Quizás John Burk ya cubrió esto lo suficientemente bien, pero una buena pregunta casi siempre vale la pena responderla de nuevo.
¿Por qué preocuparse por la Fuerza G?
¿Ves? He añadido algunas preguntas extra.
Supongamos que tienes una aplicación en tu teléfono que mide la aceleración. Aquí tienes una captura de pantalla de la aplicación AccelMeter para iPhone.
Es una aplicación muy chula. Muestra una representación tridimensional del vector de fuerzas g en tiempo real. Aquí puedes ver que sólo estoy sosteniendo el teléfono para producir un vector con una magnitud de 1.00 g. ¿Por qué el teléfono no da el vector de aceleración en su lugar? Porque el teléfono no puede diferenciar entre el campo gravitatorio y una aceleración.
Recuerda cómo funciona un acelerómetro. En realidad escribí sobre esto hace mucho tiempo – pero aquí hay un video más reciente (y popular) que describe los acelerómetros modernos. En el nivel básico, un acelerómetro es sólo un resorte y la medición de una fuerza g se basa en la cantidad que el resorte se estira. Consideremos dos muelles que sólo pueden moverse en una dimensión. El primer muelle es vertical y está en reposo. El otro muelle es horizontal y está acelerando.
Para el muelle vertical colgante de la izquierda, está en equilibrio. Esto significa que para las fuerzas en la dirección vertical, lo siguiente sería cierto:
Para la mayoría de los resortes, la fuerza ejercida por el resorte es proporcional a la cantidad que el resorte se estira. Esto se conoce como la Ley de Hooke y se puede escribir como:
Aquí k es la constante del muelle – esencialmente una medida de la «rigidez» del muelle y s es la cantidad que el muelle se comprime o se estira de su longitud natural. Sí, sé que muchas veces verás un signo negativo en esta ecuación para indicar que la fuerza del muelle está en la dirección opuesta a la que se estira el muelle. No lo he incluido porque sólo muestro la magnitud. Pero volviendo al muelle vertical, puedo encontrar la cantidad en que se estira el muelle si conozco la constante del muelle y la masa. Ah, g es el campo gravitacional. Tiene una magnitud de 9,8 Newtons por kilogramo.
Ok. Ahora a mirar el muelle horizontal (sólo he incluido las fuerzas horizontales por si no se notaba). Para este objeto, sólo existe la fuerza del muelle sobre él. La ecuación de la fuerza en la dirección x sería:
Y aquí viene lo bueno. Qué pasa si la masa se acelera con una magnitud de 9,8 m/s2? Pues bien, como la aceleración tiene el mismo valor que el campo gravitatorio (y las mismas unidades ya que 1 N/kg = 1 m/s2), el muelle tendría el mismo estiramiento. En un acelerómetro, el estiramiento (o la compresión) del muelle es realmente lo único que se mide. Por lo tanto, el acelerómetro no puede diferenciar entre aceleraciones y fuerzas gravitacionales.
Tampoco tú puedes. En resumen, esta es la razón por la que te sientes «sin peso» en órbita. Si quieres la versión más larga, aquí tienes un post más detallado sobre el peso aparente y la ingravidez.
¿Qué es la Fuerza G?
En primer lugar, no es realmente una medida de fuerza. Si dos objetos están sentados en la mesa, ambos estarán a 1 g aunque tengan masas diferentes. Las fuerzas gravitacionales serán diferentes y la fuerza de la mesa empujando hacia arriba será diferente.
No estoy seguro de que todo el mundo esté completamente de acuerdo con la definición de fuerza g, pero me gusta esta definición.
Si un objeto está en reposo, entonces la fuerza neta sobre ese objeto sería cero (vector cero). Restando la fuerza gravitatoria quedaría una fuerza g de 9,8 m/s2 o 1 g. Si un objeto está acelerando hacia ARRIBA a 9,8 m/s2, la fuerza neta sería también un vector que apunta hacia arriba. Si se resta un vector que apunta hacia abajo (fuerza gravitatoria) se obtendría una fuerza g mayor, de 2 g. Si el objeto estuviera acelerando hacia abajo a 9,8 m/s2, la fuerza neta sería la misma que la fuerza gravitatoria. Al restarlas se obtendría el vector cero y una fuerza g de 0 g’s.
Tolerancia humana a la fuerza G
Una de las mejores formas de ver el daño del cuerpo humano es considerar la aceleración. La aceleración es la que mata, bueno generalmente. Considere este modelo de un cuerpo humano que colisiona con el suelo.
En este modelo, hay dos bolas conectadas por un muelle. Si el cuerpo cae y choca con el suelo, debe acelerar en dirección ascendente. Veamos la bola de arriba. Como tiene que acelerar hacia arriba, debe tener una fuerza neta que apunte hacia arriba. Esto significa que la fuerza que el muelle interior ejerce sobre la bola superior debe ser mayor que la fuerza gravitatoria. Cuanto mayor sea la aceleración, mayor debe ser esta fuerza del muelle y más comprimido estará el muelle interior. Si este muelle se comprime demasiado, podría romperse. Romper los muelles sería malo. Aquí es donde entra en juego el daño.
Entonces, las grandes aceleraciones pueden causar daños. ¿Siempre? No. ¿Y si hubiera alguna fuerza de largo alcance para acelerar este modelo de dos bolas de un cuerpo? Si esta misma fuerza estuviera en las dos bolas del modelo, se podría conseguir una aceleración súper alta sin tener que comprimir el muelle interior. Si no se comprime el muelle interior, no se daña el cuerpo. ¿Pero cómo funcionaría esto? No lo sé. La única fuerza que tira de todas las partes de un cuerpo sería la fuerza gravitatoria (ya que todas las partes tienen masa). ¿Pero no sería genial? ¿Si hubiera algún campo de fuerza que pudiera detenerte (o dispararte como una bala) sin causar daños? Sí. Eso sería genial.
Entonces, ¿qué tipo de aceleraciones puede soportar un cuerpo humano? En un episodio anterior de Cazadores de Mitos -el del salto desde un edificio con plástico de burbujas-, afirman que los acróbatas tienen como objetivo una aceleración máxima de 10 g’s. Un buen objetivo. La página de Wikipedia sobre la tolerancia a la fuerza g indica que 50 g es «una muerte probable». Sin embargo, también dice que algunas personas pueden haber sobrevivido a aceleraciones de hasta 100 g. Parece que la duración de la aceleración es bastante importante. Una aceleración de tan sólo 16 g durante un periodo de tiempo prolongado también puede ser mortal.