La forza G nei veicoli: cos'è e perché è importante

Nonostante il conducente e i passeggeri spesso non sappiano cos'è la forza g, la percepiscono continuamente in diverse situazioni di guida.

La forza g è caratteristica di ogni corpo in movimento. In particolare si manifesta durante l'accelerazione, la decelerazione e i cambi di direzione. Nel corso di questo articolo, esploreremo questo fenomeno dal punto di vista fisico, vedremo come si calcola e come possa essere monitorata per la sicurezza del veicolo. 

Cos'è la forza G? 

La forza g è la misura dell'accelerazione rispetto alla forza di gravità terrestre (9.81 m/s²). È una grandezza vettoriale, cioè formata da due componenti: intensità e direzione. Perciò, la condizione essenziale per cui si manifesta è il movimento del corpo in una direzione. Infatti, in assenza di movimento la forza g non è presente.  

Nella realtà si percepisce quando si cambia velocità o direzione, sia a causa di fenomeni naturali o artificiali. Questo fenomeno non colpisce solo il corpo, ma anche tutti gli oggetti o persone presenti su di esso. Nel caso del veicolo si trasmette al conducente, ai passeggeri e agli oggetti al suo interno.

L’importanza della forza G nei veicoli 

La forza g delle auto è una componente di fondamentale importanza e non va trascurata perché può influenzare la sicurezza e il comfort dei veicoli. Infatti è uno dei fattori maggiormente considerati durante la fase di studio e di progettazione. 

Dal punto di vista della sicurezza, potrebbe causare lesioni ai passeggeri. L’esempio tipico è quello di un incidente frontale che genera forze g elevate in una frazione di secondo. Ciò accade perché i corpi in movimento subiscono una brusca interruzione e i passeggeri sono proiettati in avanti con un’intensità equivalente a diverse volte il peso corporeo. Le conseguenze possono comprendere lesioni gravi, come fratture, traumi o danni agli organi interni. Le misure di sicurezza, come le cinture e gli airbag, sono studiate per assorbire parte dell'energia dell'impatto, riducendo così queste accelerazioni gravitazionali. 

Lo studio di questa grandezza fisica è importante anche per il comfort dei passeggeri, soprattutto su auto sportive dotate di grande accelerazione. Infatti, movimenti bruschi e repentini causano una forte pressione sul corpo umano. Per rendere la guida fluida e confortevole, alcuni componenti, in particolare le sospensioni e i freni, vengono progettati per attenuare questo effetto.

Anche l'aerodinamica influisce sullo smorzamento di questa forza. La forma di un veicolo può essere disegnata per aumentare la pressione verso il basso e mitigare la trasmissione in accelerazione e frenata, proprio come succede sulle auto da corsa.

Tipi di forza G 

Poiché è un vettore, la forza g può essere scomposta nelle tre componenti lungo gli assi di un sistema di riferimento x,y,z. Di conseguenza è possibile riconoscere tre tipi di forza g: 

• Forza G longitudinale: è provocata dall'accelerazione e dalla decelerazione lungo la direzione di spostamento. L’esempio tipico è quello di un veicolo che accelera nello stesso senso di marcia. Se il veicolo accelera, la forza g auto è diretta verso la parte posteriore del veicolo; se frena, è diretta verso la parte anteriore.
• Forza G laterale: agisce lateralmente, spingendo i passeggeri verso l'esterno, in direzione opposta a quella dello spostamento.
• Forza G verticale: percepita durante i salti o gli avvallamenti, quando ci si muove verso l'alto o verso il basso. In un veicolo è di modesta entità, mentre in un aereo che decolla o atterra è di intensità decisamente maggiore.

Quella sopra descritta è una semplificazione teorica, poiché in natura è raro sperimentare una singola componente isolata (longitudinale, laterale o verticale). 

Applicazione della forza G nei veicoli 

La forza g nei veicoli dipende da molti fattori, tra cui la velocità, la massa e il raggio di curvatura.  Durante una normale situazione di guida, l'accelerazione può avvenire in più direzioni. Ad esempio, quando un'auto prende una curva mentre accelera o frena, i passeggeri sperimentano una combinazione di forze longitudinali e laterali. Se invece è in discesa, e il conducente frena, i passeggeri percepiscono la componente longitudinale per la decelerazione e quella verticale per la discesa. In entrambi i casi, la risultante è una combinazione vettoriale di queste componenti.

Nei moderni sistemi di monitoraggio queste forze non sono solo utili in fase di progettazione. L’analisi dei dati di guida permette di raccogliere informazioni attraverso dei sensori che, se collegati ad alcuni software, possono raccogliere dati per valutare le abitudini di guida. Spesso vengono installati da aziende che gestiscono flotte di veicoli per controllare la sicurezza, l'efficienza e prevenire l'usura prematura di sospensioni o di pneumatici. Ciò permette di pianificare la manutenzione e ottimizzare i costi di gestione.

Calcolo della forza G 

Entrando in campo fisico il calcolo della forza g è espresso dalla seguente formula: G=a/g dove G è la forza G, a è l’accelerazione e g forza di gravità (9.81 m/s²). 

Mentre g è una costante, a è il risultato della seguente formula: a=Δv/Δt dove Δv è la variazione di velocità e Δt è il tempo impiegato per questa variazione. Sebbene la massa non sia considerata in queste formule, essa influenza l'accelerazione ottenuta. 

In teoria, queste variabili possono essere misurate con precisione, ma nella pratica, le condizioni della strada, la pioggia, il vento e la resistenza dell'aria possono influenzare i risultati.

Esempi di forza G in situazioni reali

La forza g non viene sperimentata solo durante la guida di un veicolo. Ad esempio, salendo sulle montagne russe, si è esposti a questa forza in varie componenti e intensità. Durante una discesa ripida, l'accelerazione verso il basso raggiungere solitamente valori di 3-5 G (3-5 volte il valore di accelerazione terrestre), causando una pressione in direzione opposta, cioè verso l’alto. In un'inversione accade il contrario, le forze g spingono i passeggeri verso il basso, spesso con un’intensità pari a 4-6 G. 

Un altro esempio è il paracadutismo. Durante il lancio, il corpo umano subisce l'accelerazione gravitazionale standard di 1 G, ma quando il paracadute si apre, la velocità di discesa si riduce provocando una decelerazione con forze intorno ai 3-4 G che spingono il corpo verso l’alto.

Altri esempi meno comuni sono quelli dei voli spaziali. In questo caso, sia durante il lancio che la discesa le forze possono raggiungere valori elevati, fino a 6-7 G, che richiedono un addestramento specifico. Infatti gli astronauti sono sottoposti a sessioni di allenamento per riuscire a resistere anche a forza 9G.