Albert Illera, un estudiante de Ingeniera Aeronáutica nos envía este interesantísimo artículo sobre las fuerzas G. No tiene desperdicio.

Durante las retransmisiones de F1 los comentaristas tienen a nombrar en numerosas ocasiones la expresión “fuerza G”, pero… ¿A qué se refiere exactamente esta expresión?

Para empezar hay que aclarar que lo que llamamos “fuerza g” no es una fuerza en realidad, es una comparación entre la fuerza provocada por una aceleración en un objeto y su peso. Es lo que en ingeniería se llama numero adimensional, o lo que es lo mismo, que no tiene unidad de medida. Aunque normalmente se compara con el valor de la gravedad (de ahí proviene el nombre de fuerza G) para dar una idea intuitiva del valor del numero.

En terrenos como la aeronáutica la comparación puede hacerse con la fuerza de sustentación máxima de las alas, logrando así un margen en g’s del margen de aceleraciones que puede sufrir la estructura del avión, o con la fuerza que realiza un tren de aterrizaje al tomar tierra, obteniendo un valor de la eficacia de éste.

Aún así resulta más interesante usar el concepto de “fuerzas g” para referirse a aceleraciones laterales, o al menos para los seguidores del mundo del motor. A partir de éste momento hablaremos de estos casos.

 

FUERZAS G EN DIFERENTES SITUACIONES

Formula 1

En la Formula 1 se producen “fuerzas g” en los siguientes casos:

 

 

El monoplaza acelera:

Las aceleraciones de un monoplaza de la categoría reina no suelen sobrepasar el valor de 1 g. A pesar de eso no debemos pensar que se trata de una aceleración pequeña, puesto que esa es la desaceleración que recibe un coche de calle al realizar una frenada de emergencia.

 

El monoplaza gira:

Estas aceleraciones son difíciles de soportar puesto que o cambian rápidamente de dirección o son realmente intensas, con valores cercanos a los 4 g’s. Los pilotos deben ejercer una fuerza igual a la lateral para poder mantener la visión de la curva, cosa que implica un entrenamiento intenso del cuello en el gimnasio, con maquinas específicamente desarrolladas para lograr dicho objetivo. Aún así hay circuitos que entrañan un gran reto para los cuellos de los pilotos, como es el caso del circuito de Interlagos. Las razones son varias:

El sentido de giro del circuito es opuesto al habitual (en el caso de la F1, sentido antihorario), cosa que implica un mayor tiempo de giro en una dirección no habitual para el cuello.

Las curvas rápidas con giros no peraltados, como sería el caso de curvas como la 130R (Suzuka), Renault (Circuit de Catalunya), Estoril (Magny Course), Blanchimont (Spa), la curva nº 11 (Estambul Park) o Subida do Boxes (Interlagos).

 

El monoplaza experimenta cambios de nivel en el terreno:

Aunque son casos atípicos, resultan interesantes, puesto que las curvas con cambios de nivel suelen estar entre las más conocidas del campeonato. Este es el caso de curvas como Eau Rouge (Spa), la curva peraltada de Indianápolis, o muchas de las curvas del circuito de Estambul. En este tipo de curvas a las aceleraciones laterales y frontales se les suman aceleraciones verticales que presionan al coche hacia el terreno o lo que es más peligroso, disminuyen la presión del vehículo al suelo (final de la curva Eau Rouge, por ejemplo).

 

El monoplaza frena:

La frenada es sin duda alguna la situación en la cual mas aceleraciones recibe el piloto. Los materiales utilizados para los dispositivos de frenado son radicalmente diferentes a los materiales utilizados en los coches de calle, éstos se asemejan más a los utilizados en aviones comerciales o aviones de combate, de manera que se logran frenadas de hasta 5,5 g’s.

 

Redbull Air Race 6

Los pilotos de esta competición aérea tienen que soportar cargas incluso superiores a 10 g’s, el piloto debe resistir su peso multiplicado por diez en realizar un giro o un looping. Los pilotos de carreras automovilísticas, a pesar de estar entrenados para soportar las aceleraciones laterales de un bólido, raras veces soportan las aceleraciones de una avioneta acrobática, puesto que estas no son únicamente laterales, sino que pueden aparecer en prácticamente cualquier dirección. Cabe destacar que los pilotos de la RedBull 5 no son pilotos acrobáticos cualesquiera, son capaces de soportar aceleraciones que muchos pilotos de aviones de combate o acrobáticos 4 no podrían soportar.

 

 

 

Montañas Rusas

La fuerza g máxima de una montaña rusa es un valor realmente importante para hacer de esta una experiencia con una gran explosión de adrenalina. A continuación expongo una pequeña lista de las diferentes atracciones y su fuerza g máxima correspondiente, para que así comparéis vuestra experiencia con los casos anteriormente nombrados:

Dragon Khan 3,75 g’s

Furius Baco 7 4,7 g’s

Hurakan Condor 3 g’s

Aviones de Combate

Las aceleraciones que se producen en la cabina de un avión de combate son cercanas a los límites del cuerpo humano. Aún así no están diseñados para soportar las aceleraciones que puede soportar un avión acrobático de la Red Bull Air Race.

Para hacer una idea de las aceleraciones laterales que pueden soportar pongo unos cuantos casos de límites operacionales.

F-16 Falcon 9 g’s F-18 Hornet 7,5 g’s

F-22 Raptor 9,5 g’s

LAS FUERZAS G Y EL CUERPO HUMANO

 

Una vez explicada la definición de “fuerza g” y algunas situaciones de interés nos adentraremos en la parte más interesante, el límite del cuerpo humano a estos efectos.

En la F1 las medidas para soportar las fuerzas g eran escasas y en cierto modo siguen siéndolo, los pilotos deben soportar las fuerzas sobre su cuello sin ningún tipo de ayuda. El único avance realmente importante respecto a las fuerzas G es el dispositivo conocido popularmente como HANS Device (Head and Neck Safety Device), que ejerce una fuerza que sujeta el cuello del piloto para evitar el efecto látigo provocado por las fuerzas g resultantes del impacto1.

Como se ha explicado anteriormente las fuerzas g son mucho más intensas en los aviones acrobáticos o militares que en los vehículos terrestres de competición, de manera que a partir de éste instante únicamente estaremos hablando de casos aeronáuticos.

 

 

ACELERACIONES VERTICALES

Trajes anti-g y Black-out

En giros cerrados, con una aceleración lateral exagerada, la sangre de los pilotos tiende a alejarse del eje del giro. Este efecto provoca en muchas maniobras con aceleraciones verticales que la sangre de la cabeza “huya” hacia los pies, provocando una falta de riego sanguíneo. La única forma posible de apaliar este efecto es portar un traje anti-g (g-suit en inglés). Estos trajes están diseñados para hincharse por la zona de las piernas y el tronco, cuando la aceleración vertical supera un cierto límite, al hincharse la presión que provocan evita que demasiada sangre llegue a esas zonas. Gracias a los trajes los pilotos que entrenados soportarían entre 4 y 6 g’s verticales, pueden llegar a soportar maniobras de hasta 9 g’s.

Los trajes anti-g se diseñaron durante la segunda guerra mundial. En el caso de la RAF y las US Air Force, desarrollados por Wilbur R. Franks (universidad de Toronto), para evitar los efectos anteriormente explicados en los pilotos de los aviones Hurricane y Spitfire.

 

 

Pero intentemos ir más allá… ¿Qué ocurre si no evitamos que la sangre se vaya de la cabeza o por lo contrario se acumule en la cabeza? Pues que se dan dos efectos opuestos uno llamado Black-out y otro llamado Red-out.

 

 

Black-out (a partir de 4 ó 5 g’s hacia los pies)

El Black-out, también llamado Brown-out o Grey-out, describe la situación progresiva de pérdida de visión que sufren los pilotos en estas situaciones. Los diferentes nombres son consecuencia del carácter personal de la experiencia. Cuando la presión de la sangre de la cabeza es muy pequeña se pierde efectividad en la visión, perdiendo colores (hasta llegar al negro-marrón-gris) y perdiendo a su vez de forma gradual la visión periférica. La experiencia suele ir acompañada de una hiperventilación exagerada para intentar lograr oxigeno para el cerebro.

Red-out (3 g’s hacia la cabeza)

El Red-out por el contrario hace referencia al efecto contrario. La sangre huye de las piernas hacia la parte superior del cuerpo, de manera que en los ojos y el cerebro se llenan de sangre y la visión empieza a teñirse de rojo. Un Red-out es mucho más peligroso que un Black-out, una acumulación de sangre en la cabeza puede provocar hematomas y heridas internas mucho más peligrosas que el efecto de pérdida de visión. Se trata de una situación extremadamente incómoda, de manera que los pilotos evitan estas maniobras.

 

 

 

 

G-LOC

Si la situación de Black-out persiste el piloto sufre una pérdida total de la visión, después experimentar un efecto túnel (el piloto pierde la visión periférica hasta solo poder observar el centro de la imagen inicial). Una vez desaparecida totalmente la visión el cuerpo entra en un estado de pérdida de consciencia, que recibe el nombre de G-LOC. El único remedio en esos instantes es reducir el giro para que el piloto pueda recuperarse. La recuperación del piloto, que si todo funciona correctamente no dura más de 5 segundos, y esta viene seguida de un par de segundos en que el piloto se siente totalmente desorientado2. Lógicamente no es conveniente realizar maniobras que puedan provocar un G-LOC cerca del terreno, puesto que la colisión con él sería inevitable.

Normalmente los pilotos noveles son sometidos a pruebas en zonas seguras para poder conocer en situación real las aceleraciones que pueden soportar1 2 3.

ACELERACIONES TRANSVERSALES

Las aceleraciones transversales son aquellas que actúan en la dirección perpendicular al pecho. Los tripulantes de aeronaves suelen sufrir estas aceleraciones principalmente de forma leve en las aterrizajes y los despegues. Pero en casos como las misiones espaciales estas aceleraciones son realmente importantes.

El cuerpo humano es capaz de resistir valores en esta dirección de hasta 20 g’s aproximadamente (en un individuo entrenado). En este tipo de aceleraciones distribución de la sangre no es ningún problema, a partir de entre 12 y 15 g’s el cuerpo empieza a sufrir alteraciones en la distribución de los órganos, produciéndose por ejemplo una dificultad respiratoria.

 

 

 

 

 

 

 

1 http://es.youtube.com/watch?v=bWLi9UkV5nY

2 http://es.youtube.com/watch?v=5xlFTbvVh9E

3 http://es.youtube.com/watch?v=CwdOHFjYiSU

4 http://es.youtube.com/watch?v=MC1HKNrMhYA

5 http://es.youtube.com/watch?v=R4lDmETgYGs

6 http://es.youtube.com/watch?v=IrxGaxQFxAg

7 http://es.youtube.com/watch?v=ixRfKylSX3w

 

 

Imágenes extraidas de:

http://www.longleat.co.uk/

http://upload.wikimedia.org/

http://www.warbirdsite.com/

http://www.tayyareci.com/

http://www.spacetoday.org/