Lực G là gì?
Lực g hay lực G (tiếng Anh: g-force) là một lực ảo dạng quán tính dùng để giải thích gia tốc tương đối của một vật khi đổi hướng hoặc thay đổi tốc độ so với khi rơi tự do. Đơn vị đo lực g ký hiệu là g (hoặc G). Cần phân biệt đơn vị đo lực g ký hiệu là g với gia tốc rơi tự do cũng ký hiệu là g và có giá trị bằng 9,8 m/s2. Lực G bằng 1 g tương đương với trọng lực tiêu chuẩn.
Lực G của một vật là 0 g trong một môi trường không trọng lực chẳng hạn như một vệ tinh bay xung quanh Trái Đất và là 1 g của một vật đang nằm cân bằng trên mặt đất. Tuy nhiên, lực G có thể mạnh hơn 1 g nhiều ví dụ như đối với các tên lửa hoặc tàu lượn cao tốc đang tăng tốc.
Lực G – điều hấp dẫn bên trong một chiếc ôtô
Lực G (Gravity) không dễ cảm nhận ở tốc độ thấp, cũng chính là điều tạo nên sự khác biệt giữa xe thường và xe đua.
Để làm nên một chiếc xe, nhà sản xuất không chỉ đau đầu về thiết kế hay động cơ mà còn một yếu tố không nhìn thấy là lực G. Lực G là gia tốc tương đối của vật so với khi rơi tự do, và được tính theo gia tốc trọng trường (g), g = 9,81m/s^2.
Lực G không dễ cảm nhận ở tốc độ thấp, bằng chứng là khi bạn lái xe hàng ngày, mọi thứ xung quanh đều bình thường. Nhưng hãy tưởng tượng bạn đang lái xe trên đường đua. Khi đạp ga lút sàn để tăng tốc, có thứ gì đó ấn chặt người bạn vào ghế. Lúc vào cua, chúng lại đẩy người bạn văng hướng ngược lại. Rồi phanh gấp, thứ vô hình đó lại xuất hiện, đẩy người về phía trước, nếu không có dây an toàn, có lẽ thân người đã bắn khỏi kính lái. Tất cả trạng thái trên tạo cảm giác như trọng lực ở khắp mọi nơi. Và đó chính là lực G.
Lực G với cơ thể con người
Nhiều người nghĩ rằng, sự khác biệt giữa một tay đua F1 và người bình thường chỉ nằm ở kỹ năng lái. Điều đó sai hoàn toàn, một tay đua F1 phải tập luyện rất nhiều để có thể khả năng tập trung, chịu sức nóng khủng khiếp, và phải chống lại lực G có thể khiến người bình thường bất tỉnh.
Dùng con số để dễ so sánh. Cơ thể người bình thường được hình thành để chịu được 1g. Vượt qua con số đó đều ảnh hưởng xấu tới cơ thể. Nhưng với tay đua, họ phải chịu gấp nhiều lần.
Mỗi khi tăng tốc, họ phải chịu lực 3g, vì xe đua Công thức 1 chỉ cần chưa đầy 2 giây để tăng tốc từ 0-100 km. Gia tốc trong trường hợp này sinh ra lực G ngược chiều chuyển động, ấn chặt người lái vào ghế với một lực gấp 3 lần trọng lượng của tay đua. Xe Dragster còn hơn thế, nó tạo ra một lực lên đến 5,3g khi tăng tốc từ 0-100 km/h trong khoảng thời gian chưa đầy một giây.
Ở những khúc cua, lực ly tâm trung bình lên đến 4g. Các tay đua ra sức giữ cho chiếc xe đi đúng hướng, chống chọi với lực G đẩy mình ra ngoài gấp 4 lần trọng lượng cơ thể. Ghế xe và dây an toàn có nhiệm vụ giữ anh ta lại. Tuy nhiên, tay đua phải cố nắm lấy vô-lăng và giữ cái đầu thẳng. Để làm được điều đó, mỗi tay đua có hẳn bài tập dành riêng cho cổ. Juan Pablo Montoya – cựu tay đua F1 cho biết, cổ ông có thể thực hiện bài tập 300 lần với 23 kg.
Hãm phanh là quá trình tạo ra lực G lớn nhất trong trường đua F1. Những bộ phanh làm từ sợi carbon khiến quá trình giảm tốc nhanh đến nỗi anh ta bị đẩy về phía trước một lực 6g, tương đương với lực G mà một phi công máy bay chiến đấu phải chịu đựng. Lực quán tính này ép nước mắt người lái bắn lên kính mũ bảo hiểm, và khiến dây an toàn chịu lực khoảng 400 kg để giữ cơ thể anh ta không bắn khỏi kính lái.
Năm 2007, tại đường đua Gilles Villeneuve ở Mỹ, tay đua Martin Brundle lái thử nghiệm xe đua F1 Williams Toyota FW29 nói rằng, lực phanh tạo ra khiến anh cảm thấy như phổi của mình chạm vào lồng ngực.
Một câu hỏi bên lề, vậy cơ thể con người có thể chịu được lực G tối đa là bao nhiêu? Nhà khoa học dũng cảm hoặc điên rồ (tùy theo cách mọi người nghĩ) John Stapp đã cố gắng trả lời vào năm 1954 khi ông buộc chặt mình vào một chiếc xe trượt có gắn động cơ tên lửa, và cho nó giảm tốc từ 1.017 km/h về 0 km/h trong 1,4 giây để phục vụ nghiên cứu ngành hàng không. Ông phải chịu lực lên tới 46g, tương đương với lực G khi đâm vào một bức tường ở tốc độ 193 km/h. Khoảnh khắc đó, cơ thể ông nặng hơn 3 tấn và tất cả mạch máu ở mắt bị vỡ, nứt xương sườn, cả 2 cổ tay bị phá hủy, ảnh hưởng đến cả đường hô hấp và hệ tuần hoàn.
Kiểm soát lực G ở xe dân dụng
Lực G quá lớn ảnh hưởng xấu đến cơ thể con người, nhưng ở mức vừa phải lại khiến nhiều người mê mẩn. Những tay lái xe thể thao thường nói rằng, họ không chỉ mê tốc độ mà thích cả gia tốc của chiếc xe. Bởi vậy, lực G luôn được tính đến, nhưng chỉ ở mức chừng mực để đảm bảo chúng đem lại sự thích thú, thay vì ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Lấy ví dụ một chiếc Porsche 918 Spyder tăng tốc từ 0-100 km/h trong 2,2 giây (xe dân dụng tăng tốc nhanh thế giới), tạo ra gia tốc = 1,24g. Trong khi một chiếc Ferrari F12 Berlinetta chỉ có gia tốc 0,88g vì cần đến 3,1 giây để tăng tốc từ 0-100 km/h.
Tuy nhiên, trong vài giây ngắn ngủi đó, bạn sẽ cảm thấy gia tốc mạnh hơn ở một giây đầu tiên, rồi giảm dần. Lý do nằm ở chỗ khoảng tốc độ 0-30 km/h hay 0-60 km/h sinh ra lực G khác nhau ở từng giai đoạn. Phép tính 0-100 km/h trong bao nhiêu giây chỉ là trung bình.
Từ các cuộc thử nghiệm, Porsche 918 Spyder và 911 Turbo S có kết quả tăng tốc tốt nhất là 0-48 km/h chỉ trong một giây, tương ứng với lực 1,37g. Và đương nhiên, trong một giây lại có những mili giây khác nhau. Như Ferrari LaFerrari tăng tốc từ 0-16 km/h trong 0,2 giây tạo ra 2,3g. Với những khoảng tăng tốc nhỏ hơn như 0-2 km/h hay 0-10 km/h chắc chắn sẽ tạo ra lực G lớn hơn, nhưng tiếc rằng không có số liệu để so sánh.
Tương tự với gia tốc, lực quán tính khi phanh gấp cũng tạo ra lực G. Một chiếc xe thể thao tốt thường kiểm soát lực G trong khoảng 0,8-0,9g khi dừng 100-0 km/h.
Máy bay cất cánh khi tốc độ đạt trên 240 km/h, và để giữ chiếc xe bám lấy mặt đường, người ta lợi dụng lực ép của không khí. Toyota Corolla có thể tạo tối đa 0,83g lực ép. Hầu hết các xe tải nhẹ và xe con thương mại thường có lực ép rơi vào khoảng 0,75-0,95g. Chỉ siêu xe mới thường vượt qua ngưỡng 0,95g. Lực ép xuống còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lốp xe, hệ thống treo, và các cánh gió. Tuy nhiên, lực ép xuống không hoàn toàn giống lực G vì người bên trong sẽ không thể cảm nhận được.
Sự khác biệt của Lực G giữa xe đua và xe thương mại
Nhiều người nghĩ rằng, sự khác biệt giữa một tay đua F1 và người bình thường chỉ nằm ở kỹ năng lái. Điều đó sai hoàn toàn, một tay đua F1 phải tập luyện rất nhiều để có thể khả năng tập trung, chịu sức nóng khủng khiếp, và phải chống lại lực G có thể khiến người bình thường bất tỉnh.
Dùng con số để dễ so sánh. Cơ thể người bình thường được hình thành để chịu được 1g. Vượt qua con số đó đều ảnh hưởng xấu tới cơ thể. Nhưng với tay đua, họ phải chịu gấp nhiều lần.
Mỗi khi tăng tốc, họ phải chịu lực 3g, vì xe đua Công thức F1 chỉ cần chưa đầy 2 giây để tăng tốc từ 0-100 km. Gia tốc trong trường hợp này sinh ra lực G ngược chiều chuyển động, ấn chặt người lái vào ghế với một lực gấp 3 lần trọng lượng của tay đua.
Ở những khúc cua, lực ly tâm trung bình lên đến 4g. Các tay đua ra sức giữ cho chiếc xe đi đúng hướng, chống chọi với lực G đẩy mình ra ngoài gấp 4 lần trọng lượng cơ thể. Ghế xe và dây an toàn có nhiệm vụ giữ anh ta lại. Tuy nhiên, tay đua phải cố nắm lấy vô-lăng và giữ cái đầu thẳng. Để làm được điều đó, mỗi tay đua có hẳn bài tập dành riêng cho cổ.
Hãm phanh là quá trình tạo ra lực G lớn nhất trong trường đua F1.
Những bộ phanh làm từ sợi carbon khiến quá trình giảm tốc nhanh đến nỗi anh ta bị đẩy về phía trước một lực 6g, tương đương với lực G mà một phi công máy bay chiến đấu phải chịu đựng.
Năm 2007, tại đường đua Gilles Villeneuve ở Mỹ, tay đua Martin Brundle lái thử nghiệm xe đua F1 Williams Toyota FW29 nói rằng, lực phanh tạo ra khiến anh cảm thấy như phổi của mình chạm vào lồng ngực.
Con người có thể chịu được tối đa bao nhiêu Lực G?
John Stapp – sỹ quan lực lượng Không quân Mỹ đã “hiến dâng” cơ thể cho khoa học vào năm 1954. Stapp để bản thân chịu lực G khi ông buộc chặt mình vào một chiếc xe trượt có gắn động cơ tên lửa, và cho nó giảm tốc từ 1.017 km/h về 0 km/h trong 1,4 giây để phục vụ nghiên cứu ngành hàng không.
Ông phải chịu lực lên tới 46g, tương đương với lực G khi đâm vào một bức tường ở tốc độ 193 km/h. Khoảnh khắc đó, cơ thể ông nặng hơn 3 tấn và tất cả mạch máu ở mắt bị vỡ, nứt xương sườn, cả 2 cổ tay bị phá hủy, ảnh hưởng đến cả đường hô hấp và hệ tuần hoàn.
David Purley – Người đầu tiên sống sót sau khi chịu lực lên đến 179,8G
Tuy nhiên, vẫn có các trường hợp hy hữu xảy ra. Vào mùa đông năm 1976, David Purley đã ủy quyền cho nhà thiết kế Mike Pilbeam chế tạo một chiếc xe Lec F1 và với sự giúp đỡ của Mike Earle đã đua chiếc xe này vào năm 1977.
Trong thực tế tại Silverstone , bướm ga bị kẹt và anh ta đã đâm tường. David Purley đã phải chịu lực G cao nhất mà con người từng sống sót phải chịu đựng – 179,8G. Khi chiếc xe đua dừng từ tốc độ 173 km/h xuống 0 km/h chỉ trong khoảng cách 66cm.
Tính mạng của Purley đã được các nhân viên cứu hộ tại hiện trường cứu sống nhưng phải mất nhiều tháng sau anh mới có thể hồi phục sau vì gãy xương ở chân, xương chậu và xương sườn.
Kenny Bräck – Tay đua F1 chịu lực G cao nhất thế giới được Kỷ lục Guinness công nhận
Kenny Bräck – Tay đua F1 chịu lực G cao nhất ở người (214G) năm 2003 khi phanh gấp chiếc xe đua F1 tại giải đua Texas IndyCar 500. Xe của Kenny va chạm với chiếc xe Dallara-Honda của Tomas Scheckter, anh ấy bắt buộc phanh gấp và tai nạn đáng tiếc đã xảy ra. Chiếc xe lao vài vòng trên không trung và đâm vào một trụ hàng rào thép. Kenny đã giảm tốc từ 354 km/h về 0 chỉ trong một phần 10 giây, chịu lực khủng khiếp lên đến 214G.
Sau cú va chạm, Kenny Brack sống sót nhưng bị gãy xương đùi phải, xương ức, đốt sống thắt lưng và mắt cá chân.
********************
Đăng bởi: Trường THPT Ngô Thì Nhậm
Chuyên mục: Tổng hợp
