Wie berechnet man die G-Kräfte?

Am 29. April 2001 brach die CART (Championship Auto Racing Teams) ein Rennen auf dem Texas Motor Speedway ab, weil den Fahrern bereits nach 10 Runden schwindelig wurde. Die Kombination aus hohen Geschwindigkeiten und engen Kurven auf dem Texas Motor Speedway erzeugt in den Kurven Kräfte von fast 5 G. Ein G ist die Erdanziehungskraft – diese Kraft bestimmt, wie viel wir wiegen. Bei 5 G erfährt ein Fahrer eine Kraft, die dem Fünffachen seines Gewichts entspricht. Bei einer 5-G-Kurve sind es zum Beispiel 60 bis 70 Pfund Kraft, die seinen Kopf zur Seite ziehen. Schauen wir uns an, wie man berechnet, wie viele Gs ein Auto in einer Kurve zieht und wie diese Champ-Cars unter so viel Kraft auf der Strecke bleiben können.

Die Berechnung der G-Kräfte auf die Fahrer ist eigentlich ganz einfach. Wir müssen nur den Radius der Kurven und die Geschwindigkeit der Autos kennen. Laut den Track Facts des Texas Motor Speedway haben die Kurven auf der Strecke einen Radius von 750 Fuß (229 Meter). Während des Trainings drehten die Autos ihre Runden mit rund 230 Meilen pro Stunde (370 km/h).

Wenn ein Auto um eine Kurve fährt, beschleunigt es die ganze Zeit (das ist der Grund, warum Sie, wenn Sie in Ihrem eigenen Auto eine Kurve fahren, eine Kraft spüren, die Ihren Körper zur Außenseite des Autos zieht). Der Betrag der Beschleunigung ist gleich dem Quadrat der Geschwindigkeit des Autos geteilt durch den Radius der Kurve:

Lassen Sie uns die Zahlen durchgehen:

Wie kann das Auto bei dieser Art von Kraft auf der Strecke bleiben? Das liegt an den überhöhten Kurven.

Der Texas Motor Speedway hat eine Überhöhung von 24 Grad in den Kurven. Die Überhöhung hat keinen Einfluss darauf, wie wir die G-Kräfte auf den Fahrer berechnen, aber ohne die Überhöhung könnten die Autos niemals mit 230 mph um eine so enge Kurve fahren. Schauen wir uns an, wie die Überhöhung hilft.

Wenn ein Champ Car versuchen würde, mit 230 mph eine flache Kurve zu fahren, würde es direkt von der Strecke rutschen, weil es nicht genug Traktion hat. Die Traktion ist proportional dazu, wie viel Gewicht auf den Reifen liegt (je mehr Gewicht, desto mehr Traktion). Durch das Überfahren einer Kurve kann ein Teil der in der Kurve erzeugten G-Kräfte das Gewicht auf den Reifen erhöhen, wodurch sich die Traktion erhöht. Um herauszufinden, welcher Anteil der Gs das Gewicht auf den Reifen erhöht, multipliziert man die G-Kräfte mit dem Sinus des Überhöhungsgrades. In unserem Beispiel:

Bei einer Schräglage von 24 Grad kommen also 1,93 Gs als Gewicht auf die Räder. Zusätzlich lastet ein Teil der 1 G aus der Erdanziehung auf den Reifen: 1 G x cos24° = 0,91 Gs. Zusammen drücken 2,84 G (oder das 2,84-fache des Gewichts des Autos) während der Kurve auf das Auto und helfen ihm, auf der Strecke zu bleiben.

Die Aerodynamik des Autos erzeugt bei 230 mph auch einen erheblichen Abtrieb. Bei einem Flugzeug sorgen die Tragflächen für Auftrieb. Ein Champ Car hat Spoiler, die wie umgedrehte Flügel sind und das Gegenteil von Auftrieb erzeugen: Abtrieb. Der Abtrieb sorgt dafür, dass das Auto auf der Strecke bleibt, indem die vorderen und hinteren Flügel sowie die Karosserie selbst einen Abwärtsdruck erzeugen. Die Menge an Abtrieb ist erstaunlich – wenn das Auto mit 200 mph (322 km/h) unterwegs ist, ist so viel Abtrieb auf dem Auto, dass es tatsächlich an der Decke eines Tunnels haften und auf dem Kopf fahren könnte! Bei einem Straßenrennen reicht die Aerodynamik aus, um Gullydeckel anzuheben – vor dem Rennen werden alle Gullydeckel verschweißt, um das zu verhindern!

Zwischen dem Abtrieb und den G-Kräften hält mehr als das Vierfache des Fahrzeuggewichts die Reifen auf der Strecke, wenn es mit 230 km/h um eine der 24-Grad-Kurven geht.

Die Fahrer werden auf einer solchen Strecke enorm belastet. Dieses Niveau der Beschleunigung ist höher als die meisten Menschen jemals erleben. Selbst das Space Shuttle entwickelt beim Start nur 3 G. Was noch erstaunlicher ist, ist, wie lange diese Fahrer diese Art von Kraft aushalten. Der Texas Motor Speedway ist 1,5 Meilen (2,4 km) lang: Die vordere Strecke ist 2.250 Fuß (686 m) lang und die hintere Strecke ist 1.330 Fuß (405 m) lang. Bei einer Geschwindigkeit von 230 mph (337 f/s) brauchen die Fahrer etwa 6,5 Sekunden, um die vordere Strecke hinunterzufahren, und dann werden sie während der nächsten 6,5 Sekunden mit einer Kraft von fast 5 Gs um die Kurve geprügelt. Es dauert nur etwa 4 Sekunden, um die hintere Strecke vor der nächsten Kurve hinunterzufahren, und weitere 6,5 Sekunden mit fast 5 G. Wenn das geplante 600-Meilen-Rennen (966 km) stattgefunden hätte, wären die Fahrer insgesamt 800 Mal zwischen 5 und fast null Gs hin und her gefahren.