La fuerza g o equivalente de fuerza gravitacional es una fuerza específica de masa (fuerza por unidad de masa), expresada en unidades de gravedad estándar (símbolo g o g 0 , que no debe confundirse con "g", el símbolo de los gramos ). Se utiliza para aceleraciones sostenidas , que provocan una percepción de peso . Por ejemplo, un objeto en reposo sobre la superficie de la Tierra está sujeto a 1 g , lo que equivale al valor convencional de la aceleración gravitacional en la Tierra, aproximadamente9,8 m/ s2 . [1] Una aceleración más transitoria, acompañada de una sacudida significativa , se denomina choque .
Cuando la fuerza g se produce cuando la superficie de un objeto es empujada por la superficie de otro objeto, la fuerza de reacción a este empuje produce una fuerza igual y opuesta para cada unidad de masa de cada objeto. Los tipos de fuerzas involucradas se transmiten a través de los objetos mediante tensiones mecánicas interiores . La aceleración gravitacional es una de las causas de la aceleración de un objeto en relación con la caída libre . [2] [3]
La fuerza g experimentada por un objeto se debe a la suma vectorial de todas las fuerzas gravitacionales y no gravitacionales que actúan sobre la libertad de movimiento de un objeto. En la práctica, como se señaló, se trata de fuerzas de contacto superficial entre objetos. Estas fuerzas provocan tensiones y deformaciones en los objetos, ya que deben transmitirse desde la superficie del objeto. Debido a estas tensiones, las grandes fuerzas G pueden ser destructivas.
Por ejemplo, una fuerza de 1 g sobre un objeto que se encuentra en la superficie de la Tierra es causada por la fuerza mecánica ejercida hacia arriba por el suelo , evitando que el objeto entre en caída libre. La fuerza de contacto ascendente desde el suelo asegura que un objeto en reposo sobre la superficie de la Tierra esté acelerando en relación con la condición de caída libre. (La caída libre es el camino que seguiría el objeto al caer libremente hacia el centro de la Tierra). La tensión dentro del objeto está garantizada por el hecho de que las fuerzas de contacto con el suelo se transmiten únicamente desde el punto de contacto con el suelo.
Los objetos a los que se les permite caer libremente en una trayectoria inercial bajo la influencia de la gravitación sólo no sienten fuerza g, una condición conocida como ingravidez . También se denomina " fuerza g cero ", aunque la escisión más correcta es "fuerza g cero". Esto se demuestra por las condiciones de fuerza g cero dentro de un ascensor que cae libremente hacia el centro de la Tierra (en el vacío), o (en buena aproximación) por las condiciones dentro de una nave espacial en órbita terrestre . Estos son ejemplos de aceleración coordinada (un cambio de velocidad) sin sensación de peso.
En ausencia de campos gravitacionales, o en direcciones perpendiculares a ellos, las aceleraciones propias y coordinadas son las mismas, y cualquier aceleración coordinada debe ser producida por una aceleración de fuerza g correspondiente. Un ejemplo aquí es un cohete en el espacio libre, en el que los motores producen cambios simples de velocidad que producen fuerzas g sobre el cohete y los pasajeros.
La unidad de medida de la aceleración en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es m/s 2 . [4] Sin embargo, para distinguir la aceleración relativa a la caída libre de la aceleración simple (tasa de cambio de velocidad), a menudo se utiliza la unidad g . Un g es la fuerza por unidad de masa debida a la gravedad en la superficie de la Tierra y es la gravedad estándar (símbolo: g n ), definida como9,806 65 metros por segundo al cuadrado , [5] o equivalente9,806 65 newtons de fuerza por kilogramo de masa. La definición de unidad no varía según la ubicación: la fuerza g cuando se está en la Luna es casi exactamente 1 ⁄ 6 que en la Tierra. La unidad g no es una de las unidades SI, que utiliza "g" para gramo . Además, " g " no debe confundirse con " G ", que es el símbolo estándar de la constante gravitacional . [6] Esta notación se usa comúnmente en la aviación, especialmente en la aviación militar acrobática o de combate, para describir las fuerzas aumentadas que deben superar los pilotos para permanecer conscientes y no g-LOC ( pérdida de conciencia inducida por g ). [7]
La medición de la fuerza g generalmente se logra usando un acelerómetro (consulte la discusión a continuación en la sección #Medición usando un acelerómetro). En determinados casos, las fuerzas G pueden medirse utilizando escalas adecuadamente calibradas.
El término g-"fuerza" es técnicamente incorrecto ya que es una medida de aceleración , no de fuerza. Si bien la aceleración es una cantidad vectorial , las aceleraciones de fuerza g ("fuerzas g" para abreviar) a menudo se expresan como un escalar , basado en la magnitud vectorial, con fuerzas g positivas apuntando hacia abajo (que indica aceleración hacia arriba) y fuerzas g negativas. fuerzas que apuntan hacia arriba. Por tanto, una fuerza g es un vector de aceleración. Es una aceleración que debe ser producida por una fuerza mecánica, y no puede ser producida por simple gravitación. Los objetos sobre los que actúa únicamente la gravitación no experimentan (o "sienten") ninguna fuerza g y no pesan. Las fuerzas g, cuando se multiplican por una masa sobre la que actúan, están asociadas con un cierto tipo de fuerza mecánica en el sentido correcto del término "fuerza", y esta fuerza produce tensión de compresión y tensión de tracción . Tales fuerzas dan como resultado la sensación operativa de peso , pero la ecuación conlleva un cambio de signo debido a la definición de peso positivo en la dirección hacia abajo, por lo que la dirección del peso-fuerza es opuesta a la dirección de la aceleración de la fuerza g:
La razón para el signo menos es que la fuerza real (es decir, el peso medido) sobre un objeto producido por una fuerza g está en la dirección opuesta al signo de la fuerza g, ya que en física, el peso no es la fuerza que produce la aceleración, sino más bien la fuerza de reacción igual y opuesta a ella. Si la dirección hacia arriba se toma como positiva (la convención cartesiana normal), entonces la fuerza g positiva (un vector de aceleración que apunta hacia arriba) produce una fuerza/peso sobre cualquier masa, que actúa hacia abajo (un ejemplo es la aceleración g positiva de un cohete). lanzamiento, produciendo peso hacia abajo). De la misma manera, una fuerza g negativa es un vector de aceleración hacia abajo (la dirección negativa en el eje y), y esta aceleración hacia abajo produce una fuerza de peso en dirección hacia arriba (tirando así al piloto hacia arriba fuera del asiento, y forzando la sangre hacia la cabeza de un piloto normalmente orientado).
Si una fuerza g (aceleración) es vertical hacia arriba y es aplicada por el suelo (que acelera a través del espacio-tiempo) o por el piso de un ascensor a una persona de pie, la mayor parte del cuerpo experimenta una tensión de compresión que a cualquier altura , si se multiplica por el área, es la fuerza mecánica relacionada, que es el producto de la fuerza g y la masa apoyada (la masa sobre el nivel de soporte, incluidos los brazos que cuelgan desde encima de ese nivel). Al mismo tiempo, los propios brazos experimentan una tensión de tracción, que a cualquier altura, si se multiplica por el área, es nuevamente la fuerza mecánica relacionada, que es el producto de la fuerza g y la masa que cuelga debajo del punto de apoyo mecánico. . La fuerza de resistencia mecánica se propaga desde los puntos de contacto con el piso o la estructura de soporte y disminuye gradualmente hacia cero en los extremos sin soporte (la parte superior en el caso de un soporte desde abajo, como un asiento o el piso, la parte inferior para una parte colgante). del cuerpo u objeto). Con la fuerza de compresión contada como fuerza de tracción negativa, la tasa de cambio de la fuerza de tracción en la dirección de la fuerza g, por unidad de masa (el cambio entre partes del objeto de modo que la porción del objeto entre ellas tenga una unidad de masa) , es igual a la fuerza g más las fuerzas externas no gravitacionales en el corte, si las hay (contadas como positivas en la dirección opuesta a la fuerza g).
Para una fuerza g dada, las tensiones son las mismas, independientemente de si esta fuerza g es causada por una resistencia mecánica a la gravedad, o por una aceleración coordinada (cambio de velocidad) causada por una fuerza mecánica, o por una combinación de estas. . Por lo tanto, para las personas, todas las fuerzas mecánicas se sienten exactamente iguales, ya sea que causen una aceleración coordinada o no. Del mismo modo, para los objetos, la cuestión de si pueden soportar la fuerza g mecánica sin sufrir daños es la misma para cualquier tipo de fuerza g. Por ejemplo, la aceleración hacia arriba (por ejemplo, aumento de velocidad al subir o disminución de velocidad al bajar) en la Tierra se siente igual que estar estacionario en un cuerpo celeste con una mayor gravedad superficial . La gravitación actuando por sí sola no produce ninguna fuerza g; La fuerza g sólo se produce mediante empujones y tirones mecánicos. Para un cuerpo libre (uno que es libre de moverse en el espacio), tales fuerzas g sólo surgen cuando se modifica la trayectoria "inercial" que es el efecto natural de la gravitación, o el efecto natural de la inercia de la masa. Tal modificación sólo puede surgir de influencias distintas a la gravitación.
Ejemplos de situaciones importantes que involucran fuerzas g incluyen:
Un ejemplo clásico de fuerza g negativa es el de una montaña rusa completamente invertida que acelera (cambia de velocidad) hacia el suelo. En este caso, los pasajeros de la montaña rusa son acelerados hacia el suelo más rápido de lo que la gravedad los aceleraría y, por lo tanto, quedan inmovilizados boca abajo en sus asientos. En este caso, la fuerza mecánica ejercida por el asiento provoca la fuerza g al alterar la trayectoria del pasajero hacia abajo de una manera que difiere de la aceleración gravitacional. La diferencia en el movimiento hacia abajo, ahora más rápido que el que proporcionaría la gravedad, es causada por el empuje del asiento y da como resultado una fuerza g hacia el suelo.
Todas las "aceleraciones coordinadas" (o la falta de ellas) se describen mediante las leyes del movimiento de Newton de la siguiente manera:
La Segunda Ley del Movimiento , la ley de la aceleración, establece que F = ma , lo que significa que una fuerza F que actúa sobre un cuerpo es igual a la masa m del cuerpo multiplicada por su aceleración a .
La Tercera Ley del Movimiento , la ley de las acciones recíprocas, establece que todas las fuerzas ocurren en pares, y estas dos fuerzas son iguales en magnitud y opuestas en dirección. La tercera ley del movimiento de Newton significa que la gravedad no sólo se comporta como una fuerza que actúa hacia abajo sobre, por ejemplo, una roca sostenida en la mano, sino también que la roca ejerce una fuerza sobre la Tierra, igual en magnitud y de dirección opuesta.
En un avión, se puede considerar el asiento del piloto como la mano que sostiene la roca, y el piloto como la roca. Cuando vuela recto y nivelado a 1 g , la fuerza de gravedad actúa sobre el piloto. Su peso (una fuerza hacia abajo) es de 725 newtons (163 lb f ). De acuerdo con la tercera ley de Newton, el avión y el asiento debajo del piloto proporcionan una fuerza igual y opuesta que empuja hacia arriba con una fuerza de 725 N. Esta fuerza mecánica proporciona la aceleración adecuada hacia arriba de 1,0 g sobre el piloto, aunque esta velocidad en el la dirección hacia arriba no cambia (esto es similar a la situación de una persona parada en el suelo, donde el suelo proporciona esta fuerza y esta fuerza g).
Si el piloto de repente tirara hacia atrás la palanca y hiciera que su avión acelerara hacia arriba a 9,8 m/s 2 , la fuerza g total sobre su cuerpo es 2 g , la mitad de la cual proviene del asiento que empuja al piloto a resistir la gravedad. y la mitad desde el asiento empujando al piloto para provocar su aceleración hacia arriba, un cambio de velocidad que también es una aceleración adecuada porque también difiere de una trayectoria de caída libre. Considerado en el marco de referencia del avión, su cuerpo ahora genera una fuerza de 1450 N (330 lb f ) hacia abajo en su asiento y el asiento empuja simultáneamente hacia arriba con una fuerza igual de 1450 N.
La aceleración sin oposición debida a fuerzas mecánicas y, en consecuencia, a la fuerza g, se experimenta siempre que alguien viaja en un vehículo porque siempre provoca una aceleración adecuada y (en ausencia de gravedad) también siempre una aceleración coordinada (donde la velocidad cambia). Cada vez que el vehículo cambia de dirección o de velocidad, los ocupantes sienten fuerzas laterales (de lado a lado) o longitudinales (hacia delante y hacia atrás) producidas por el empuje mecánico de sus asientos.
La expresión "1 g =9.806 65 m/s 2 " significa que por cada segundo que transcurre, la velocidad cambia9.806 65 metros por segundo (35,303 94 km/h ). Esta tasa de cambio en la velocidad también se puede denotar como9,806 65 (metros por segundo) por segundo, o9,806 65 m/s 2 . Por ejemplo: una aceleración de 1 g equivale a una tasa de cambio en la velocidad de aproximadamente 35 km/h (22 mph) por cada segundo que transcurre. Por tanto, si un automóvil es capaz de frenar a 1 g y circula a 35 km/h, puede frenar hasta detenerse en un segundo y el conductor experimentará una desaceleración de 1 g . Un automóvil que viaja a tres veces esta velocidad, 105 km/h (65 mph), puede frenar hasta detenerse en tres segundos.
En el caso de un aumento de velocidad de 0 a v con aceleración constante dentro de una distancia de s , esta aceleración es v 2 /(2 s ).
Preparar un objeto para la tolerancia g (que no se dañe cuando se somete a una fuerza g alta) se llama endurecimiento g. [ cita necesaria ] Esto puede aplicarse, por ejemplo, a instrumentos en un proyectil disparado por un arma de fuego .
Las tolerancias humanas dependen de la magnitud de la fuerza gravitacional, el tiempo que se aplica, la dirección en la que actúa, el lugar de aplicación y la postura del cuerpo. [9] [10] : 350
El cuerpo humano es flexible y deformable, especialmente los tejidos más blandos. Una fuerte bofetada en la cara puede imponer brevemente cientos de g localmente pero no producir ningún daño real; Sin embargo, una dosis constante de 16 g durante un minuto puede ser mortal. Cuando se experimentan vibraciones , los niveles máximos de fuerza G relativamente bajos pueden ser gravemente dañinos si se encuentran en la frecuencia de resonancia de órganos o tejidos conectivos. [ cita necesaria ]
Hasta cierto punto, la tolerancia g se puede entrenar y también existe una variación considerable en la capacidad innata entre los individuos. Además, algunas enfermedades, en particular los problemas cardiovasculares , reducen la tolerancia a los g.
Los pilotos de aviones (en particular) sostienen fuerzas g a lo largo del eje alineado con la columna. Esto provoca una variación significativa en la presión arterial a lo largo del cuerpo del sujeto, lo que limita las fuerzas G máximas que pueden tolerarse.
La fuerza G positiva, o "hacia arriba", impulsa la sangre hacia abajo, hasta los pies de una persona sentada o de pie (más naturalmente, se puede considerar que los pies y el cuerpo son impulsados por la fuerza ascendente del piso y el asiento, hacia arriba alrededor de la sangre). ). La resistencia a la fuerza g positiva varía. Una persona típica puede soportar aproximadamente 5 g 0 (49 m/s 2 ) (lo que significa que algunas personas podrían desmayarse al subir a una montaña rusa de mayor g, que en algunos casos excede este punto) antes de perder el conocimiento , pero mediante la combinación de fuerzas especiales. Los trajes G y los esfuerzos para tensar los músculos, los cuales actúan para forzar que la sangre regrese al cerebro, los pilotos modernos generalmente pueden manejar una velocidad sostenida de 9 g 0 (88 m/s 2 ) (consulte Entrenamiento de alta G ).
Particularmente en los aviones, las fuerzas g verticales suelen ser positivas (fuerzan la sangre hacia los pies y se alejan de la cabeza); Esto causa problemas en los ojos y en el cerebro en particular. A medida que la fuerza g vertical positiva aumenta progresivamente (como en una centrífuga ), se pueden experimentar los siguientes síntomas: [ cita necesaria ]
La resistencia a la g "negativa" o "descendente", que lleva la sangre a la cabeza, es mucho menor. Este límite suele estar en el rango de −2 a −3 g 0 (−20 a −29 m/s 2 ). Esta condición a veces se conoce como enrojecimiento, donde la visión está literalmente enrojecida [12] debido a que el párpado inferior cargado de sangre se introduce en el campo de visión. [13] La fuerza G negativa es generalmente desagradable y puede causar daños. Los vasos sanguíneos de los ojos o del cerebro pueden hincharse o estallar debido al aumento de la presión arterial, lo que provoca una degradación de la vista o incluso ceguera.
El cuerpo humano sobrevive mejor a las fuerzas G que son perpendiculares a la columna. En general, cuando la aceleración es hacia adelante (el sujeto esencialmente está acostado boca arriba, conocido coloquialmente como "con los ojos adentro"), [14] se muestra una tolerancia mucho mayor que cuando la aceleración es hacia atrás (acostado de frente, "con los ojos afuera") ya que los vasos sanguíneos de la retina parecen más sensibles en esta última dirección. [ cita necesaria ]
Los primeros experimentos demostraron que los humanos no entrenados podían tolerar una variedad de aceleraciones dependiendo del tiempo de exposición. Esto varió desde tanto como20 g 0 durante menos de 10 segundos, para10 g 0 durante 1 minuto, y6 g 0 durante 10 minutos para ambos globos oculares dentro y fuera. [15] Estas fuerzas se soportaron con las instalaciones cognitivas intactas, ya que los sujetos pudieron realizar tareas físicas y de comunicación simples. Se determinó que las pruebas no causaban daños a corto o largo plazo, aunque la tolerancia era bastante subjetiva, y sólo los no pilotos más motivados eran capaces de completar las pruebas. [16] El récord de tolerancia máxima experimental a la fuerza g horizontal lo ostenta el pionero de la aceleración John Stapp , en una serie de experimentos de desaceleración con trineos de cohetes que culminaron en una prueba de finales de 1954 en la que fue cronometrado a poco más de un segundo de la velocidad terrestre. de Mach 0,9. Sobrevivió a una aceleración máxima de 46,2 veces la aceleración de la gravedad, y más de25 g 0 durante 1,1 segundos, lo que demuestra que el cuerpo humano es capaz de ello. Stapp vivió otros 45 años hasta los 89 años [17] sin ningún efecto nocivo. [18]
La fuerza G más alta registrada experimentada por un humano que sobrevivió fue durante la final de la Serie IndyCar 2003 en el Texas Motor Speedway el 12 de octubre de 2003, en el Chevy 500 2003, cuando el auto conducido por Kenny Bräck hizo contacto rueda con rueda con Tomas. El coche de Scheckter . Esto inmediatamente provocó que el coche de Bräck impactara contra la valla de seguridad que registraría un pico de214 gramos 0 . [19] [20]
El impacto y el choque mecánico se utilizan habitualmente para describir una excitación de corta duración y de alta energía cinética . Un pulso de choque a menudo se mide por su aceleración máxima en ɡ 0 ·s y la duración del pulso. La vibración es una oscilación periódica que también se puede medir en ɡ 0 ·s además de en frecuencia. La dinámica de estos fenómenos es lo que los distingue de las fuerzas G causadas por aceleraciones de duración relativamente más larga.
Después de una caída libre desde una altura seguida de una desaceleración a lo largo de una distancia durante un impacto, el impacto sobre un objeto es · ɡ 0 . Por ejemplo, un objeto rígido y compacto que se deja caer desde 1 m y que impacta a una distancia de 1 mm se somete a una desaceleración de 1000 ɡ 0 .
Jerk es la tasa de cambio de aceleración. En unidades SI, la sacudida se expresa como m/s 3 ; también se puede expresar en gravedad estándar por segundo ( ɡ 0 /s; 1 ɡ 0 /s ≈ 9,81 m/s 3 ).
Investigaciones recientes llevadas a cabo sobre extremófilos en Japón involucraron que una variedad de bacterias (incluida E. coli como control no extremófilo) estuvieran sujetas a condiciones de extrema gravedad. Las bacterias se cultivaron mientras se hacían girar en una ultracentrífuga a altas velocidades correspondientes a 403.627 g. Paracoccus denitrificans fue una de las bacterias que mostró no sólo supervivencia sino también un robusto crecimiento celular en estas condiciones de hiperaceleración, que normalmente sólo se encuentran en entornos cósmicos, como en estrellas muy masivas o en las ondas de choque de supernovas . Los análisis mostraron que el pequeño tamaño de las células procarióticas es esencial para un crecimiento exitoso en condiciones de hipergravedad . En particular, se demostró que dos especies multicelulares, los nematodos Panagrolaimus superbus [21] y Caenorhabditis elegans , podían tolerar 400.000 × g durante 1 hora. [22] La investigación tiene implicaciones sobre la viabilidad de la panspermia . [23] [24]
Un acelerómetro , en su forma más simple, es una masa amortiguada en el extremo de un resorte, con alguna forma de medir cuánto se ha movido la masa sobre el resorte en una dirección particular, llamada "eje".
Los acelerómetros suelen estar calibrados para medir la fuerza g a lo largo de uno o más ejes. Si un acelerómetro estacionario de un solo eje se orienta de modo que su eje de medición sea horizontal, su salida será 0 g y seguirá siendo 0 g si se monta en un automóvil que viaja a velocidad constante en una carretera nivelada. Cuando el conductor presiona el pedal del freno o del acelerador, el acelerómetro registrará una aceleración positiva o negativa.
Si el acelerómetro se gira 90° para que quede vertical, leerá +1 g hacia arriba aunque esté estacionario. En esa situación, el acelerómetro está sujeto a dos fuerzas: la fuerza gravitacional y la fuerza de reacción del suelo de la superficie sobre la que descansa. El acelerómetro solo puede medir esta última fuerza, debido a la interacción mecánica entre el acelerómetro y el suelo. La lectura es la aceleración que tendría el instrumento si estuviera sometido exclusivamente a esa fuerza.
Un acelerómetro de tres ejes generará gravedad cero en los tres ejes si se deja caer o se coloca de otro modo en una trayectoria balística (también conocida como trayectoria inercial ), de modo que experimente una "caída libre", al igual que los astronautas en órbita (astronautas experimentan pequeñas aceleraciones de marea llamadas microgravedad, que se ignoran en aras de la discusión aquí). Algunas atracciones de parques de diversiones pueden proporcionar varios segundos a una gravedad cercana a cero. Viajar en el " Cometa Vomit " de la NASA proporciona una fuerza g cercana a cero durante unos 25 segundos a la vez.
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