יום שלישי, 15 בספטמבר 2009

כוח ג'י (g-force)

הצטערתי מאוד לשמוע על התרסקות מטוסו של אסף רמון לפני יומיים. בעקבות הטרגדיה עקבתי, כמו רבים אחרים, אחרי הסיקור בכלי התקשורת וניסיתי להבין את הגורם לתאונה. בדיווחים אודות חקירת האירוע מוזכר לא אחת המושג כוח ג'י. זה מושג מסובך למדי, וקיים בלבול לגביו בעיתונים ובאתרי אינטרנט. אנסה להסביר בפוסט הזה מהו כוח ג'י וממה הוא נובע.

מקור השם כוח ג'י (g-force) באות הראשונה של המילה gravity (כבידה), אך הוא לא קשור ישירות לכוח המשיכה של כדור הארץ, ואולי כאן מקור הבלבול. הקשר בין כוח ג'י לכבידה עובר דרך תאוצת הכובד (תאוצה היא שינוי מהירות) שמסומנת באות g. גודלה של תאוצת הכובד כמעט קבוע על פני כדור הארץ (9.8 מטר לשנייה בריבוע), ובשימושים רבים היא מהווה יחידת מידה לתאוצה. כך למשל, אם אומרים שהתאוצה של מכונית היא 2g, הכוונה היא שערכה עומד על 19.6 מטר לשנייה בריבוע, כלומר המהירות עולה ב-19.6 מטר לשנייה בכל שנייה שעוברת.

תאוצת הכובד (g) יכולה לסייע גם בהגדרת יחידת מידה לכוח. משקל הוא כוח הכובד שפועל על גוף, וערכו שווה למסת הגוף כפול תאוצת הכובד (mg). באופן הפשוט ביותר ניתן להתייחס לכוח ג'י כיחידת מידה לכוח, שמוגדרת כך שמשקל הגוף שקול לכוח ג'י אחד. לדוגמה, כשאומרים שפועלים 5 כוחות ג'י מתכוונים לומר שעוצמת הכוח היא מסת הגוף כפול 5g (כלומר 5mg).

בדרך כלל, משתמשים במושג כוח ג'י בהקשר של כוח הפועל על אדם שנוסע בכלי תחבורה. הכוח הזה מורכב משני רכיבים: כוח הכובד שכיוונו תמיד כלפי מרכז כדור הארץ וכוח נוסף הנובע מהתאוצה של הכלי עצמו. הכוח השני מיוחד בכך שהוא לא נובע מדחיפה או מפעולה של גוף אחר, לכן ניתן להתייחס אליו כאל כוח מדומה. מקור הכוח המדומה בשינוי המהירות של כלי התחבורה - גופים שנמצאים בתוכו ממשיכים לנוע באותה מהירות יחסית לסביבה שבחוץ גם כאשר הכלי מאיץ או מאט. אולם, זו כבר לא המהירות של כלי התחבורה, ולכן אותם גופים נעים בתוכו כאילו שפועל עליהם כוח בכיוון הפוך לתאוצת הכלי. גודלו של הכוח המדומה הפועל על גוף שנמצא בתוך כלי שווה למסת הגוף כפול התאוצה של הכלי.

לדוגמה, כשרוכב אופניים לוחץ חזק על הבלמים, גופו ממשיך באותה מהירות קדימה בעוד שהאופניים עצרו, ולכן הוא עלול לעוף קדימה. באופן דומה, כאשר כלי רכב מאיץ ממנוחה, חפצים בתוך הרכב עפים אחורה משום שהם עדיין במהירות אפס יחסית לסביבה. דוגמאות נוספות הן הכוח שאנו מרגישים כלפי מטה כשהמעלית מתחילה לנוע מעלה והכוח שאנו מרגישים כלפי מעלה כשהיא עוצרת בסוף העלייה. גם הכוח הצנטריפוגלי הוא דוגמה לכוח מדומה - המכונית מסתובבת במעגל, כלומר היא מאיצה כלפי מרכז המעגל, ואילו הנוסעים "עפים" לצד השני.

המרחב של אדם שנמצא בתוך כלי תחבורה הוא מוגבל - אותו אדם קשור בדרך כלל בחגורות על מנת שלא יעוף לכיוון דפנות הכלי כשהמהירות משתנה. החגורות והכיסא שעוצרים אותו על מנת שלא יתעופף הם אלו שמפעילים עליו כוח בזמן התאוצה. למשל, טייס שנמצא במטוס המאיץ כלפי מעלה בתאוצה של 5g ירגיש 5 כוחות ג'י כלפי מטה כתוצאה מהתאוצה ועוד כוח ג'י אחד בגלל המשקל שלו, ביחד 6 כוחות ג'י. הוא יידחף בכוח רב לכיוון הכיסא, וירגיש את הלחץ שמפעיל עליו הכיסא בחזרה. הוא עצמו ירגיש כבד פי 6 מהרגיל ויתקשה להרים את ידיו. הסכנה הראשונית לגוף אינה נזק מבני, משום שהעצמות יכולות לעמוד בעומס כזה, אלא הכוח שפועל על הדם כלפי מטה. הלב מתקשה להזרים דם למוח והטייס עלול לאבד את ההכרה (מצב שנקרא G-LOC).

חליפות ג'י יכולות לסייע במצב כזה. הן מפעילות לחץ על הרגליים ועל הבטן ודוחפות את הדם חזרה למוח. על ידי שימוש בחליפת ג'י ובשיטות נוספות הנרכשות באימונים יכולים טייסי קרב להגדיל את הסיבולת שלהם, כך שלא יאבדו את ההכרה גם כשפועלים עליהם 9 כוחות ג'י למשך שניות ארוכות. ללא שימוש באמצעים אלה טייס ממוצע יאבד את ההכרה אחרי כחמש שניות תחת 6 כוחות ג'י.

כוח ג'י הכולל שפועל על הטייס מורכב מכוח הכובד שפועל כלפי מטה (המשקל) ומהכוח המדומה הפועל בכיוון הפוך לתאוצת המטוס. כאמור, ערכו של הכוח המדומה תלוי בתאוצה והוא יכול להיות הרבה יותר חזק מכוח הכובד. כשהמטוס מבצע פנייה אופקית חדה פועלים על הטייס כוחות ג'י הצידה, לכיוון השני. כשהמטוס מאיץ חזק כלפי מטה פועלים עליו כוחות ג'י כלפי מעלה והם גורמים לזרימת דם מוגברת למוח, מצב מסוכן לא פחות ממחסור של דם במוח. למעשה, הסיבולת של בני אדם לכוחות ג'י שליליים, שפועלים כלפי מעלה, הרבה יותר נמוכה מהסיבולת לכוחות ג'י חיוביים, עד כדי כך שאין אפשרות לעמוד ב-3 כוחות ג'י כלפי מעלה למשך למעלה משניות ספורות. כשכלי הטיס נמצא בנפילה חופשית, כלומר תאוצת המטוס שווה לתאוצת הכובד, לא פועלים על הטייס כוחות ג'י בכלל. זה בדיוק מה שקורה לאסטרונאוטים שמרחפים בתוך מעבורת החלל, שגם היא נמצאת במצב של נפילה חופשית.

הסיבולת לכוחות ג'י גבוהים משתנה מאדם לאדם, והיא תלויה, כאמור, גם בכיוון פעולת הכוח, באמצעים חיצוניים כמו חליפת ג'י, בשיטות נשימה ותנועה שניתן ללמוד, וגם במשך פעולת הכוח. בשעת התרסקות או עצירה מהירה, ניתן להגיע לכוחות ג'י עצומים שנמשכים חלקיק שנייה. השיא העולמי המדוד - 46.2 כוחות ג'י - הושג לפני למעלה מחמישים שנה בניסוי אמריקאי.




הסרטון מדגים את ההשפעה של כוחות ג'י על נוסע במטוס קרב בעת ביצוע תמרון אימלמן. מגיעים שם בערך לשישה כוחות ג'י. לשם השוואה, במטוס נוסעים לא נחשפים בעת טיסה רגילה ליותר מ-1.3 כוחות ג'י.

12 תגובות:

אנונימי אמר/ה...

מעניין מאד. אפשר לומר שהארת את עיני. צילה

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה צילה

יגאל אמר/ה...

ליבי עם משפחת רמון.
אריה תודה על ההסבר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה יגאל על דבריך

שגיא אמר/ה...

חיפשתי מידע רב על כח הג'י בדגש על טיסה באנגלית. אך מצאתי הרבה מידע מפוזר, לא רלוונטי ברובו ועם הרבה תפל.
דווקא בעברית מיד קפצה לי הכתבה שלך, שכללה בדיוק מה שרציתי לדעת.
תודה רבה!

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה שגיא. חשוב לי לדעת שהתוכן שאני מעלה לאינטרנט אכן מסייע לאנשים שמחפשים מידע.

לימור אמר/ה...

נתקלתי במאמר שלך כשחיפשתי הסבר על כוח G. תודה על ההסבר המובן והפשוט

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה לך לימור. אנסה לכתוב עוד על נושאים בסיסיים בתקווה שזה יסייע למי שמחפש הסברים פשוטים למושגים מדעיים.

אנונימי אמר/ה...

תודה,אחלה הסבר.

אריאל אמר/ה...

למדתי בחטה"ב את הנושא של התאוצה וכוח g במשך כמה שבועות והבנתי בערך את הנושא, אך מקריאת המאמר שלך הצלחתי להבין תוך שלוש דקות לעומק את הנושא.תודה רבה!

אנונימי אמר/ה...

תודה רבה!
עזר לי בהעברת שיעור

TheElad אמר/ה...

מובן מאד.. תודה רבה