El factor de carga 1ra parte

De esta imagen que es propiedad de Nike quien tiene todos los derechos sobre ella y espero no se enojen de que la haya usado, vamos metiendo en el subconsciente colectivo tres nociones:

• Masa
• Peso
• Aceleración de la gravedad

Podrían encontrar cientos de páginas y artículos en la red que refieran al factor de carga.

Pero la idea aquí no es copiar y pegar, porque además la mayoría de ellas repiten los mismos conceptos (algunos de ellos bastante errados, otros imprecisos).

La idea aquí es plasmar información un poco más fiable que no se transcribe en otros sitios. Sembrar dudas, plantear problemas y dar respuestas precisas. Como siempre, con el condimento del cálculo.

El común denominador de los pilotos sabemos que si un avión "padece" un factor de carga igual a 2, entonces pesa el doble y entendemos que esto es peligroso.

Y con eso nos sentimos muy cómodos para después pasar hablando de "G" y mas "G"

Fin.

Pero, abramos la cabeza un poco mas, nos sacudimos el polvo de los conceptos errados y nos ponemos un poco mas puritanos.

GRAVEDAD PESO Y Masa

Para un determinado cuerpo, su peso ES distinto que su masa, es cierto que a veces puedan coincidir en su valor dado que ambos se miden en kilogramos, aunque la masa sea "Kg" a secas y la fuerza sea "Kg fuerza".

El problema recide en que nos han hecho creer lo contrario; Nos enseñaron que el peso siempre coincide con la masa, o casi siempre.

Y esta falacia es bastante fácil de probar: La balanza donde me peso no tiene una aguja que indique masa y otra que indique peso, al marcar una sola cosa, creería que mi masa es igual a mi peso.

Pero si yo dijera que el valor de mi masa de referencia es el que medí en París, al nivel del mar y a 20 ºC de temperatura....me voy a encontrar que cada nueva vez que me pese en otros lugares, a distintas alturas sobre el nivel del mar y con otra temperatura... va a ser distinto.

Amén de las milanesas que me comí anoche...

Es mucho más fácil afirmar que peso y masa tienen la misma magnitud y también es más peligroso, porque después uno encuentra gente muy pero muy confundida.

Para evitar estas confusiones y para empezar, conviene relacionar la masa con kilos y el peso con Newtons.

Entonces;

Mi masa corporal es siempre la misma (si no engordo ni adelgazo) aunque pueda pesar distinto en distintas partes del mundo.

Pero...¿Porque pesaría distinto en distintas partes del mundo?

Porque en algunos lugares geográficos voy a estar más cerca del centro de la tierra y esto se debe a su vez a que la tierra no es una circunferencia perfecta. Resulta que, cuanto más cerca estoy del centro de la tierra, mayor es mi peso.

¿Y porqué pesaría más estando más cerca del centro de la tierra?

En el centro de la tierra se da el fenómeno de la gravedad y ella es la estrella de todos los fenómenos que tienen que ver con el aumento o disminución del peso y posteriormente con el factor de carga.

Cuanta más gravedad tiene el planeta, más peso tiene el cuerpo apoyado sobre su superficie. Cuanta menos gravedad, menos peso.

La gravedad es un fenómeno (no es una fuerza ni es una aceleración) y nadie entiende bien de qué cuernos se trata exactamente. Este fenómeno llamado gravedad se encuentra en el centro de los objetos (no solo de los planetas) y tiene la propiedad de atraer a otros cuerpos hacia sí.

Por ejemplo:

En este preciso momento mi teclado esta atrayendo a mi mouse y viceversa.

Si, aunque no lo crean.

Si utilizáramos las ecuaciones de gravitación universal podríamos calcular la "fuerza" con las que estos cuerpos se atraen, dado que la gravedad genera una aceleración debido a esa atracción. Lo que es muy distinto de afirmar que la gravedad sea una aceleración o sea una fuerza.

La gravedad de cada cuerpo tiene mucho que ver con su masa pero mucho más con su densidad.

Si somos inexactos vamos a afirmar que cuanto más grande es el cuerpo, mas gravedad posee.

Si somos exactos vamos a afirmar que cuanta mas densidad posee el cuerpo, mas gravedad posee.

Cada uno de nosotros tenemos gravedad. La tenemos en una magnitud muy baja ya que nuestra densidad es muy pequeña, tenemos poca masa para el volumen que ocupamos en el espacio.

No hay médico ni físico que haya descubierto donde se encuentran los "bichitos" de la gravedad dentro del cuerpo humano. Nadie sabe exactamente que es la gravedad. Pero sí se sabe que existe y cómo funciona.

Veamos la ecuación de gravitación universal y verifiquemos con ciencia y con cálculo cómo es la aceleración de la gravedad en la tierra, conociendo su masa y su radio:

Y ese resultado es, de algún modo, la "fuerza de atracción" con la que nos atrae el centro de la tierra. Es la aceleración con la que caemos en el vacío. Es la protagonista de esta entrada. Es la aceleración de la gravedad.

Es de notar que he omitido poner las unidades en la ecuación por una cuestión de simplicidad.

Partiendo bien desde el principio pudimos comprobar que los cuerpos son atraídos debido a la gravedad que poseen y esa atracción es proporcional a su densidad (masa/volumen). Por eso en la luna la gravedad es menor que en la tierra. Su masa es menor su volumen es menor y por ende la distancia desde su centro a la superficie es menor.

Hagamos un poco de aeronáutica:

¿Un avión pesa distinto a diferentes alturas?

La masa del avión es un dato conocido y también conozco la aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra.

El secreto está en que la aceleración de la gravedad no es constante, dado que depende de la distancia desde el centro de la tierra al punto considerado como se ha visto arriba. Pero en general se la considera constante ya que las variaciones suelen ser insignificantes, o simplemente para ahorrarse algunos cálculos.

Como se puede ver, el peso de un objeto se ve modificado con la altura sin haber variado su masa. El Boing 767 de 181 toneladas pesa 738 kg menos estando a 15000 metros de altura que estando en la superficie, o muy poco por encima de ella.

FACTOR DE CARGA "n"

Sabiendo que el peso de un cuerpo varía constantemente y con bastante facilidad, veamos entonces que es esto del factor de carga "n" que sufre un avión en vuelo en determinadas circunstancias.

El factor de carga es un valor adimensional, esto significa que no posee unidades y lo que expresa es la magnitud por la que se ha visto multiplicado el peso en reposo del cuerpo.

Voy a expresar una simple ecuación que no tiene que ver con la aeronáutica, de modo de generalizar el concepto del factor de carga aplicado a cualquier cuerpo:

Pr = P x n

"Pr" es peso real (como si en ese instante lo pesara en una balanza)

"P" peso de referencia del cuerpo en superficie y en reposo (valor de peso igual a la masa del cuerpo)

"n" es factor de carga

El factor de carga puede tomar valores mayores o menores a 1, por tanto el peso del cuerpo aumenta o puede quedar completamente anulado. Pero para la ecuación, el factor de carga "n" no puede adoptar valores negativos, dado que no existe un peso negativo. Ya veremos a qué se refieren cuando se mencionan factores de carga negativos.

Para la aeronáutica, se dice que el factor de carga "n" es igual a la sustentación dividido el peso, de tal modo que si tengo n=2, la sustentación resulta ser el doble del peso. Del mismo modo, si tengo n = 0,5, la sustentación es la mitad del peso.

Lo importante es el concepto: El valor de la sustentación es lo que realmente está pesando el avión en ese momento, dado que me está haciendo falta esa sustentación para mantenerlo en vuelo.

Ejemplo:

En el ejemplo, las alas estás sustentando el peso real del cuerpo, es decir 1000 Kg. Aunque su peso en reposo (igual a su masa) es de 500 Kg y por ello hay una carga aplicada igual a 2.

El avión realmente está pesando el doble, no es una metáfora.

El avión realmente tiene una masa que en ese momento es la mitad de su peso, tampoco es una metáfora.

factor de carga "g"

Dado que el centro de la tierra nos atrae con una determinada aceleración y dado que el peso de los cuerpos dependen exclusivamente de ella, podríamos simplificar las cosas definiendo el fenómeno de las cargas que se producen en determinadas circunstancias generando el cambio de peso de los cuerpos, expresándolo como factores de "Ges". Algo extremadamente similar a lo que es el factor de carga "n", si bien no son exactamente la misma cosa, de serlo, tendrían la misma letra ¿verdad?.

Entonces, si no son lo mismo...¿Cual es la sutil diferencia?

El factor de carga "n" lo veo aplicado para todo aquello que tiene que ver con fuerzas. Así por ejemplo si me refiero a sustentación (la cual es una fuerza) y de peso (el cual es otra fuerza) nos referimos a factor de carga "n"

En cambio observo que cuando refieren a cargas generadas debido a cambios de aceleración, como por ejemplo un auto de competición acelerando o desacelerando, o los astronautas en el espacio en ausencia casi total de gravedad, se habla de "G"

Aquellos 44,4 m/s resultan de hacer el pasaje de términos de km/h a m/s para respetar las unidades.

Ah! pero en el artículo de Wikipedia además hace referencia a...¿¿Pitágoras?? y después dice que aplicando Pitágoras tendremos G = 5,4

Si bien las ecuaciones no admiten un valor de "n" negativo, mas allá de que existan y expresemos valores de "n" menores a cero, las "G" si pueden hacerlo, ya que la aceleración, distinto de una fuerza, puede tomar valores negativos. De hecho cuando se está frenando un móvil, la "G" es negativa, ya que el valor de la desaceleración también lo es.

La realidad es que todo; masa, aceleración de la gravedad y peso (también inercia y cantidad de movimiento) son una ensalada indivisible necesaria para calcular el factor de carga.

Por eso es que lo terminamos llamando "n" o "G" como si fueran sinónimos.

Si el auto de wikipedia, al frenar, hubiera experimentado una desaceleración del mismo módulo, hubiese tenido una velocidad inicial igual a 160 km/h y una velocidad final igual a cero, en el mismo tiempo: 0,86 segundos. En este caso el signo de la aceleración del móvil debe tener un valor negativo por el solo hecho de ser una desaceleración. El piloto en vez de clavarse al respaldo del asiento, hubiera salido eyectado hacia adelante con la misma "fuerza" pero de sentido contrario. La división de "-a" / "g" da un resultado negativo que es igual a G = -5,3.

Pero...

Al considerar la carga en kilos sufrida por el piloto, jamás hubiéramos dicho que pesa -424 Kg. Simplemente decimos que pesa 424 Kg, pero en vez de ser pesados en la balanza del respaldo del asiento (que ahora no marca nada) lo estamos midiendo en la balanza instalada en el volante del auto...

Esperemos que el pobre tenga cinturón puesto y air bag.

En este sentido, la expresión de un factor de carga negativo, refiere a algo que se está produciendo en sentido contrario, respecto de mi eje de referencias.

Pero no es un valor que pueda mensurar de otro modo ya que, como expresé antes, no existe ni una sustentación negativa, ni un peso negativo.