Jak obliczyć siłę G?

Dnia 29 kwietnia 2001 roku przedstawiciele CART (Championship Auto Racing Teams) odwołali wyścig na Texas Motor Speedway, ponieważ kierowcy doświadczyli zawrotów głowy już po 10 okrążeniach. Połączenie dużych prędkości i ciasnych zakrętów na Texas Motor Speedway wytwarza siły o wartości prawie 5 G w zakrętach. Jedno G to siła ziemskiej grawitacji – to właśnie ta siła decyduje o tym, ile ważymy. Przy 5 G kierowca doświadcza siły równej pięciokrotności swojej wagi. Na przykład, podczas zakrętu o sile 5 G, kierowca odczuwa siłę 60 do 70 funtów ciągnącą jego głowę na bok. Zobaczmy, jak obliczyć, ile Gs ciągnie samochód w zakręcie i jak te samochody mogą utrzymać się na torze pod wpływem tak dużej siły.

Obliczenie siły G na kierowcach jest właściwie całkiem proste. Musimy tylko znać promień zakrętu i prędkość bolidów. Według Texas Motor Speedway’s Track Facts, zakręty na torze mają promień 750 stóp (229 metrów). Podczas treningu, samochody pokonywały okrążenia z prędkością około 230 mil na godzinę (370 km/h).

Gdy samochód pokonuje zakręt, przyspiesza przez cały czas (to dlatego, gdy pokonujesz zakręt swoim własnym samochodem, czujesz siłę ciągnącą twoje ciało w kierunku zewnętrznej części samochodu). Wielkość przyspieszenia jest równa prędkości samochodu podniesionej do kwadratu podzielonej przez promień zakrętu:

Popatrzmy na liczby:

Jak samochód może pozostać na torze pod wpływem takiej siły? To z powodu nachylenia zakrętów.

Texas Motor Speedway ma 24-stopniowe nachylenie w zakrętach. Wypukłość nie ma wpływu na to, jak obliczamy siłę G działającą na kierowcę, ale bez niej samochody nie mogłyby pokonywać tak ciasnych zakrętów z prędkością 230 mil na godzinę. Zobaczmy jak banowanie pomaga.

Jeśli Champ Car próbowałby pokonać płaski zakręt przy 230 mph, zsunąłby się z toru, ponieważ nie ma wystarczającej trakcji. Trakcja jest proporcjonalna do wagi opon (im większa waga, tym większa trakcja). Pokonanie zakrętu pozwala, aby część sił G powstałych w zakręcie zwiększyła masę opon, zwiększając trakcję. Aby dowiedzieć się, jaka część sił G zwiększa ciężar opon, należy pomnożyć siły G przez sinus stopnia wyboczenia. W naszym przykładzie:

Więc przy 24 stopniach przechyłu, 1.93 Gs dodaje ciężar do kół. Dodatkowo, część z 1 G pochodząca od grawitacji ziemskiej również obciąża opony: 1 G x cos24° = 0,91 Gs. Łącznie 2,84 Gs (czyli 2,84 razy więcej niż masa samochodu) naciska na samochód podczas zakrętu, pomagając mu trzymać się toru.

Aerodynamika samochodu tworzy również znaczącą siłę docisku przy prędkości 230 mph. W samolocie, skrzydła zapewniają siłę nośną. Champ Car ma spojlery, które są jak odwrócone skrzydła, zapewniając przeciwieństwo siły nośnej: siłę docisku. Siła docisku sprawia, że samochód jest przyklejony do toru dzięki dociskowi w dół, który zapewniają przednie i tylne skrzydła, a także sama karoseria. Siła docisku jest zdumiewająca – gdy samochód porusza się z prędkością 200 mph (322 km/h), siła docisku jest na tyle duża, że mógłby on przylgnąć do sufitu tunelu i jechać do góry nogami! Podczas wyścigu na torze ulicznym aerodynamika ma wystarczającą siłę ssącą, aby unieść pokrywy studzienek kanalizacyjnych – przed wyścigiem wszystkie pokrywy studzienek są przyspawane, aby temu zapobiec!

Pomiędzy siłą docisku a siłami G, ponad czterokrotna masa samochodu przytrzymuje opony na torze, gdy ten pokonuje jeden z 24-stopniowych zakrętów z prędkością 230 mil/h.

Kierowcy przyjmują ogromną karę na takim torze. Ten poziom przyspieszenia jest wyższy niż ten, którego większość ludzi kiedykolwiek doświadczy. Nawet prom kosmiczny osiąga tylko 3 Gs podczas startu. Jeszcze bardziej zdumiewające jest to, jak długo kierowcy wytrzymują takie siły. Tor Texas Motor Speedway ma 1,5 mili (2,4 km) długości: Przedni odcinek ma długość 2 250 stóp (686 m), a tylny odcinek ma długość 1 330 stóp (405 m). Przy prędkości 230 mph (337 f/s) kierowcy potrzebują około 6,5 sekundy, aby zjechać na przedni odcinek, a następnie są uderzani siłą prawie 5 Gs przez kolejne 6,5 sekundy podczas pokonywania zakrętu. Na pokonanie tylnego odcinka przed kolejnym zakrętem potrzeba już tylko około 4 sekund i kolejne 6,5 sekundy z siłą prawie 5 Gs. Gdyby planowany 600-milowy (966 km) wyścig odbył się, kierowcy przechodziliby od 5 do prawie zerowego Gs w sumie 800 razy.