Войти
В прямом и горизонтальном полете подъемная сила (L) равна весу ( W). При повороте на 60 ° подъемная сила равна удвоенному весу (L = 2W). Пилот испытывает 2 г и удвоенный вес. Чем круче крен, тем больше перегрузка. 
Этот драгстер с верхним топливом может разгоняться с нуля до 160 километров в час (99 миль в час) за 0,86 секунды. Это горизонтальное ускорение 5,3 g. В сочетании с вертикальной перегрузкой в стационарном случае теорема Пифагора дает силу перегрузки 5,4 г. эквивалент гравитационной силы или, чаще, g-force, это измерение силы на единицу массы (обычно ускорение), которая вызывает восприятие веса, при этом сила g-перегрузки в 1 г равна обычному значению ускорение свободного падения на Земле, g, около 9,8 м / с. Так как перегрузки косвенно создают вес, любую перегрузку можно описать как «вес на единицу массы» (см. Синоним удельный вес ). Когда перегрузка создается за счет того, что поверхность одного объекта толкает поверхность другого объекта, сила реакции на этот толчок создает равный и противоположный вес для каждой единицы массы объекта. Типы задействованных сил передаются через объекты внутренними механическими напряжениями. Ускорение свободного падения (за исключением некоторых воздействий электромагнитной силы ) является причиной ускорения объекта по отношению к свободному падению.
Перегрузка объекта возникает из-за векторная сумма всех негравитационных и неэлектромагнитных сил, действующих на свободу движения объекта. На практике, как уже отмечалось, это силы поверхностного контакта между объектами. Такие силы вызывают напряжения и деформации на объектах, так как они должны передаваться от поверхности объекта. Из-за этих деформаций большие перегрузки могут быть разрушительными.
Гравитация, действующая сама по себе, не создает перегрузочную силу, даже несмотря на то, что перегрузочные силы выражаются в кратных величинах ускорения свободного падения стандартной силы тяжести. Таким образом, стандартная гравитационная сила на поверхности Земли создает перегрузочную силу только косвенно, в результате сопротивления ей со стороны механических сил. Именно эти механические силы фактически создают перегрузку массы. Например, сила в 1 г, приложенная к объекту, находящемуся на поверхности Земли, вызвана механической силой, действующей в направлении вверх со стороны земли, не позволяющей объекту уйти в свободное падение. Сила контакта, направленная вверх от земли, гарантирует, что объект, покоящийся на поверхности Земли, ускоряется по сравнению с условием свободного падения. (Свободное падение - это путь, по которому объект будет следовать при свободном падении к центру Земли). Напряжение внутри объекта обеспечивается тем, что силы контакта с землей передаются только от точки контакта с землей.
Объекты, которым разрешено свободное падение по инерциальной траектории под действием гравитации, не ощущают только перегрузки, состояние, известное как zero-g (что означает нулевую g-силу). Это демонстрируется условиями «невесомости» внутри лифта, свободно падающего к центру Земли (в вакууме), или (в хорошем приближении) условиями внутри космического корабля на околоземной орбите. Это примеры координатного ускорения (изменение скорости) без ощущения веса. Опыт отсутствия перегрузки (ноль-g), как бы он ни производился, является синонимом невесомости.
В отсутствие гравитационных полей или в направлениях, перпендикулярных к ним, собственное и координатное ускорение является то же самое, и любое координатное ускорение должно быть произведено соответствующим ускорением силы тяжести. Примером может служить ракета в свободном пространстве, в которой простые изменения скорости производятся двигателями и создают перегрузки на ракету и пассажиров.
единицей измерения ускорения в Международной системе единиц (СИ) является м / с. Однако, чтобы отличить ускорение относительно свободного падения от простого ускорения (скорость изменения скорости), часто используется единица g (или g ). Один g - сила на единицу массы, создаваемая силой тяжести на поверхности Земли, и представляет собой стандартную гравитацию (символ: g n), определяемую как 9,80665 метров в секунду в квадрате, или эквивалентно 9,80665 ньютонов силы на килограмм массы. Определение единиц измерения не зависит от местоположения - перегрузка при нахождении на Луне почти точно равна ⁄ 6 земной.
Единица г не является одной из единиц СИ, в которой «г» используется для грамм. Кроме того, «g» не следует путать с «G», который является стандартным символом для гравитационной постоянной. Это обозначение обычно используется в авиации, особенно в пилотажной или боевой военной авиации, для описания повышенных сил, которые должны преодолеваться пилотами, чтобы оставаться в сознании, а не G-LOC (потеря сознания, вызванная G).
Измерение перегрузки обычно выполняется с помощью акселерометра (см. Обсуждение ниже в разделе Измерение с использованием акселерометра ). В некоторых случаях перегрузки могут быть измерены с помощью калиброванных шкал. Удельная сила - другое название, которое использовалось для перегрузки.
Термин g- сила технически неверен, поскольку это мера ускорения, а не силы. Хотя ускорение является величиной вектор, ускорения перегрузки (сокращенно «перегрузки») часто выражаются как скаляр с положительными перегрузками, направленными вниз (что указывает на ускорение вверх.), и отрицательные перегрузки, направленные вверх. Таким образом, перегрузка - это вектор ускорения. Это ускорение, которое должно быть вызвано механической силой и не может быть вызвано простой гравитацией. Объекты, на которые действует только гравитация, не испытывают (или "ощущают") отсутствие перегрузки и являются невесомыми.
G-силы, умноженные на массу, на которую они действуют, связаны с определенным типом механической силы в правильном смысле термина сила, и эта сила дает сжимающее напряжение и растягивающее напряжение. Такие силы приводят к рабочему ощущению веса, но уравнение имеет изменение знака из-за определения положительного веса в направлении вниз, поэтому направление силы веса противоположно направлению g- силовое ускорение:
Причина знака минус заключается в том, что действительная сила (т. е. измеренный вес) на объект, создаваемая перегрузкой, направлена в противоположном направлении по отношению к знак перегрузки, так как в физике вес - это не сила, вызывающая ускорение, а, скорее, сила равной и противоположной реакции на нее. Если направление вверх принимается как положительное (нормальное декартово соглашение), то положительная g-сила (вектор ускорения, направленный вверх) создает силу / вес на любой массе, которая действует вниз (пример - положительное ускорение g ракеты. запуск, производящий вниз вес). Таким же образом, отрицательная сила g - это вектор ускорения вниз (отрицательное направление по оси y), и это ускорение вниз создает весовую силу в направлении вверх (таким образом вытягивая пилота вверх из сиденья и нагнетание крови к голове нормально ориентированного пилота).
Если перегрузка (ускорение) направлена вертикально вверх и прикладывается землей (которая ускоряется в пространстве-времени) или полом лифта к стоящему человеку, большая часть тела испытывает сжимающее напряжение, которое на любой высоте, умноженное на площадь, представляет собой соответствующую механическую силу, которая является произведением силы перегрузки и поддерживаемой массы (масса над уровнем опоры, включая рычаги, свисающие сверху этого уровня). В то же время сами руки испытывают растягивающее напряжение, которое на любой высоте, если умножить на площадь, снова является связанной механической силой, которая является произведением силы перегрузки и массы, висящей ниже точки механической опоры.. Механические силы сопротивления спреды от точки контакта с полом или опорной конструкцией, и постепенно уменьшаются к нулю на неподдерживаемых концах (сверху в случае поддержки снизу, например, сиденье или пола, в нижней части для подвесной части тела или объекта). При сжимающей силе, считающейся отрицательной растягивающей силой, скорость изменения растягивающей силы в направлении силы перегрузки на единицу массы (изменение между частями объекта таким образом, что срез объекта между ними имеет единицу массы), равна g-силе плюс негравитационные внешние силы на срезе, если таковые имеются (считаются положительными в направлении, противоположном g-силе).
Для данной g-силы напряжения одинаковы, независимо от того, вызвана ли эта g-сила механическим сопротивлением силе тяжести или координатным ускорением (изменением скорости), вызванным механической силой, или их комбинацией. Следовательно, для людей все механические силы ощущаются одинаково, независимо от того, вызывают они координатное ускорение или нет. Точно так же для объектов вопрос о том, могут ли они выдержать механическую перегрузку без повреждений, одинаков для любого типа перегрузки. Например, восходящее ускорение (например, увеличение скорости при подъеме или уменьшение скорости при спуске) на Земле ощущается так же, как неподвижность на небесном теле с более высокой поверхностной гравитацией. Сама по себе гравитация не создает никакой перегрузки; Перегрузка создается только за счет механических толчков и толчков. Для свободного тела (которое может свободно перемещаться в пространстве) такие перегрузки возникают только при изменении «инерционного» пути, который является естественным эффектом гравитации или естественным эффектом инерции массы. Такая модификация может возникнуть только из-за влияний, отличных от гравитации.
Примеры важных ситуаций, связанных с G-силы включают в себя:
Классический пример отрицательной перегрузки - полностью перевернутая американские горки, которые ускоряются (изменяют скорость) по направлению к земле. В этом случае водители американских горок ускоряются к земле быстрее, чем их ускоряет сила тяжести, и, таким образом, оказываются зажатыми вверх ногами на своих сиденьях. В этом случае механическая сила, действующая на сиденье, вызывает перегрузку, изменяя путь пассажира вниз, и это отличается от ускорения свободного падения. Разница в нисходящем движении, теперь более быстром, чем может обеспечить сила тяжести, вызвана толчком сиденья и приводит к возникновению перегрузки, направленной к земле.
Все «координатные ускорения» (или их отсутствие) описываются законами движения Ньютона следующим образом:
Второй закон движения, закон ускорения утверждает, что: F = ma., что означает, что сила F, действующая на тело, равна массе m тела, умноженной на его ускорение a.
Третий закон движения, закон взаимных действий гласит, что: все силы возникают парами, и эти две силы равны по величине и противоположны по направлению. Третий закон движения Ньютона означает, что гравитация не только действует как сила, действующая вниз, скажем, на камень, который вы держите в руке, но также и то, что камень оказывает на Землю силу, равную по величине и противоположную по направлению.
Этот самолет-акробат останавливается в маневре + g; пилот испытывает несколько g инерционного ускорения в дополнение к силе тяжести. Кумулятивные силы вертикальной оси, действующие на его тело, заставляют его на мгновение «весить» во много раз больше, чем обычно. В самолете кресло пилота можно представить как руку, держащую камень, а пилота - как камень. При прямом и горизонтальном полете с массой 1 г на пилота действует сила тяжести. Его вес (направленная вниз сила) составляет 725 ньютонов (163 lbf ). В соответствии с третьим законом Ньютона самолет и сиденье под ним создают равную и противоположную силу, толкающую вверх с силой 725 Н (163 фунтов f). Эта механическая сила обеспечивает пилоту силу 1,0 g, направленную вверх надлежащее ускорение, даже несмотря на то, что эта скорость в направлении вверх не изменяется (это похоже на ситуацию, когда человек стоит на земле, когда земля обеспечивает эту силу и эту перегрузку).
Если бы пилот внезапно потянул ручку назад и заставил свой самолет разогнаться вверх со скоростью 9,8 м / с, общая перегрузка на его тело составила бы 2 г, половина которой исходит от сиденья, толкающего самолет. пилот должен сопротивляться гравитации, и половина из сиденья толкает пилота, чтобы вызвать его восходящее ускорение - изменение скорости, которое также является надлежащим ускорением, поскольку оно также отличается от траектории свободного падения. В системе отсчета самолета его тело теперь создает силу 1450 Н (330 фунтов f) вниз в его сиденье, и сиденье одновременно толкает вверх с равной силой 1,450 Н (330 фунтов). фунт f).
Неограниченное ускорение из-за механических сил и, как следствие, перегрузки, возникает всякий раз, когда кто-либо едет в транспортном средстве, потому что оно всегда вызывает правильное ускорение и (в отсутствие силы тяжести) также всегда координатное ускорение (где изменения скорости). Каждый раз, когда автомобиль меняет направление или скорость, пассажиры ощущают поперечные (из стороны в сторону) или продольные (вперед и назад) силы, создаваемые механическим толчком их сидений.
Выражение «1 г = 9,80665 м / с» означает, что за каждую прошедшую секунду скорость изменяется на 9,80665 метров в секунду (35,30394 км / ч). Эту скорость изменения скорости также можно обозначить как 9,80665 (метров в секунду) в секунду или 9,80665 м / с. Например: ускорение в 1 g соответствует скорости изменения скорости примерно на 35 километров в час (22 мили в час) за каждую прошедшую секунду. Следовательно, если автомобиль способен тормозить при 1 g и движется со скоростью 35 километров в час (22 мили в час), он может тормозить до полной остановки за одну секунду, и водитель испытает замедление на 1 g. Автомобиль, движущийся со скоростью, в три раза превышающей эту скорость, 105 км / ч (65 миль / ч), может тормозить до полной остановки за три секунды.
В случае увеличения скорости от 0 до v с постоянным ускорением на расстоянии s это ускорение составляет v / (2s).
Подготовка объекта к перегрузке (отсутствие повреждений при воздействии большой силы перегрузки) называется перегрузкой. Это может относиться, например, к инструментам в снаряде, выпущенном из пистолета.
Полугодовой график пределов устойчивости человека к линейному ускорению Допуск человека зависит от величины гравитационной силы, продолжительности ее действия, направления ее действия, места приложения и положения тела.
Человеческое тело гибко и деформируется, особенно более мягкое ткани. Резкий удар по лицу может на короткое время вызвать локальное воздействие сотен граммов, но не причинить реального ущерба; постоянная 16 g 0 в течение минуты, однако, может быть смертельной. Когда испытывается вибрация, относительно низкие пиковые уровни g могут серьезно повредить, если они находятся на резонансной частоте органов или соединительных тканей.
В некоторой степени g-толерантность можно тренировать, и также существуют значительные различия в врожденных способностях между людьми. Кроме того, некоторые заболевания, в частности, сердечно-сосудистые проблемы, снижают толерантность к g.
Пилоты самолета (в частности) выдерживают перегрузки вдоль оси, совмещенной с позвоночником. Это вызывает значительные колебания артериального давления по длине тела пациента, что ограничивает максимальные допустимые перегрузки.
Положительный, или «восходящий» g, заставляет кровь опускаться к ногам сидящего или стоящего человека (более естественно, что ступни и тело могут рассматриваться как движущиеся под действием восходящей силы пола и сиденья, вверх вокруг крови). Устойчивость к положительному g различается. Типичный человек может выдержать около 5 г 0 (49 м / с) (это означает, что некоторые люди могут потерять сознание при катании на американских горках с более высоким g, что в некоторых случаях превышает этот предел) до проигрыша сознание, но благодаря комбинации специальных g-костюмов и усилий по напряжению мышц - и то и другое заставляет кровь возвращаться в мозг - современные пилоты обычно могут выдерживать длительные 9 g 0 (88 м / с) (см. Тренировка High-G ).
В частности, в самолетах вертикальные перегрузки часто положительны (заставляют кровь двигаться к ногам и от головы); это вызывает проблемы, в частности, с глазами и мозгом. По мере постепенного увеличения положительной вертикальной перегрузки (например, в центрифуге ) могут наблюдаться следующие симптомы:
Сопротивление «отрицательному» или «нисходящему» g, который приводит кровь к голове, намного ниже. Этот предел обычно находится в диапазоне от -2 до -3 г 0 (от -20 до -29 м / с). Это состояние иногда называют покраснением, когда зрение образно покраснеет из-за того, что нижнее веко с кровью втягивается в поле зрения. Отрицательный g обычно неприятен и может вызвать повреждение. Кровеносные сосуды в глазах или головном мозге могут набухать или лопаться под повышенным кровяным давлением, что приводит к ухудшению зрения или даже к слепоте.
Человеческое тело лучше переносит перегрузки, перпендикулярные позвоночнику. В общем, когда ускорение идет вперед (субъект лежит на спине, в просторечии известен как «глазные яблоки внутрь»), проявляется гораздо более высокая толерантность, чем при обратном ускорении (лежа на спине, «глазные яблоки наружу»), поскольку кровеносные сосуды в сетчатке оказываются более чувствительными в последнем направлении.
Ранние эксперименты показали, что нетренированные люди способны переносить ряд ускорений в зависимости от времени воздействия. Это варьировалось от 20 г 0 в течение менее 10 секунд до 10 г 0 в течение 1 минуты и 6 г 0 в течение 10 минут для обоих глазные яблоки внутрь и наружу. Эти силы выдерживались при сохранении когнитивных способностей, поскольку испытуемые могли выполнять простые физические и коммуникативные задачи. Было установлено, что тесты не причиняют долгосрочного или краткосрочного вреда, хотя терпимость была весьма субъективной, и только наиболее мотивированные непилоты были способны завершить тесты. Рекорд по максимальной экспериментальной устойчивости к горизонтальной перегрузке установлен пионером ускорения Джоном Стэппом в серии экспериментов по замедлению салазок, завершившихся испытанием в конце 1954 года, в котором он был разогнан чуть более чем за секунду от Сухопутная скорость 0,9 Маха. Он пережил пиковое ускорение "под завязку", в 46,2 раза превышающее ускорение свободного падения, и более 25 g 0 в течение 1,1 секунды, доказывая, что человеческое тело способно на это. Стэпп прожил еще 45 лет до 89 лет без каких-либо побочных эффектов.
Наивысшая зарегистрированная сила перегрузки, испытанная человеком, который выжил, был во время 2003 IndyCar Series финала на Texas Motor Speedway в октябре 12 декабря 2003 года в Chevy 500 2003 года, когда автомобиль, которым управлял Кенни Брэк, задел колесо в колесо автомобиля Томаса Шектера. Это немедленно привело к тому, что автомобиль Брэка ударился о заглушку, которая зафиксировала пик в 214 г 0.
Удар и механический удар обычно используются для описания высокая кинетическая энергия, кратковременное возбуждение. Ударный импульс часто измеряется по его пиковому ускорению в ± 0 · с и длительности импульса. Вибрация - это периодические колебания, которые также могут быть измерены в 0 · с, а также частота. Динамика этих явлений - это то, что отличает их от перегрузок, вызванных относительно длительными ускорениями.
После свободного падения с высоты 
Рывок - это скорость изменения ускорения. В единицах СИ рывок выражается в м / с; это также может быть выражено в стандартной гравитации в секунду (0 / с; 1 ɡ 0 / s ≈ 9,81 м / с).
Недавние исследования, проведенные на экстремофилах в Японии, вовлекали множество бактерий (включая E. coli в качестве неэкстремофильного контроля) в условиях экстремальной гравитации. Бактерии культивировали при вращении в ультрацентрифуге на высоких скоростях, соответствующих 403 627 g. Paracoccus denitrificans был одной из бактерий, которые продемонстрировали не только выживаемость, но и устойчивый рост клеток в этих условиях сверхускорения, которые обычно можно найти только в космической среде, например на очень массивных звездах или в толчке. волны сверхновых. Анализ показал, что небольшой размер прокариотических клеток необходим для успешного роста в условиях гипергравитации. Исследование имеет значение для возможности панспермии.
| Пример | g-force |
|---|---|
| Роторы гироскопа в Gravity Probe B и свободный Плавающие массы в навигационном спутнике TRIAD I | 0 г |
| Поездка на Vomit Comet (параболический полет) | ≈ 0 г |
| Стоя на Mimas, самое маленькое и наименее массивное известное тело , округленное под действием собственной силы тяжести | 0,006 г |
| Стоя на Церере, самом маленьком и наименее массивном известном теле в настоящее время гидростатическом равновесие | 0,029 г |
| Стоя на Плутоне на уровне моря | 0,063 г |
| Стоя на Эриде на уровне моря | 0,084 г |
| Стоя на Титане на уровне моря | 0,138 г |
| Стоя на Ганимеде на уровне моря | 0,146 г |
| Стоя на Луне на уровне моря | 0,1657 г |
| Стоя на Меркурии на уровне моря | 0,377 г |
| Стоя на Марс на его экваторе | 0,3 78 г |
| Стоя на Венере на уровне моря | 0,905 г |
| Стоя на Земле на уровне моря - стандарт | 1 г |
| Сатурн V лунная ракета сразу после запуска и сила тяжести Нептуна, где атмосферное давление примерно земное | 1,14 г |
| Bugatti Veyron от 0 до 100 км / ч за 2,4 с | 1,55 г |
| Gravitron аттракцион | 2,5–3 г |
| Гравитация Юпитера в средних широтах и где атмосферное давление составляет примерно земное | 2,528 г |
| Неограниченное чихание после нюхания молотого перца | 2,9 г |
| космический шаттл, максимум во время запуска и входа | 3 г |
| Американские горки с высоким g | 3,5–6,3 г |
| Сильный приветственный шлепок по верхней части спины | 4,1 г |
| Top Fuel дрэг-рейсинг мировой рекорд 4,4 с на расстояние 1/4 мили | 4,2 г |
| Самолет Первой мировой войны (например: Sopwith Camel, Fokker Dr.1, SPAD S.XIII, Nieuport 17, Albatros D.III ) in dogfi ght маневрирование. | 4,5–7 г |
| Санный спорт, максимум ожидаемый в центре санного спорта в Уистлере | 5,2 г |
| болид Формулы-1, максимум при резком торможении | 6,3 г |
| Автомобиль Формулы-1, максимальная боковая нагрузка в поворотах | 6–6,5 г |
| Стандартный, сертифицированный для полного высшего пилотажа планер | + 7 / −5 г |
| Аполлон-16 при входе в атмосферу | 7,19 г |
| Максимально допустимая перегрузка в самолете Су-27 | 9 г |
| Максимум допустимая перегрузочная сила в самолете Микоян МиГ-35 и максимально допустимая перегрузка в самолетах Red Bull Air Race | 10 g |
| Ускорение свободного падения на поверхность Солнца | 28 г |
| Максимальная перегрузка в ракетной системе Тор | 30 г |
| Максимум для человека на ракетных санях | 46,2 г |
| Спринт ракета | 100 г |
| Кратковременное воздействие на человека, выжившего при аварии | >100 г |
| Выброс корональной массы (Солнце) | 480 г |
| Космическая пушка с длиной ствола 1 км и начальной скоростью 6 км / с, как предложено Quickla unch (при постоянном ускорении) | 1800 g |
| Ударная способность механических наручных часов | >5000 g |
| V8 двигатель Formula One, максимум ускорение поршня | 8600 g |
| Mantis Shrimp, ускорение когтя во время хищнического удара | 10400 g |
| Рейтинг электроники, встроенной в снаряды военной артиллерии | 15 500 g |
| Аналитическая ультрацентрифуга, вращающаяся при 60 000 об / мин, в нижней части ячейки для анализа (7,2 см) | 300 000 g |
| Среднее ускорение протона в большом адронном коллайдере | 190 000 000 г |
| Ускорение свободного падения на поверхности типичной нейтронной звезды | 2,0 × 10 г |
| Ускорение от плазменного ускорителя кильватерного поля | 8,9 × 10 г |
* Включая вклад от сопротивления гравитации.. † Направлено на 40 градусов от горизонтали.
Американские горки Superman: Escape from Krypton на Six Flags Magic Mountain обеспечивают баллистическую невесомость в 6,5 секунд. An акселерометр в своей простейшей форме представляет собой амортизированную массу на конце пружины с некоторым способом измерения того, насколько далеко масса переместилась на пружине в определенном направлении, называемом 'ось'.
Акселерометры часто откалиброваны для измерения перегрузки по одной или нескольким осям. Если стационарный одноосный акселерометр ориентирован так, что его измерительная ось расположена горизонтально, его выходная мощность будет равна 0 g, и она будет продолжать равняться 0 g, если он установлен в автомобиле, движущемся с постоянной скоростью по ровной дороге. Когда водитель нажимает на педаль тормоза или газа, акселерометр регистрирует положительное или отрицательное ускорение.
Если акселерометр повернуть на 90 ° в вертикальное положение, он будет показывать +1 g вверх, даже если он неподвижен. В этой ситуации на акселерометр действуют две силы: сила тяжести и сила реакции земли поверхности, на которой он опирается. Акселерометр может измерить только последнюю силу из-за механического взаимодействия между акселерометром и землей. Показание - это ускорение, которое инструмент имел бы, если бы он был подвержен исключительно этой силе.
Трехосевой акселерометр будет выводить ноль g на всех трех осях, если его уронить или иным образом поместить на баллистическую траекторию (также известную как инерциальная траектория), так что он испытывает «свободное падение», как и космонавты на орбите (астронавты испытывают небольшие приливные ускорения, называемые микрогравитацией, которыми мы пренебрегаем для обсуждения здесь). Некоторые аттракционы в парках развлечений обеспечивают несколько секунд при почти нулевом g. Поездка на «рвотной комете » НАСА обеспечивает почти нулевой g в течение примерно 25 секунд за раз.
