G-Kraft
Das Gravitationskraftäquivalent oder, allgemeiner, die g-Kraft ist ein Maß für die Art der Kraft pro Masseneinheit - in der Regel die Beschleunigung -, die eine Gewichtsempfindung hervorruft, wobei eine g-Kraft von 1 g (nicht Gramm in der Massenmessung) dem herkömmlichen Wert der Gravitationsbeschleunigung auf der Erde, g, von etwa 9,8 m/s2 entspricht. Da g-Kräfte indirekt Gewicht erzeugen, kann jede g-Kraft als "Gewicht pro Masseneinheit" beschrieben werden (siehe das Synonym spezifisches Gewicht). Wenn die g-Kraft dadurch erzeugt wird, dass die Oberfläche eines Objekts von der Oberfläche eines anderen Objekts gestoßen wird, erzeugt die Reaktionskraft auf diesen Stoß ein gleiches und entgegengesetztes Gewicht für jede Einheit der Masse eines Objekts. Die beteiligten Krafttypen werden durch innere mechanische Spannungen auf Objekte übertragen. Die Gravitationsbeschleunigung (mit Ausnahme bestimmter elektromagnetischer Krafteinflüsse) ist die Ursache für die Beschleunigung eines Objekts gegenüber dem freien Fall. ⓘ
Die g-Kraft, die ein Objekt erfährt, ergibt sich aus der Vektorsumme aller nicht-gravitativen und nicht-elektromagnetischen Kräfte, die auf die Bewegungsfreiheit eines Objekts wirken. In der Praxis handelt es sich dabei, wie bereits erwähnt, um Oberflächenkontaktkräfte zwischen Objekten. Solche Kräfte verursachen Spannungen und Dehnungen auf Objekte, da sie von einer Objektoberfläche übertragen werden müssen. Aufgrund dieser Spannungen können große g-Kräfte zerstörerisch sein. ⓘ
Die Schwerkraft allein erzeugt keine g-Kraft, auch wenn g-Kräfte in Vielfachen der Beschleunigung des freien Falls der Standardgravitation ausgedrückt werden. Die Standardgravitationskraft an der Erdoberfläche erzeugt also nur indirekt eine g-Kraft, da ihr mechanische Kräfte entgegenwirken. Es sind diese mechanischen Kräfte, die tatsächlich die g-Kraft auf eine Masse erzeugen. Eine Kraft von 1 g auf ein Objekt, das sich auf der Erdoberfläche befindet, wird beispielsweise durch die mechanische Kraft verursacht, die der Boden nach oben ausübt und das Objekt daran hindert, in den freien Fall zu geraten. Die nach oben gerichtete Kontaktkraft des Bodens sorgt dafür, dass ein auf der Erdoberfläche ruhendes Objekt relativ zum freien Fall beschleunigt wird. (Freier Fall ist der Weg, den das Objekt bei freiem Fall in Richtung Erdmittelpunkt nehmen würde). Die Spannung im Inneren des Objekts wird dadurch gewährleistet, dass die Bodenkontaktkräfte nur von der Kontaktstelle mit dem Boden übertragen werden. ⓘ
Objekte, die auf einer Trägheitsbahn unter dem Einfluss der Schwerkraft frei fallen können, spüren keine g-Kräfte, ein Zustand, der als Schwerelosigkeit bezeichnet wird. Dies wird auch als "Null-G" bezeichnet, obwohl der korrektere Begriff "Null-G-Kraft" lautet. Dies wird durch die Null-G-Kraft-Bedingungen in einem Aufzug demonstriert, der frei in Richtung des Erdmittelpunkts fällt (im Vakuum), oder (in guter Näherung) durch die Bedingungen in einem Raumschiff in der Erdumlaufbahn. Dies sind Beispiele für eine Koordinatenbeschleunigung (eine Änderung der Geschwindigkeit) ohne ein Gefühl von Gewicht. ⓘ
In Abwesenheit von Gravitationsfeldern oder in Richtungen, die rechtwinklig dazu verlaufen, sind Eigen- und Koordinatenbeschleunigung gleich, und jede Koordinatenbeschleunigung muss durch eine entsprechende Beschleunigung durch die g-Kraft erzeugt werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Rakete im freien Raum, bei der einfache Geschwindigkeitsänderungen durch die Triebwerke erzeugt werden und g-Kräfte auf die Rakete und die Passagiere ausüben. ⓘ
g-Kräfte werden Belastungen genannt, die aufgrund starker Änderung von Größe und/oder Richtung der Geschwindigkeit auf den menschlichen Körper, einen Gebrauchsgegenstand oder ein Fahrzeug einwirken. Bei Belastungen technischer Geräte wie Flugzeugen oder der Angabe von Belastungsgrenzen wird auch der Begriff Lastvielfache verwendet. Es handelt sich bei der g-Kraft um eine Kraft pro Masse, sie hat daher die Dimension einer Beschleunigung und wird als Vielfaches der Fallbeschleunigung g angegeben. Hohe g-Kräfte treten beispielsweise bei Fahrten mit einer Achterbahn, bei Raketenstarts, in der Waschmaschine beim Schleudern oder bei Zusammenstößen von Gegenständen auf. ⓘ
Einheit und Messung
Die Maßeinheit für die Beschleunigung im Internationalen Einheitensystem (SI) ist m/s2. Um die Beschleunigung im freien Fall von der einfachen Beschleunigung (Geschwindigkeitsänderung) zu unterscheiden, wird jedoch häufig die Einheit g (oder g) verwendet. Ein g ist die auf die Schwerkraft an der Erdoberfläche zurückzuführende Kraft pro Masseneinheit und ist die Standardgravitation (Symbol: gn), definiert als 9,80665 Meter pro Sekunde zum Quadrat, oder äquivalent 9,80665 Newton Kraft pro Kilogramm der Masse. Die Definition der Einheit ist nicht ortsabhängig - die g-Kraft, wenn man auf dem Mond steht, ist fast genau 1⁄6 derjenigen auf der Erde. ⓘ
Die Einheit g gehört nicht zu den SI-Einheiten, die "g" für Gramm verwenden. Außerdem ist "g" nicht mit "G" zu verwechseln, dem Standardsymbol für die Gravitationskonstante. Diese Schreibweise wird in der Luftfahrt, insbesondere in der militärischen Kunstflug- und Kampffliegerei, häufig verwendet, um die erhöhten Kräfte zu beschreiben, die von Piloten überwunden werden müssen, um bei Bewusstsein zu bleiben und keinen g-LOC (g-induzierten Bewusstseinsverlust) zu erleiden. ⓘ
Die Messung der g-Kraft erfolgt in der Regel mit einem Beschleunigungsmesser (siehe unten unter Messung mit einem Beschleunigungsmesser). In bestimmten Fällen kann die g-Kraft auch mit einer entsprechend kalibrierten Waage gemessen werden. Spezifische Kraft ist ein anderer Name, der für die g-Kraft verwendet wurde. ⓘ
Beschleunigung und Kräfte
Der Begriff g-"Kraft" ist technisch nicht korrekt, da es sich um ein Maß für die Beschleunigung und nicht für die Kraft handelt. Während die Beschleunigung eine Vektorgröße ist, werden Beschleunigungen durch g-Kräfte (kurz "g-Kräfte") oft als Skalar ausgedrückt, wobei positive g-Kräfte nach unten (als Hinweis auf eine Beschleunigung nach oben) und negative g-Kräfte nach oben zeigen. Eine g-Kraft ist also ein Vektor der Beschleunigung. Es handelt sich um eine Beschleunigung, die durch eine mechanische Kraft hervorgerufen werden muss und nicht durch einfache Gravitation erzeugt werden kann. Objekte, auf die nur die Gravitation einwirkt, erfahren (oder "spüren") keine g-Kraft und sind schwerelos. ⓘ
Die g-Kräfte sind, wenn sie mit einer Masse multipliziert werden, auf die sie einwirken, mit einer bestimmten Art von mechanischer Kraft im richtigen Sinne des Begriffs "Kraft" verbunden, und diese Kraft erzeugt Druck- und Zugspannungen. Solche Kräfte führen zu der operativen Empfindung von Gewicht, aber die Gleichung trägt einen Vorzeichenwechsel aufgrund der Definition von positivem Gewicht in Richtung nach unten, so dass die Richtung der Gewichtskraft entgegengesetzt zur Richtung der Beschleunigung durch die g-Kraft ist:
- Gewicht = Masse × -g-Kraft ⓘ
Der Grund für das Minuszeichen ist, dass die tatsächliche Kraft (d. h. das gemessene Gewicht), die durch eine g-Kraft auf ein Objekt ausgeübt wird, dem Vorzeichen der g-Kraft entgegengesetzt ist, da in der Physik die Gewichtskraft nicht die Kraft ist, die die Beschleunigung erzeugt, sondern die gleich große und entgegengesetzte Reaktionskraft darauf. Wenn die Richtung nach oben als positiv angesehen wird (die übliche kartesische Konvention), dann erzeugt eine positive g-Kraft (ein Beschleunigungsvektor, der nach oben zeigt) eine Kraft/Gewicht auf eine beliebige Masse, die nach unten wirkt (ein Beispiel ist die positive g-Beschleunigung eines Raketenstarts, die ein Gewicht nach unten erzeugt). In gleicher Weise ist eine negative g-Kraft ein Beschleunigungsvektor nach unten (die negative Richtung auf der y-Achse), und diese Beschleunigung nach unten erzeugt eine Gewichtskraft in einer Richtung nach oben (so wird ein Pilot nach oben aus dem Sitz gezogen und das Blut in Richtung des Kopfes eines normal orientierten Piloten gepresst). ⓘ
Wenn eine g-Kraft (Beschleunigung) vertikal nach oben wirkt und vom Boden (der durch die Raumzeit beschleunigt) oder vom Boden eines Aufzugs auf eine stehende Person ausgeübt wird, erfährt der größte Teil des Körpers eine Druckspannung, die in jeder Höhe, multipliziert mit der Fläche, die entsprechende mechanische Kraft ergibt, die das Produkt aus der g-Kraft und der abgestützten Masse ist (die Masse oberhalb der Abstützebene, einschließlich der Arme, die von oberhalb dieser Ebene herunterhängen). Gleichzeitig erfahren die Arme selbst eine Zugspannung, die in jeder Höhe, wenn sie mit der Fläche multipliziert wird, wiederum die zugehörige mechanische Kraft ist, die das Produkt aus der g-Kraft und der unter dem Punkt der mechanischen Unterstützung hängenden Masse ist. Die mechanische Widerstandskraft breitet sich von den Berührungspunkten mit dem Boden oder der tragenden Struktur aus und nimmt an den freitragenden Enden allmählich gegen Null ab (oben im Falle einer Abstützung von unten, z. B. durch einen Sitz oder den Boden, unten bei einem hängenden Körperteil oder Gegenstand). Da die Druckkraft als negative Zugkraft gezählt wird, ist die Änderungsrate der Zugkraft in Richtung der g-Kraft pro Masseneinheit (die Änderung zwischen den Teilen des Objekts, so dass die dazwischen liegende Scheibe des Objekts eine Masseneinheit hat) gleich der g-Kraft plus den äußeren Kräften, die nicht durch die Schwerkraft auf die Scheibe wirken (positiv in der Richtung entgegengesetzt zur g-Kraft gezählt). ⓘ
Für eine gegebene g-Kraft sind die Spannungen gleich, unabhängig davon, ob diese g-Kraft durch mechanischen Widerstand gegen die Schwerkraft oder durch eine Koordinatenbeschleunigung (Geschwindigkeitsänderung) aufgrund einer mechanischen Kraft oder durch eine Kombination dieser Kräfte verursacht wird. Für Menschen fühlen sich also alle mechanischen Kräfte gleich an, unabhängig davon, ob sie eine Koordinatenbeschleunigung verursachen oder nicht. Auch für Gegenstände stellt sich bei jeder Art von g-Kraft die Frage, ob sie der mechanischen g-Kraft ohne Schaden standhalten können. So fühlt sich zum Beispiel eine Aufwärtsbeschleunigung (z. B. eine Geschwindigkeitszunahme beim Aufwärtsgehen oder eine Geschwindigkeitsabnahme beim Abwärtsgehen) auf der Erde genauso an wie der Stillstand auf einem Himmelskörper mit einer höheren Oberflächengravitation. Die Gravitation allein erzeugt keine g-Kraft; die g-Kraft wird nur durch mechanische Stöße und Anziehungskräfte erzeugt. Für einen freien Körper (der sich frei im Raum bewegen kann) entstehen solche g-Kräfte nur, wenn die "träge" Bahn, die die natürliche Wirkung der Gravitation ist, oder die natürliche Wirkung der Trägheit der Masse, verändert wird. Eine solche Veränderung kann nur durch andere Einflüsse als die Gravitation entstehen. ⓘ
Beispiele für wichtige Situationen, in denen g-Kräfte auftreten, sind:
- Die g-Kraft, die auf einen auf der Erdoberfläche ruhenden Gegenstand wirkt, beträgt 1 g (nach oben) und ergibt sich aus der Widerstandsreaktion der nach oben gerichteten Erdoberfläche, die einer Beschleunigung von 1 g entspricht und der Schwerkraft entgegengesetzt ist. Die Zahl 1 ist ein Näherungswert, der vom jeweiligen Standort abhängt.
- Die g-Kraft, die auf ein Objekt in einer schwerelosen Umgebung wie dem freien Fall in einem Vakuum wirkt, beträgt 0 g.
- Die g-Kraft, die bei Beschleunigung auf ein Objekt wirkt, kann viel größer als 1 g sein. Der oben rechts abgebildete Dragster kann zum Beispiel bei Beschleunigung eine horizontale g-Kraft von 5,3 ausüben.
- Die g-Kraft, die auf ein beschleunigtes Objekt einwirkt, kann auch nach unten gerichtet sein, z. B. bei der Überwindung eines steilen Hügels in einer Achterbahn.
- Wenn es außer der Schwerkraft keine weiteren äußeren Kräfte gibt, ist die g-Kraft in einer Rakete der Schub pro Masseneinheit. Ihre Größe ist gleich dem Verhältnis von Schubkraft zu Gewicht mal g und dem Delta-V-Verbrauch pro Zeiteinheit.
- Im Falle eines Stoßes, z. B. eines Zusammenstoßes, kann die g-Kraft in kurzer Zeit sehr groß sein. ⓘ
Ein klassisches Beispiel für eine negative g-Kraft ist eine vollständig umgedrehte Achterbahn, die auf den Boden zu beschleunigt (ihre Geschwindigkeit ändert). In diesem Fall werden die Achterbahnfahrer schneller in Richtung Boden beschleunigt, als die Schwerkraft sie beschleunigen würde, und werden daher kopfüber in ihren Sitzen festgehalten. In diesem Fall verursacht die mechanische Kraft, die vom Sitz ausgeübt wird, die g-Kraft, indem sie den Weg des Fahrgastes nach unten in einer Weise verändert, die sich von der Gravitationsbeschleunigung unterscheidet. Der Unterschied in der Abwärtsbewegung, die nun schneller ist als die Schwerkraft, wird durch den Druck des Sitzes verursacht und führt zu einer g-Kraft in Richtung Boden. ⓘ
Alle "Koordinatenbeschleunigungen" (oder ihr Fehlen) werden durch die Newtonschen Bewegungsgesetze wie folgt beschrieben: Das zweite Gesetz der Bewegung, das Gesetz der Beschleunigung, besagt, dass: F = ma., was bedeutet, dass eine Kraft F, die auf einen Körper wirkt, gleich der Masse m des Körpers mal seiner Beschleunigung a ist. ⓘ
Das dritte Bewegungsgesetz, das Gesetz der Wechselwirkung, besagt: Alle Kräfte treten paarweise auf, und diese beiden Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Newtons drittes Bewegungsgesetz besagt, dass die Schwerkraft nicht nur eine Kraft ist, die z. B. auf einen in der Hand gehaltenen Stein nach unten wirkt, sondern dass der Stein auch eine Kraft auf die Erde ausübt, die gleich groß und entgegengesetzt gerichtet ist. ⓘ
In einem Flugzeug kann man sich den Pilotensitz als die Hand vorstellen, die den Stein hält, und den Piloten als den Stein. Wenn er mit 1 g geradeaus fliegt, wirkt auf den Piloten die Schwerkraft. Sein Gewicht (eine nach unten gerichtete Kraft) beträgt 725 Newton (163 lbf). Gemäß dem dritten Newton'schen Gesetz üben das Flugzeug und der Sitz unter dem Piloten eine gleich große und entgegengesetzte Kraft aus, die ihn mit 725 N (163 lbf) nach oben drückt. Diese mechanische Kraft bewirkt eine Beschleunigung von 1,0 g auf den Piloten, obwohl sich seine Geschwindigkeit nach oben nicht ändert (dies ist vergleichbar mit der Situation einer Person, die auf dem Boden steht, wo der Boden diese Kraft und diese g-Kraft ausübt). ⓘ
Wenn der Pilot plötzlich den Steuerknüppel zurückzieht und sein Flugzeug mit 9,8 m/s2 nach oben beschleunigt, beträgt die auf seinen Körper wirkende g-Kraft 2 g, wovon die Hälfte vom Sitz herrührt, der den Piloten gegen die Schwerkraft drückt, und die andere Hälfte vom Sitz, der den Piloten nach oben beschleunigt - eine Geschwindigkeitsänderung, die auch eine richtige Beschleunigung ist, weil sie sich von einer Flugbahn im freien Fall unterscheidet. Im Bezugssystem des Flugzeugs betrachtet, erzeugt sein Körper nun eine Kraft von 1.450 N (330 lbf) nach unten in seinen Sitz und der Sitz drückt gleichzeitig mit einer gleichen Kraft von 1.450 N (330 lbf) nach oben. ⓘ
Die Beschleunigung durch mechanische Kräfte und folglich die g-Kraft tritt immer dann auf, wenn jemand in einem Fahrzeug mitfährt, weil sie immer eine Eigenbeschleunigung und (bei fehlender Schwerkraft) auch immer eine Koordinatenbeschleunigung (bei der sich die Geschwindigkeit ändert) bewirkt. Bei jeder Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs spüren die Insassen seitliche (seitlich) oder längliche (vorwärts und rückwärts) Kräfte, die durch den mechanischen Druck ihrer Sitze erzeugt werden. ⓘ
Der Ausdruck "1 g = 9,80665 m/s2" bedeutet, dass sich in jeder Sekunde die Geschwindigkeit um 9,80665 Meter pro Sekunde (≡35,30394 km/h) ändert. Diese Geschwindigkeitsänderung kann auch als 9,80665 (Meter pro Sekunde) pro Sekunde oder 9,80665 m/s2 bezeichnet werden. Ein Beispiel: Eine Beschleunigung von 1 g entspricht einer Geschwindigkeitsänderung von etwa 35 Kilometern pro Stunde (22 mph) in jeder Sekunde, die verstreicht. Wenn also ein Auto mit 1 g bremsen kann und mit 35 km/h unterwegs ist, kann es in einer Sekunde bis zum Stillstand abbremsen, und der Fahrer erfährt eine Verzögerung von 1 g. Ein Auto, das mit der dreifachen Geschwindigkeit, also 105 km/h, unterwegs ist, kann in drei Sekunden bis zum Stillstand bremsen. ⓘ
Bei einem Geschwindigkeitsanstieg von 0 auf v mit konstanter Beschleunigung innerhalb einer Strecke von s beträgt diese Beschleunigung v2/(2s). ⓘ
Die Vorbereitung eines Objekts auf die g-Toleranz (das heißt, dass es nicht beschädigt wird, wenn es einer hohen g-Kraft ausgesetzt ist) wird als g-Härtung bezeichnet. Dies gilt z. B. für Instrumente in einem mit einem Gewehr abgeschossenen Projektil. ⓘ
Menschliche Toleranz
Die menschlichen Toleranzen hängen von der Größe der Schwerkraft, der Dauer ihrer Einwirkung, der Richtung, in der sie wirkt, dem Ort der Einwirkung und der Körperhaltung des Menschen ab. ⓘ
Der menschliche Körper ist flexibel und verformbar, insbesondere die weicheren Gewebe. Ein harter Schlag ins Gesicht kann kurzzeitig Hunderte von g örtlich einwirken lassen, ohne wirklichen Schaden anzurichten; eine konstante Belastung von 16 g0 über eine Minute kann jedoch tödlich sein. Bei Vibrationen können relativ niedrige g-Spitzenwerte schwere Schäden verursachen, wenn sie auf der Resonanzfrequenz von Organen oder Bindegewebe liegen. ⓘ
Bis zu einem gewissen Grad kann die g-Toleranz trainiert werden, und auch die angeborene Fähigkeit ist von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich. Darüber hinaus verringern einige Krankheiten, insbesondere Herz-Kreislauf-Probleme, die g-Toleranz. ⓘ
Vertikal
Vor allem Flugzeugpiloten sind g-Kräften entlang der Achse der Wirbelsäule ausgesetzt. Dies führt zu erheblichen Schwankungen des Blutdrucks über die Körperlänge, wodurch die maximal tolerierbaren g-Kräfte begrenzt werden. ⓘ
Positives oder "aufwärts gerichtetes" g treibt das Blut einer sitzenden oder stehenden Person nach unten zu den Füßen (natürlicher ist es, wenn die Füße und der Körper durch die nach oben gerichtete Kraft des Bodens und des Sitzes um das Blut herum nach oben getrieben werden). Der Widerstand gegen positive g variiert. Ein normaler Mensch kann etwa 5 g0 (49 m/s2) aushalten (was bedeutet, dass manche Menschen bei einer Achterbahnfahrt mit höheren g-Werten, die in einigen Fällen diesen Wert übersteigt, ohnmächtig werden könnten), bevor sie das Bewusstsein verlieren, aber durch die Kombination von speziellen g-Anzügen und der Anstrengung, die Muskeln anzuspannen - beides führt dazu, dass das Blut zurück ins Gehirn gepresst wird - können moderne Piloten in der Regel anhaltende 9 g0 (88 m/s2) aushalten (siehe High-G-Training). ⓘ
Vor allem in Flugzeugen sind die vertikalen g-Kräfte oft positiv (zwingen das Blut zu den Füßen und weg vom Kopf); dies verursacht vor allem Probleme mit den Augen und dem Gehirn. Wenn die positive vertikale G-Kraft progressiv erhöht wird (z. B. in einer Zentrifuge), können die folgenden Symptome auftreten:
- Vergrauen, bei dem das Sehen an Farbintensität verliert, was beim Ausbalancieren leicht reversibel ist
- Tunnelblick, bei dem das periphere Sehen nach und nach verloren geht
- Blackout, Verlust des Sehvermögens bei erhaltenem Bewusstsein, verursacht durch mangelnde Durchblutung des Kopfes
- G-LOC, ein durch die G-Kräfte verursachter Bewusstseinsverlust
- Tod, wenn die G-Kräfte nicht schnell reduziert werden ⓘ
Der Widerstand gegen "negative" oder "abwärts gerichtete" g-Kräfte, die das Blut zum Kopf treiben, ist viel geringer. Diese Grenze liegt in der Regel im Bereich von -2 bis -3 g0 (-20 bis -29 m/s2). Dieser Zustand wird manchmal als "red out" bezeichnet, wenn die Sicht im übertragenen Sinne gerötet ist, weil das blutbeladene untere Augenlid in das Blickfeld gezogen wird. Negatives g ist im Allgemeinen unangenehm und kann zu Schäden führen. Blutgefäße in den Augen oder im Gehirn können unter dem erhöhten Blutdruck anschwellen oder platzen, was zu einer Verschlechterung der Sehkraft oder sogar zur Erblindung führt. ⓘ
Horizontal
Der menschliche Körper kann g-Kräfte, die senkrecht zur Wirbelsäule wirken, besser verkraften. Im Allgemeinen ist die Toleranz gegenüber Beschleunigungen in Vorwärtsrichtung (die Versuchsperson liegt im Wesentlichen auf dem Rücken, umgangssprachlich "Augäpfel nach innen") wesentlich höher als bei Beschleunigungen in Rückwärtsrichtung (sie liegt auf dem Kopf, "Augäpfel nach außen"), da die Blutgefäße der Netzhaut in letzterer Richtung empfindlicher sind. ⓘ
Frühe Experimente haben gezeigt, dass untrainierte Menschen je nach Dauer der Exposition eine Reihe von Beschleunigungen tolerieren können. Diese reichten von 20 g0 für weniger als 10 Sekunden bis zu 10 g0 für 1 Minute und 6 g0 für 10 Minuten für beide Augäpfel ein- und ausfahren. Diese Kräfte wurden mit intakten kognitiven Fähigkeiten ausgehalten, da die Versuchspersonen in der Lage waren, einfache körperliche und kommunikative Aufgaben zu erfüllen. Es wurde festgestellt, dass die Tests weder kurz- noch langfristig Schaden anrichten, obwohl die Toleranz recht subjektiv war und nur die motiviertesten Nicht-Piloten in der Lage waren, die Tests zu absolvieren. Den Rekord für die höchste experimentelle horizontale g-Kraft-Toleranz hält der Beschleunigungspionier John Stapp in einer Reihe von Experimenten zur Abbremsung von Raketenschlitten, die in einem Test Ende 1954 gipfelten, bei dem er in etwas mehr als einer Sekunde von einer Landgeschwindigkeit von Mach 0,9 gestoppt wurde. Er überlebte eine Spitzenbeschleunigung mit dem 46,2-fachen der Erdbeschleunigung und mehr als 25 g0 für 1,1 Sekunden und bewies damit, dass der menschliche Körper dazu in der Lage ist. Stapp lebte weitere 45 Jahre bis zum Alter von 89 Jahren ohne jegliche Beeinträchtigung. ⓘ
Die höchste aufgezeichnete g-Kraft, die ein Mensch überlebte, wurde beim Finale der IndyCar-Serie auf dem Texas Motor Speedway am 12. Oktober 2003 im Rahmen des 2003 Chevy 500 gemessen, als der Wagen von Kenny Bräck Rad an Rad mit dem Wagen von Tomas Scheckter kollidierte. Dies führte dazu, dass Bräcks Wagen in den Fangzaun einschlug, wobei ein Spitzenwert von 214 g0 gemessen wurde. ⓘ
Kurzzeitige Stöße, Schläge und Rucke
Die Begriffe Aufprall und mechanischer Stoß werden in der Regel zur Beschreibung einer kurzzeitigen Erregung mit hoher kinetischer Energie verwendet. Ein Stoßimpuls wird häufig anhand seiner Spitzenbeschleunigung in ɡ0-s und der Impulsdauer gemessen. Eine Vibration ist eine periodische Schwingung, die ebenfalls in ɡ0-s und in der Frequenz gemessen werden kann. Die Dynamik dieser Phänomene unterscheidet sie von den g-Kräften, die durch eine relativ lang anhaltende Beschleunigung verursacht werden. ⓘ
Nach einem freien Fall aus einer Höhe gefolgt von einer Abbremsung über eine Strecke während eines Aufpralls ist der Stoß auf ein Objekt - ɡ0. Ein steifer und kompakter Gegenstand, der aus 1 m Höhe fällt und über eine Strecke von 1 mm aufprallt, ist beispielsweise einer Verzögerung von 1000 ɡ0 ausgesetzt. ⓘ
Der Ruck ist die Änderungsrate der Beschleunigung. In SI-Einheiten wird der Ruck als m/s3 ausgedrückt; er kann auch in Standardgravitation pro Sekunde (ɡ0/s; 1 ɡ0/s ≈ 9,81 m/s3) angegeben werden. ⓘ
Andere biologische Reaktionen
Bei einer kürzlich in Japan durchgeführten Studie über Extremophile wurden verschiedene Bakterien (einschließlich E. coli als nicht-extremophile Kontrolle) extremen Schwerkraftbedingungen ausgesetzt. Die Bakterien wurden kultiviert, während sie in einer Ultrazentrifuge bei hohen Geschwindigkeiten, die 403.627 g entsprechen, rotierten. Paracoccus denitrificans gehörte zu den Bakterien, die unter diesen Bedingungen der Hyperbeschleunigung, die normalerweise nur in kosmischen Umgebungen wie auf sehr massereichen Sternen oder in den Schockwellen von Supernovas zu finden sind, nicht nur überlebten, sondern auch ein robustes Zellwachstum zeigten. Die Analyse ergab, dass die geringe Größe der prokaryotischen Zellen für ein erfolgreiches Wachstum unter Hypergravitation unerlässlich ist. Insbesondere wurde gezeigt, dass zwei mehrzellige Arten, die Fadenwürmer Panagrolaimus superbus und Caenorhabditis elegans, 400.000 × g für eine Stunde tolerieren können. Die Forschung hat Auswirkungen auf die Machbarkeit der Panspermie. ⓘ
Typische Beispiele
| Beispiel | g-Kraft* ⓘ |
|---|---|
| Die Kreiselrotoren in der Schwerkraft-Sonde B und die frei schwebenden Prüfmassen im Navigationssatelliten TRIAD I | 0 g |
| Eine Fahrt mit dem Vomit Comet (Parabelflug) | ≈ 0 g |
| Stehen auf Mimas, dem kleinsten und massearmsten bekannten Körper, der durch seine eigene Schwerkraft gerundet wird | 0.006 g |
| Stehen auf Ceres, dem kleinsten und massearmsten bekannten Körper, der sich im hydrostatischen Gleichgewicht befindet | 0.029 g |
| Stehen auf Pluto auf Meereshöhe | 0.063 g |
| Stehen auf Eris in Meereshöhe | 0.084 g |
| Stehen auf Titan in Meereshöhe | 0.138 g |
| Stehend auf Ganymed in Meereshöhe | 0.146 g |
| Stehend auf dem Mond in Meereshöhe | 0.1657 g |
| Stehen auf Merkur in Meereshöhe | 0.377 g |
| Auf dem Mars am Äquator stehend | 0.378 g |
| Stehen auf der Venus in Meereshöhe | 0.905 g |
| Auf der Erde auf Meereshöhe stehend - Standard | 1 g |
| Saturn-V-Mondrakete kurz nach dem Start und die Schwerkraft des Neptun, wo der atmosphärische Druck etwa dem der Erde entspricht | 1.14 g |
| Bugatti Veyron von 0 auf 100 km/h in 2,4 s | 1.55 g† |
| Gravitron-Vergnügungsfahrt | 2.5-3 g |
| Schwerkraft des Jupiters in seinen mittleren Breiten und bei einem atmosphärischen Druck, der etwa dem der Erde entspricht | 2.528 g |
| Ungehemmtes Niesen nach dem Schnüffeln von gemahlenem Pfeffer | 2.9 g |
| Space Shuttle, maximal beim Start und Wiedereintritt | 3 g |
| Hoch-G-Achterbahnen | 3.5-6.3 g |
| Herzlicher Begrüßungsschlag auf den oberen Rücken | 4.1 g |
| Top Fuel Drag Racing Weltrekord von 4,4 s über 1/4 Meile | 4.2 g |
| Flugzeuge des Ersten Weltkriegs (z. B. Sopwith Camel, Fokker Dr. 1, SPAD S. XIII, Nieuport 17, Albatros D. III) im Nahkampf. | 4.5-7 g |
| Rodeln, maximal erwartet im Whistler Sliding Centre | 5.2 g |
| Formel-1-Auto, maximal bei starker Bremsung | 6.3 g |
| Formel-1-Auto, maximale seitliche Belastung in Kurven | 6-6.5 g |
| Standard, voll kunstflugtaugliches Segelflugzeug | +7/-5 g |
| Apollo 16 beim Wiedereintritt | 7.19 g |
| Maximal zulässige g-Kraft im Flugzeug Sukhoi Su-27 | 9 g |
| Maximal zulässige g-Kraft im Flugzeug Mikoyan MiG-35 und maximal zulässige g-Kraft in der Kurve im Red Bull Air Race-Flugzeug | 10 g |
| Gravitationsbeschleunigung auf der Oberfläche der Sonne | 28 g |
| Maximale g-Kraft im Tor-Raketensystem | 30 g |
| Maximum für einen Menschen auf einem Raketenschlitten | 46.2 g |
| Formel 1 2021 Großer Preis von Großbritannien Max Verstappen Crash mit Lewis Hamilton | 51 g |
| Formel Eins 2020 Großer Preis von Bahrain Romain Grosjean Crash | 67 g |
| Sprint-Rakete | 100 g |
| Kurze menschliche Exposition beim Absturz überlebt | > 100 g |
| Höchste jemals überlebte g-Kraft (IRL IndyCar Series 2003 Kenny Bräck Crash) | 214 g |
| Koronaler Massenauswurf (Sonne) | 480 g |
| Weltraumkanone mit einer Rohrlänge von 1 km und einer Mündungsgeschwindigkeit von 6 km/s, wie von Quicklaunch vorgeschlagen (unter der Annahme konstanter Beschleunigung) | 1,800 g |
| Schockfähigkeit von mechanischen Armbanduhren | > 5,000 g |
| V8-Formel-1-Motor, maximale Kolbenbeschleunigung | 8,600 g |
| Fangschreckenkrebs, Beschleunigung der Klaue beim Raubtierschlag | 10,400 g |
| Wert der in militärischen Artilleriegranaten eingebauten Elektronik | 15,500 g |
| Analytische Ultrazentrifuge, die sich mit 60.000 U/min dreht, am Boden der Analysezelle (7,2 cm) | 300,000 g |
| Mittlere Beschleunigung eines Protons im Large Hadron Collider | 190,000,000 g |
| Gravitationsbeschleunigung an der Oberfläche eines typischen Neutronensterns | 2.0×1011 g |
| Beschleunigung durch einen Wakefield-Plasmabeschleuniger | 8.9×1020 g |
* Einschließlich des Beitrags des Widerstands gegen die Schwerkraft.
† Gerichtet auf 40 Grad aus der Horizontalen. ⓘ
Messung mit einem Beschleunigungsmesser
Ein Beschleunigungsmesser ist in seiner einfachsten Form eine gedämpfte Masse am Ende einer Feder, die auf irgendeine Weise misst, wie weit sich die Masse auf der Feder in eine bestimmte Richtung, die so genannte "Achse", bewegt hat. ⓘ
Beschleunigungsmesser sind oft so kalibriert, dass sie die g-Kraft entlang einer oder mehrerer Achsen messen. Wenn ein stationärer, einachsiger Beschleunigungsmesser so ausgerichtet ist, dass seine Messachse horizontal liegt, beträgt sein Ausgang 0 g, und er wird weiterhin 0 g betragen, wenn er in einem Auto montiert ist, das mit konstanter Geschwindigkeit auf einer ebenen Straße fährt. Wenn der Fahrer das Brems- oder Gaspedal betätigt, wird der Beschleunigungsmesser eine positive oder negative Beschleunigung registrieren. ⓘ
Wenn der Beschleunigungsmesser um 90° gedreht wird, so dass er senkrecht steht, zeigt er +1 g nach oben an, obwohl er steht. In diesem Fall wirken auf den Beschleunigungsmesser zwei Kräfte ein: die Schwerkraft und die Bodenreaktionskraft der Oberfläche, auf der er steht. Aufgrund der mechanischen Wechselwirkung zwischen dem Beschleunigungsmesser und dem Boden kann nur die letztere Kraft vom Beschleunigungsmesser gemessen werden. Der Messwert ist die Beschleunigung, die das Instrument hätte, wenn es ausschließlich dieser Kraft ausgesetzt wäre. ⓘ
Ein Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser gibt auf allen drei Achsen null-g aus, wenn er fallen gelassen oder anderweitig in eine ballistische Flugbahn (auch bekannt als Trägheitsflugbahn) gebracht wird, so dass er den "freien Fall" erlebt, wie Astronauten in der Umlaufbahn (Astronauten erleben kleine Gezeitenbeschleunigungen, die als Mikrogravitation bezeichnet werden und hier vernachlässigt werden). Einige Fahrgeschäfte in Vergnügungsparks können mehrere Sekunden bei nahezu null g bieten. Die Fahrt mit dem "Vomit Comet" der NASA bietet etwa 25 Sekunden lang nahezu null g. ⓘ
Physikalische Grundlagen
Spezialfälle
Kurvenfahrt
Wenn ein Körper mit der Geschwindigkeit eine Kreisbahn durchläuft, die den Radius hat, dann erfährt er die Beschleunigung
-
- Beispiel
- Ein Rennwagen durchfährt mit einer Geschwindigkeit von 200 km/h (55,6 m/s) eine Kurve mit einem Radius von 160 m, dann beträgt die Zentripetalbeschleunigung ca. 19,3 m/s2, was etwa 2g entspricht. ⓘ
Beispiele von g-Werten in Natur, Technik und Alltag
| Maschine oder Ereignis | g-Faktor ⓘ |
|---|---|
| Typischer Maximalwert bei einer Kinderschaukel | 2,5 |
| Maximalwert bei der Achterbahn Silver Star | 4 |
| Maximalwert bei einer Apollo-Kapsel während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre nach einem Mondflug | 7,19 |
| Durchschnittliche Maximalwerte bei Kunstflugmanövern (Belastungsdauer zwischen 1,5 und 3 Sekunden) | 8 |
| Maximalwert für von Menschen ohne schwere Verletzungen überlebbare g-Kraft bei günstiger Wirkrichtung der Beschleunigung und kurzer Beschleunigungsdauer (Sekundenbruchteile) | 100 |
| Laut Guinness-Buch der Rekorde höchste gemessene g-Kraft, die von einem Menschen (David Purley, 1977) überlebt wurde | 180 |
| IndyCar von Kenny Bräck beim Crash auf dem Texas Motor Speedway im Jahre 2003 (der Fahrer überlebte) | 214 |
| Größenordnung beim Aufprall eines Kugelschreibers, der aus 1 m Höhe auf harten Boden fällt und liegen bleibt | 1.000 |
Auswirkungen von g-Kräften auf den menschlichen Körper
Historische Entwicklung
Die Auswirkungen hoher g-Werte wurden erstmals ausführlich 1946–1948 durch den US-amerikanischen Mediziner John Paul Stapp im Dienst der US-Armee untersucht. Im Rahmen des Projekts wurden dabei auch er selbst und andere Freiwillige auf schienengeführten Schlitten mittels Raketenantrieben auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und mit speziellen Bremsvorrichtungen abgebremst. Die Ergebnisse dieser Forschungen trugen viel zur Entwicklung von effektiven Rückhalte- und Rettungssystemen bei. ⓘ
g-Kräfte in der Luftfahrt
Bei g-Kräften, die auf Flugzeuge im Flug wirken, wird zwischen Manöverlasten und Böenlasten unterschieden. Unter Böenlasten versteht man g-Kräfte, die durch Böen, also durch Luftbewegungen, die eine kurzzeitige Änderung der Anströmung hervorrufen, entstehen. Manöverlasten entstehen durch Flugmanöver. Um Belastungsgrenzen von Flugzeugen zu definieren, wird die Bezeichnung „Lastvielfache“ verwendet. Das Lastvielfache ist als dimensionslose Zahl definiert durch das Verhältnis von Auftriebskraft zu Gewichtskraft :
Wenn man davon ausgeht, dass keine zusätzlichen Kräfte wirken, etwa durch Änderung der Triebwerksleistung oder Geschwindigkeitsänderung der Umgebungsluft, dann entspricht das Lastvielfache n der g-Kraft, die auf die Menschen an Bord des Flugzeugs wirkt. Das Lastvielfache ist der Faktor, um den die scheinbare Gewichtskraft auf Gegenstände im Flugzeug durch zusätzliche Trägheitskräfte zunimmt. Um die entsprechende g-Kraft zu erhalten, muss das Lastvielfache n daher mit der Fallbeschleunigung g multipliziert werden. Für einen normalen Reiseflug ergibt sich ein Lastvielfaches von , entsprechend einer g-Kraft von 1g. Im Kurvenflug ist das Lastvielfach , wobei die Querneigung ist. ⓘ
Die Angabe von maximalen Lastvielfachen wird benutzt, um die Strukturfestigkeit eines Flugzeugs und damit zulässige Flugmanöver festzulegen. Beispiel: Eine Beechcraft Bonanza A36 darf bei eingefahrenen Landeklappen und bei Höchstabfluggewicht mit einem g-Faktor von höchstens 4,4 belastet werden. Dieses Lastvielfach wird bei einer Querneigung von 77° erreicht. ⓘ
Stoßresistenz
Die Widerstandsfähigkeit eines Gebrauchsgegenstands gegenüber kurz andauernden g-Kräften durch Stöße und Vibrationen (Erschütterungen) wird als Stoßresistenz bezeichnet. Angaben über Stoßresistenz findet man zum Beispiel häufig in Datenblättern von Festplatten. Die g-Kräfte werden meist nur sehr kurz ausgehalten (Größenordnung 1 ms), angegebene Grenzwerte gelten oft nur bei einer bestimmten Form der Belastung. ⓘ