g-Kraft

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g-Kraft in einem Flugzeug a) im Geradeausflug, b) beim Flug einer aufwärts gekrümmten Bahn

Als g-Kraft oder g-Beschleunigung bezeichnet man die Belastung eines Körpers durch Beschleunigung, insbesondere beim Start von Raketen, Kurvenflug von Kampfflugzeugen und Kunstfliegern sowie bei Fahrgeschäften, wie zum Beispiel Achterbahnen, aber auch bei starken Bremsungen (negative Beschleunigung).

g-Kräfte geben Auskunft über die Belastungen, denen die Fahrgäste ausgesetzt sind. 1g entspricht der normalen Erdbeschleunigung g:

$1g \approx \mathrm{9{,}81\frac {m}{s^2}}$

Beschleunigungen können durch die Erdbeschleunigung geteilt und entsprechend mit ihrem g-Faktor angegeben werden:

$g\text{-Faktor}=\frac{\text{Beschleunigung}}{\text{Erdbeschleunigung}}=\frac{a}{g}$

In Deutschland darf bei Fahrgeschäften ein Grenzwert von 6g nicht überschritten werden. Bei dieser Belastung kann bereits Nasenbluten auftreten.

Ab 8g sind Schleudertraumata oder gar Knochenbrüche zu befürchten, ab 10g kann bei kurzer Einwirkung (weniger als einer Sekunde) bereits eine Ohnmacht eintreten. 14g kann zum Tode oder zu schweren Verletzungen führen.

Abschätzungen

Geschwindigkeit v und Bremsweg s bestimmen die Größe der g-Kraft a:

$a = \frac{v^2}{2s}$ (Umstellung der Weg-Zeit-Gesetze v = at und s = a/2 t²)

Beispiele

Ein Auto fährt mit 30 km/h gegen eine feste Wand, dabei wird die Knautschzone um 50 cm gestaucht. Die g-Kraft beträgt 7g. Bereits bei 50 km/h kann die g-Kraft unter Umständen tödlich sein: fast 20g.

Ein Körper fällt aus 1 m Höhe auf den Boden. Je starrer Körper und Boden sind, desto höher ist die g-Kraft. Gibt der Boden nicht nach und der Körper verformt sich um 0,1 mm, dann beträgt die Verzögerung im Mittel 10.000g.

g-Werte in Natur, Technik und Alltag

Bei den angegebenen Werten ist die Richtung der Beschleunigung zu beachten.

Maschine oder Ereignis	Typischer g-Wert
Verkehrsflugzeug (Anfahrt)	≈ 0,5
Formel-1-Wagen (Anfahrt)	≈ 1 – 1,5
Kinderschaukel (max.)	≈ 2,5
Verkehrsflugzeug (Kurvenflug max.)	≈ 2
Fadenpendel bei 90° Amplitude	max. 3 (exakt)
Space Shuttle beim Flug in den Erdorbit	max. 3
Space Shuttle beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre	max. 1,6
Saturn V bei Brennschluss der 1. Stufe	max. 4
Saturn V bei Brennschluss der 2. Stufe	max. 2
Saturn V bei Brennschluss der 3. Stufe (Einschuss in die Bahn zum Mond)	max. 1,6
Apollo-Kapsel beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nach Mondflug	max. 6,4
Achterbahn typisch (max.)	4 (6)
Formel-1-Wagen (Kurvenfahrt max.)	≈ 4 – 5
Top Fuel Dragster (Startphase)	über 5
Kreisförmiger Looping (Basis)	≥ 6
Kampfflugzeug/Kunstflieger (max.)	≈ 10 (13,8)
Schleudersitz	15 – 20
PKW-Rückenlehne bricht bei	≈ 20
Frontalzusammenstoß PKW	bis ≈ 50
PKW-Crash Fahrgastzelle	Spitze 120
von einem Menschen überlebt	≈ 180
harter Körperschlag mit der Faust	bis ≈ 100
Regentropfen in das Auge	bis ≈ 150
Kugelschreiber fällt aus 1 m Höhe auf harten Boden	Größenordnung 1000
Festplatte fällt aus 1 m Höhe auf harten Boden (ohne Deformation des Bodens)	10.000 und größer
Laborzentrifuge	≈ 10.000
Ultrazentrifuge	≈ 100.000
Gewehrkugel beim Abschuss	≈ 100.000
Stachel beim Ausstoß aus einer Nesselzelle	5.410.000
Atombombenexplosion (Bombenhülle)	bis ≈ 1011
Oberfläche eines Neutronensterns	≈ 2·1011

Medizinische Symptome bei bestimmten g-Werten

Positive und negative g-Kräfte beim Innen- und Außenlooping.

Bei medizinischer Betrachtung muss zwischen positiven und negativen g-Kräften unterschieden werden. Positive g-Kräfte erfährt ein Organismus, wenn er beispielsweise bei einem Innenlooping auf einer Achterbahn in den Sitz gedrückt wird. Bei länger anhaltenden positiven Beschleunigungen besteht ab einer gewissen Stärke die Gefahr, dass das Blut in die Beine versackt. Dadurch kann es zu Sehstörungen bis hin zur Bewusstlosigkeit (g-LOC: g-induced Loss Of Consciousness) infolge eingeschränkter Hirndurchblutung kommen (Bewusstseinsstörungen). Der Bewusstlosigkeit voraus geht der so genannte Greyout und später Blackout, der durch die ungenügende Blutversorgung der Netzhaut (Retina) des Auges zustande kommt. Sobald die Beschleunigungskräfte nicht mehr einwirken, ist die Hirn- und Augendurchblutung wieder normal und es erfolgt ein Erwachen aus der Bewusstlosigkeit.

Negative g-Kräfte erfährt ein Organismus, wenn er beispielsweise in einem Flugzeug bei einem Außenlooping aus dem Sitz herausgehoben wird. Negative g-Kräfte (Blutfluss zum Kopf hin) können vom Menschen erheblich schlechter ertragen werden. Bereits zwei bis drei g können zum Redout führen.

In der nachstehenden Tabelle sind die Reaktionen des untrainierten menschlichen Körpers auf verschiedene positive Lastvielfache, mehrere Minuten andauernde, aufgeführt.

Belastung	Symptome
1–2g	uneingeschränkt ertragbar
2–3g	beginnende Einengung des Gesichtsfeldes
3–4g	röhrenförmiges Gesichtsfeld, Greyout
4–5g	Blackout
5–6g	Bewusstlosigkeit

Um die in Kampfflugzeugen auftretende g-Belastung besser ertragen zu können, werden deren Besatzungen Anti-g-Anzüge angepasst, die die negativen Effekte der g-Kräfte beschränken sollen.

Siehe auch

• John Paul Stapp, Pionier in der Erforschung der Auswirkungen von Beschleunigungskräften auf den menschlichen Körper. Zahlreiche Selbstversuche zwischen 1946 und 1956.