimentato dai conducenti.

Come può la macchina rimanere in pista sotto questo tipo di forza? È a causa delle virate inclinate.

Il Texas Motor Speedway ha un'inclinazione di 24 gradi nelle curve. Il banking non influisce sul modo in cui calcoliamo le forze G sul conducente, ma senza le operazioni bancarie le auto non potrebbero mai fare una svolta così stretta a 230 mph. Vediamo come la banca aiuta.

Se una Champ Car ha provato a fare una curva piatta a 230 mph, scivolerebbe fuori pista perché non ha abbastanza trazione. La trazione è proporzionale a quanto peso è sulle gomme (più peso, maggiore è la trazione). Inclinare una curva consente ad alcune delle forze G create nella curva di aumentare il peso sulle gomme, aumentando la trazione. Per capire quale porzione della G aggiunge peso alle gomme, si moltiplicano le forze G per il seno del grado bancario. Nel nostro esempio:

Quindi con un sistema bancario a 24 gradi, 1,93 G aggiunge peso alle ruote. Inoltre, una porzione di 1 G dalla gravità terrestre mette anche un po' di peso sui pneumatici:1 G x cos24° =0,91 Gs. Insieme, 2,84 G (o 2,84 volte il peso dell'auto) spingono verso il basso l'auto durante la curva, aiutandolo a rimanere in pista.

Anche l'aerodinamica della vettura crea notevoli carico aerodinamico a 230 miglia orarie. In aereo, le ali forniscono ascensore. Una Champ Car ha spoiler che sono come ali capovolte, fornendo l'opposto della portanza:il carico aerodinamico. Il carico aerodinamico mantiene la vettura incollata alla pista con una pressione verso il basso fornita dai parafanghi anteriori e posteriori, oltre che dal corpo stesso. La quantità di carico aerodinamico è sorprendente:una volta che l'auto viaggia a 200 mph (322 km/h), c'è abbastanza carico aerodinamico sull'auto che potrebbe effettivamente aderire al soffitto di un tunnel e guidare sottosopra! In una gara su strada, l'aerodinamica ha abbastanza aspirazione per sollevare effettivamente i chiusini - prima della gara, tutti i chiusini sono saldati per evitare che ciò accada!

Tra il carico aerodinamico e le forze G, ben più di quattro volte il peso dell'auto tiene le gomme in pista quando gira intorno a una di quelle curve inclinate di 24 gradi a 230 mph.

I piloti subiscono un'enorme quantità di punizioni su una pista come questa. Questo livello di accelerazione è più alto di quanto la maggior parte delle persone abbia mai sperimentato. Anche la navetta spaziale sviluppa solo 3 G quando decolla. Ciò che è ancora più sorprendente è quanto a lungo questi piloti tollerano questo tipo di forza. Il Texas Motor Speedway è lungo 1,5 miglia (2,4 km):il tratto anteriore è 2, 250 piedi (686 m) di lunghezza, e l'allungamento della schiena è 1, 330 piedi (405 m) di lunghezza. A 230 mph (337 f/s), i piloti impiegano circa 6,5 secondi per percorrere il tratto anteriore, e poi vengono sbattuti da quasi 5 G di forza per i successivi 6,5 secondi mentre girano intorno alla curva. Ci vogliono solo circa 4 secondi per percorrere il tratto posteriore prima della prossima curva e altri 6,5 secondi di quasi 5 G. Se si fosse svolta la prevista gara di 600 miglia (966 km), i piloti sarebbero andati avanti e indietro tra 5 e quasi zero G per un totale di 800 volte.

Pubblicato originariamente:10 maggio 2001

Domande frequenti sul calcolo della forza G

Quanto è veloce la forza G in miglia orarie?

Un G di forza equivale a 22 miglia orarie.

Quali sono i tre tipi di forze G?

Esistono tre tipi di forze G:lineare, radiale e angolare.

Qual è un esempio di forza G?

In parole povere, La forza G è la forza che un corpo sente quando accelera. Un esempio comune è quando si guida sulle montagne russe. Quando prende velocità, potresti sentirti come se fossi spinto indietro nel tuo posto. Questa è la forza G in azione.

Come si trova la forza G di un ciclo?

Due forze sono all'opera contemporaneamente. Per trovare la forza G, dividere la forza esercitata dal conducente per la sua massa e poi convertirla in Gs.