Hoe bereken je G-krachten?

Op 29 april 2001 annuleerden de officials van CART (Championship Auto Racing Teams) een race op de Texas Motor Speedway omdat de coureurs al na 10 ronden last kregen van duizeligheid. De combinatie van hoge snelheden en scherpe bochten op de Texas Motor Speedway veroorzaakt krachten van bijna 5 Gs in de bochten. Eén G is de kracht van de zwaartekracht van de aarde – het is deze kracht die bepaalt hoeveel we wegen. Bij 5 G ondervindt een coureur een kracht die gelijk is aan vijf keer zijn gewicht. Tijdens een bocht van 5 G wordt zijn hoofd bijvoorbeeld met 60 tot 70 pond aan kracht opzij getrokken. Laten we eens kijken hoe we kunnen berekenen hoeveel G’s een auto in een bocht trekt en hoe deze Champ-wagens onder zoveel kracht op de baan kunnen blijven.

Het berekenen van de G-krachten op de coureurs is eigenlijk heel eenvoudig. We hoeven alleen maar de radius van de bochten en de snelheid van de auto’s te weten. Volgens de baanfeiten van Texas Motor Speedway hebben de bochten op het circuit een radius van 229 meter. Tijdens de training reden de auto’s rondjes met een snelheid van ongeveer 370 km/u.

Als een auto een bocht neemt, versnelt hij de hele tijd (dit is de reden waarom je, als je met je eigen auto een bocht maakt, een kracht voelt die je lichaam naar de buitenkant van de auto trekt). De mate van versnelling is gelijk aan de snelheid van de auto in het kwadraat gedeeld door de straal van de bocht:

Laten we de getallen eens doorlopen:

Hoe kan de auto op de baan blijven bij dit soort krachten? Dat komt door de schuine bochten.

De Texas Motor Speedway heeft bochten met een helling van 24 graden. De banking heeft niet echt invloed op hoe we de G-krachten op de bestuurder berekenen, maar zonder de banking zouden de auto’s nooit zo’n scherpe bocht kunnen nemen met 230 km/u. Laten we eens kijken hoe de banking helpt.

Als een Champ Car een vlakke bocht zou nemen met 230 mph, zou hij van de baan glijden omdat hij niet genoeg tractie heeft. Tractie is evenredig met hoeveel gewicht er op de banden rust (hoe meer gewicht, hoe meer tractie). Een bocht indraaien zorgt ervoor dat een deel van de G-krachten die in de bocht ontstaan, het gewicht op de banden doen toenemen, waardoor de tractie toeneemt. Om uit te rekenen welk deel van de G-krachten gewicht aan de banden toevoegt, vermenigvuldig je de G-krachten met de sinus van de banking-graad. In ons voorbeeld:

Dus bij een banking van 24 graden voegt 1,93 Gs gewicht toe aan de wielen. Bovendien legt een deel van de 1 G van de zwaartekracht van de aarde ook wat gewicht op de banden: 1 G x cos24° = 0,91 Gs. Samen drukt 2,84 Gs (of 2,84 keer het gewicht van de auto) op de auto tijdens de bocht, waardoor hij op de baan blijft.

De aerodynamica van de auto zorgt ook voor een aanzienlijke downforce bij 230 mph. In een vliegtuig zorgen de vleugels voor draagkracht. Een Champ Car heeft spoilers die lijken op omgekeerde vleugels, die het tegenovergestelde van lift geven: downforce. De downforce houdt de auto aan de baan gekluisterd met een neerwaartse druk die wordt uitgeoefend door de voor- en achtervleugels en door de carrosserie zelf. De hoeveelheid downforce is verbazingwekkend – zodra de auto 322 km/u haalt, is er genoeg downforce op de auto om zichzelf aan het plafond van een tunnel vast te kleven en ondersteboven te rijden! In een straatrace hebben de aerodynamica genoeg zuigkracht om putdeksels op te tillen — voor de race worden alle putdeksels vastgelast om te voorkomen dat dit gebeurt!

Door de downforce en de G-krachten houdt meer dan vier keer het gewicht van de auto de banden tegen de baan als hij met 230 km/u door een van de 24-graden bochten gaat.

Coureurs krijgen een enorme afstraffing op een circuit als dit. Dit niveau van acceleratie is hoger dan de meeste mensen ooit zullen ervaren. Zelfs de space shuttle ontwikkelt slechts 3 Gs wanneer hij opstijgt. Wat nog verbazingwekkender is, is hoe lang deze coureurs dit soort kracht verdragen. De Texas Motor Speedway is 2,4 km lang: Het voorste stuk is 686 meter lang, en het achterste 405 meter. Met een snelheid van 337 km/h hebben de coureurs ongeveer 6,5 seconden nodig om het voorste gedeelte af te leggen, waarna ze de volgende 6,5 seconden worden blootgesteld aan een kracht van bijna 5 Gs wanneer ze de bocht nemen. Het duurt slechts ongeveer 4 seconden om het achterste stuk af te leggen voor de volgende bocht en nog eens 6,5 seconden van bijna 5 Gs. Als de geplande race van 600 mijl (966 km) had plaatsgevonden, zouden de coureurs in totaal 800 keer heen en weer zijn gegaan tussen 5 en bijna nul G’s.