G-kracht

Deze raceauto op de Nitrolympics TopFuel 2005 kon in 0,86 seconden uit stilstand een snelheid bereiken van 160 km/u, waarbij een gemiddelde horizontale versnelling van 5,2 g (51 m/s²) optrad

De g-kracht (Engels: g-force) wordt in twee betekenissen gebruikt:

1. Een anglicisme waarmee de zwaartekracht of gravitatiekracht - vandaar de g - wordt aangeduid.
2. (onjuist gebruik) De totale kracht die op een bewegend voorwerp werkt en die leidt tot een versnelling die wordt uitgedrukt in een bepaald aantal g, de vrijevalversnelling door zwaartekracht op aarde. De "g-kracht" is de verhouding tussen een kracht en de zwaartekracht.

Uitleg

In betekenis 2 wordt de kracht uitgedrukt in de versnelling die hij veroorzaakt, in verhouding tot de valversnelling g. Anders gezegd, de kracht wordt vergeleken met de zwaartekracht. De valversnelling heeft in Nederland en België een waarde van ongeveer 9,81 m/s². Versnellingen in lucht- en ruimtevaart en in autotests en achtbanen worden vaak vergeleken met g. Een versnelling van bijvoorbeeld 3 g is daardoor gelijk aan 3 × 9,81 = 29,4 m/s². Een 3 g-kracht zou dan een kracht zijn die een versnelling geeft van 3 g = 29,4 m/s², dus 3 maal zo sterk als de zwaartekracht. Bijvoorbeeld als een straaljager versnelt, wordt de piloot in zijn of haar stoel gedrukt. De ondervonden "g-kracht" is dan geen kracht maar de verhouding

${\displaystyle g{\text{-kracht}}={\frac {F_{stoel\ op\ piloot}}{F_{zwaartekracht\ op\ piloot}}}}$

Volgens deze definitie is de g-kracht een verhouding van twee krachten, dus dimensieloos.

Omdat de begrippen kracht en versnelling vaak met elkaar worden verward, wordt het begrip "g-kracht" in de natuurkunde niet gebruikt. De grootte van de kracht hangt ook af van de massa volgens de tweede Wet van Newton. Een 3-g-kracht op bijvoorbeeld een constante massa van 50 kg is

${\displaystyle F_{3g}=3\cdot g\cdot 50\ {\textrm {kg}}=3\cdot 9{,}81\ {\frac {\textrm {m}}{{\textrm {s}}^{2}}}\cdot 50\ {\textrm {kg}}=3\cdot 9{,}81\cdot 50\ {\frac {{\textrm {kg}}\cdot {\textrm {m}}}{{\textrm {s}}^{2}}}=1471{,}5\ {\textrm {N}}}$

Daarentegen is een 3-g-kracht op een constante massa van 100 kg:

${\displaystyle F_{3g}=3\cdot g\cdot 100\ {\textrm {kg}}=3\cdot 9{,}81\ {\frac {\textrm {m}}{{\textrm {s}}^{2}}}\cdot 100\ {\textrm {kg}}=3\cdot 9{,}81\cdot 100\ {\frac {{\textrm {kg}}\cdot {\textrm {m}}}{{\textrm {s}}^{2}}}=2943\ {\textrm {N}}}$

Hier wordt g-kracht als een kracht gegeven.

De beide definities zijn dus met elkaar in strijd. De "g-kracht" is dan ook géén fysisch zinvol begrip.

Effecten van grote versnellingen

Mechanische spanning

Als een massa een grote versnelling ondervindt, brengt dat in de meeste gevallen mechanische spanning met zich mee, bijvoorbeeld bij een staand persoon drukspanning in het grootste deel van het lichaam en rekspanning in naar beneden hangende armen. Mensen en broze voorwerpen kunnen daardoor maar een beperkte g-kracht verdragen.

Een overal gelijke gravitatiekracht geeft op zichzelf geen mechanische spanning omdat de kracht gelijkmatig (evenredig met de dichtheid) door het hele voorwerp of lichaam aangrijpt.^[1]

Andere krachten grijpen plaatselijk aan, zoals via de vloer, de wand, de stoel, een paal of andere handgreep waaraan men zich vasthoudt, een veiligheidsgordel, een tuig, een spanband, haak, enzovoorts. Een vloeistof kan de kracht gelijkmatig verdelen over een oppervlak, zoals bij zwemmen en bij landen op water. In uitzonderingsgevallen kunnen ook niet-gravitatiekrachten min of meer gelijkmatig door het hele voorwerp of lichaam aangrijpen, zoals elektrische of magnetische krachten, bijvoorbeeld bij diamagnetische levitatie; er is dan wel een kracht die de zwaartekracht opheft, maar nauwelijks mechanische spanning. Omgekeerd kunnen er uiteraard tegengestelde niet-gravitatiekrachten werken op een voorwerp.

Biologisch effect

Bij de mens stroomt bij een extra versnelling in dezelfde richting met de valversnelling het bloed de hersenen in; dit wordt over het algemeen als onprettig ervaren. Bij versnelling in tegengestelde richting stroomt het bloed uit de hersenen, wat kan leiden tot verlies van bewustzijn. De grootte van de verticale g-kracht waarbij een mens buiten bewustzijn raakt, varieert met de lichamelijke gesteldheid, geoefendheid, verloop van de kracht en duur van de kracht. Een ongeoefend mens kan van 6 g buiten bewustzijn raken als deze langere tijd aanhoudt. Er is speciale kleding die deze grens kan verhogen. Bijvoorbeeld piloten van de Red Bull Air Race^[2] kunnen (in hun pak) versnellingen van 14 g aan. Zij houden wel een marge van 2 g aan voor de veiligheid, dus ze gaan niet verder dan 12 g.

In een centrifuge worden gevechtsvliegers, autocoureurs en astronauten voorbereid op hoge g-krachten, bijvoorbeeld bij het Centrum voor Mens en Luchtvaart (CML) in Soesterberg.^[3][4]

Zwaartekracht als gewone kracht

Sommige natuurkundigen hebben wel onderscheid gemaakt tussen enerzijds zwaartekracht – een "echte" kracht – en de ondervonden kracht zoals in de hierboven beschreven ruimtecapsule: een schijnkracht omdat de waarnemer zelf versneld meebeweegt. Albert Einstein stelde in zijn equivalentieprincipe dat er eigenlijk geen principieel verschil is. Zwaartekracht geeft volgens de relativiteitstheorie op dezelfde wijze als andere krachten een versnelling – de trage massa bleek gelijk aan de zware massa.

Toepassing

Ruimtevaart

Als een raketmotor een versnelling van 9,81 m/s² geeft lijkt een persoon in deze raket met eenzelfde kracht tegen de wand van de capsule gedrukt te worden als de zwaartekracht op aarde (in werkelijkheid wordt de wand tegen de persoon gedrukt). Je zou dus kunnen stellen dat er in de capsule zwaartekracht is gesimuleerd. De ondervonden kracht levert een versnelling van 1 g, naast de versnelling door de zwaartekracht, terwijl het gewicht van de astronaut (kracht op de zetel) als op aarde is.

Bij de landing van de Command Module van de Apollo 12 in zee ondervonden de astronauten zonder schadelijke gevolgen een negatieve versnelling (remming) van 15 g.^[5]

Cirkelbeweging

Als een voertuig eenparig een cirkelbaan beschrijft is een extra kracht nodig die naar het middelpunt is gericht om het voertuig op zijn baan te houden: de middelpuntzoekende kracht. Het extra schijnbare gewicht is naar buiten gericht: het voertuig wil niet door de bocht maar een rechte lijn beschrijven. Deze schijnkracht wordt middelpuntvliedende kracht genoemd, die dus meedraait met het voertuig. De totale kracht is dus schuin naar binnen en omhoog gericht, en het schijnbare gewicht schuin naar buiten en omlaag.

Een bocht in een weg of spoorweg helt soms naar binnen zodat de benodigde kracht door de normaalkracht wordt geleverd, en niet zoveel wrijvingskracht (of dwarskracht van de rails) nodig is.

De grootte is ${\displaystyle {\frac {v^{2}}{r}}=\omega ^{2}r}$ met v de snelheid, r de straal, en ${\displaystyle \omega }$ de hoeksnelheid in radialen per tijdseenheid. In een ruimteschip kan deze kracht in principe voor een kunstmatige zwaartekracht zorgen. Zie ook Corioliseffect.

Achtbaan

Superman: The Escape. Attractie van Six Flags Magic Mountain in Californië die 6,5 seconden gewichtsloosheid oplevert.

In een achtbaan wordt sensatie opgewekt door snel veranderende krachten. Een versnelling omhoog (bijvoorbeeld als je wordt afgeschoten) treedt op als de totale krachten groter worden; je voelt dat je in je stoel wordt gedrukt. Een versnelling omlaag die ongeveer gelijk is aan de valversnelling geeft je een gevoel van gewichtsloosheid.

Er zijn regels opgesteld die aangeven hoeveel g versnelling een bezoeker van een attractie mag ervaren tijdens een rit in een achtbaan. 5,2 g is het maximum, met als voorwaarde dat deze versnelling langzaam wordt opgebouwd en verticaal op het lichaam werkt zodat het hoofd in de rugwervel gedrukt wordt. Bij een versnelling van 5 g is de totale kracht op een lichaam vijf keer zo groot als de normale kracht door de zwaartekracht: het voelt alsof het eigen gewicht vijf keer extra gedragen moet worden.

Zie ook

• Zwaartekracht
• Middelpuntzoekende kracht
• Corioliseffect