重力加速度

g力または重力相当力は、質量に固有の力（単位質量あたりの力）であり、標準重力の単位（記号gまたはg _{0 、}グラムの記号「g」と混同しないでください）で表されます。これは、重さの知覚を引き起こす持続的な加速に使用されます。たとえば、地球の表面で静止している物体は1 gの影響を受け、これは地球上の重力加速度の通常の値に等しく、約9.8  m/s ²。^{[1]大きな急激な}動き を伴う、より過渡的な加速はショックと呼ばれます。^[要出典]

ある物体の表面が別の物体の表面によって押されて重力加速度が生じると、この押す力に対する反作用として、各物体の質量の単位ごとに等しい反対方向の力が生じる。関与する力の種類は、物体の内部の機械的応力によって伝達される。重力加速度は、自由落下に関連して物体が加速する原因の 1 つである。^{[2] [3]}

物体が受ける重力加速度は、物体の移動の自由度に作用するすべての重力および非重力の力のベクトル和によるものです。実際には、前述のように、これらは物体間の表面接触力です。このような力は物体の表面から伝達されるため、物体に応力とひずみを引き起こします。これらのひずみのため、大きな重力加速度は破壊的となる場合があります。

たとえば、 地球の表面に静止している物体にかかる1 gの力は、地面から上向きに作用する機械的な力によって発生し、物体が自由落下するのを防ぎます。地面からの上向きの接触力により、地球の表面で静止している物体は自由落下状態に対して加速します。(自由落下とは、物体が地球の中心に向かって自由落下するときにたどる経路です) 地面接触力が地面との接触点からのみ伝達されるという事実により、物体内部の応力が保証されます。

慣性軌道上で自由落下する物体は、重力のみの影響下で重力を感じません。これは無重力と呼ばれる状態です。慣性軌道上で自由落下することは、口語的に「ゼロg」と呼ばれ、これは「ゼロ g 力」の略です。ゼロ g 力の状態は、地球の中心に向かって自由落下するエレベーター内（真空中）や、（ほぼ）地球の軌道上にある宇宙船内で発生します。これらは、重さを感じない座標加速（速度の変化）の例です。

重力場がない場合、または重力場と直角の方向の場合、固有加速度と座標加速度は同じであり、座標加速度は対応する重力加速度によって生成されます。この例としては、自由空間のロケットが挙げられます。エンジンが速度に単純な変化をもたらすと、その変化によってロケットと乗客に重力加速度が発生します。

国際単位系（SI）における加速度の測定単位はm /s ²である。^[4]しかし、自由落下に対する加速度を単純な加速度（速度の変化率）と区別するために、単位gがよく使用される。1gは地球表面における重力による単位質量あたりの力であり、標準重力（記号：g _n）であり、次のように定義される。9.806 65 メートル毎秒の2乗、^[5]または同等の9.806 質量1キログラムあたり65ニュートンの力。単位の定義は場所によって変わらない。月面に立っているときの重力加速度は、地球上の重力加速度のほぼ1/6である。単位gはSI単位系ではない。SI単位系では、グラムに「g」が使用される。また、「g 」は万有引力定数の標準記号である「 G 」と混同しないように。^{[6]この表記法は航空、特にアクロバット飛行や軍事戦闘航空でよく使用され、パイロットが意識を保ち、}重力による意識喪失（gによって引き起こされる意識喪失）にならないために克服しなければならない力の増加を表す。 ^[7]

g 力の測定は、通常、加速度計を使用して行われます(以下の「加速度計を使用した測定」セクションの説明を参照)。場合によっては、適切に較正されたスケールを使用して g 力を測定できます。

g「力」という用語は、力ではなく加速度の尺度であるため、技術的には不正確です。加速度はベクトル量ですが、g 力加速度 (略して「g 力」) は、ベクトルの大きさに基づいてスカラーとして表現されることが多く、正の g 力は下向き (上向きの加速を示す)、負の g 力は上向きです。したがって、g 力は加速度のベクトルです。これは機械的な力によって生成される加速度であり、単純な重力では生成できません。重力のみによって作用される物体はg 力を経験 (または「感じる」) せず、無重力です。g 力は、それが作用する質量と乗算されると、「力」という用語の正しい意味での特定の種類の機械的な力に関連付けられ、この力は圧縮応力と引張応力を生成します。このような力は重量の操作感覚をもたらしますが、下方向の正の重量の定義により方程式の符号が変化するため、重量力の方向は g 力の加速度の方向と逆になります。

重量 = 質量 × −g力

マイナス符号の理由は、重力加速度によって物体に生じる実際の力(つまり、測定された重量) が、重力加速度の符号と反対方向になるためです。これは、物理学では、重量は加速を生じる力ではなく、それに対する等しく反対の反作用力だからです。上方向を正とすると (通常の直交座標の慣例)、正の重力加速度 (上向きの加速度ベクトル) によって、あらゆる質量に対して下向きの力/重量が生じます(例として、ロケット打ち上げの正の重力加速度により、下向きの重量が生じます)。同様に、負の重力加速度は下向きの加速度ベクトル(y 軸の負の方向) であり、この下向きの加速度によって上向きの重量力が生じます(そのため、パイロットが座席から上方に引っ張られ、通常の向きのパイロットの頭部に血液が流れ込みます)。

g 力 (加速度) が垂直上向きで、地面 (時空を通じて加速している) によって適用されるか、またはエレベータの床によって立っている人に対して適用される場合、体の大部分は圧縮応力を受けます。この圧縮応力は、どの高さでも面積で乗じれば、関連する機械力となり、g 力と支持質量 (支持レベルより上の質量、そのレベルより上から垂れ下がっている腕を含む) の積になります。同時に、腕自体は引張応力を受けます。この圧縮応力は、どの高さでも面積で乗じれば、やはり関連する機械力となり、g 力と機械的支持点より下に垂れ下がっている質量の積になります。機械抵抗力は、床または支持構造との接触点から広がり、支持されていない端 (座席や床など下から支持されている場合は上、体または物体の垂れ下がっている部分の場合は下) で徐々にゼロに向かって減少します。圧縮力が負の引張力としてカウントされる場合、単位質量あたりの重力方向の引張力の変化率（物体の部分間の変化で、その間にある物体のスライスが単位質量を持つもの）は、スライスにかかる重力以外の外力（ある場合）を加えた重力の力に等しくなります（重力の反対方向で正にカウントされます）。

与えられた重力に対する応力は同じであり、この重力が重力に対する機械的抵抗によって生じたか、機械的力によって引き起こされる座標加速 (速度の変化) によって生じたか、またはこれらの組み合わせによって生じたかは関係ありません。したがって、人間にとっては、座標加速を引き起こすかどうかに関係なく、すべての機械的力はまったく同じに感じられます。同様に、物体についても、損傷なく機械的重力に耐えられるかどうかという問題は、どのタイプの重力でも同じです。たとえば、地球上での上向きの加速 (たとえば、上昇時の速度の増加または下降時の速度の低下) は、表面重力がより高い天体上で静止しているのと同じに感じられます。重力だけが作用しても重力は発生しません。重力は、機械的な押し引きによってのみ発生します。自由物体 (宇宙空間で自由に移動できる物体) の場合、このような重力は、重力の自然な効果である「慣性」経路、または質量の慣性の自然な効果が変更されるときにのみ発生します。このような変化は重力以外の影響によってのみ生じる可能性があります。

g 力が関与する重要な状況の例は次のとおりです。

• 地球の表面にある静止物体に作用する重力加速度は 1  g (上向き) で、地球の表面が 1  gの加速度に等しい上向きの抵抗反応によって生じ、重力と等しく反対方向の力となります。1 という数字は場所によっておおよその数値となります。
• 真空中の自由落下など、 無重力環境では物体に作用する g 力は0 gです。
• 加速中の物体に作用する g 力は 1  gよりはるかに大きくなることがあります。たとえば、右上の写真のドラッグスターは、加速時に 5.3 の水平方向の g 力を発揮します。
• 加速中の物体に作用する重力加速度は、例えばジェットコースターで急な坂を登るときなど、下向きになることがあります。
• 重力以外の外力がない場合、ロケットの g 力は単位質量あたりの推力です。その大きさは、推力対重量比にg を掛けたもの、および単位時間あたりのデルタ vの消費量に等しくなります。
• 衝突などの衝撃の場合、重力加速度は短時間で非常に大きくなることがあります。

負の重力加速度の典型的な例は、完全に反転したジェットコースターで、地面に向かって加速（速度変化）しています。この場合、ジェットコースターの乗客は、重力による加速よりも速く地面に向かって加速され、座席に逆さまに固定されます。この場合、座席によって及ぼされる機械的な力は、重力加速度とは異なる方法で乗客の経路を下方に変えることにより、重力加速度を引き起こします。重力よりも速くなっている下降運動の違いは、座席の押圧によって発生し、地面に向かう重力加速度を引き起こします。

すべての「座標加速度」（またはその欠如）は、ニュートンの運動の法則によって次のように説明されます。

運動の第二法則、加速度の法則は、F = maと規定しており、これは物体に作用する力Fがその物体の質量 mとその加速度a の積に等しいことを意味します。

運動の第 3 法則、つまり相互作用の法則は、すべての力は対になって発生し、これら 2 つの力は大きさが等しく、方向が反対であると述べています。ニュートンの運動の第 3 法則は、たとえば手に持った岩に対して重力が下向きの力として作用するだけでなく、岩が地球に対して大きさが等しく方向が反対の力を及ぼすことを意味します。

飛行機では、操縦席は岩を握っている手、操縦士は岩と考えることができます。 1  gで水平にまっすぐ飛行している場合、操縦士は重力の作用を受けます。操縦士の体重 (下向きの力) は 725ニュートン(163  lb _f ) です。 ニュートンの第 3 法則に従い、飛行機と操縦士の下の座席は、725 N の力で上向きに押す等しく反対の力を提供します。 この機械的な力は、上方向の速度が変化しない場合でも、操縦士に 1.0  g の上向きの固有加速度を提供します (これは、地面がこの力と g 力を提供する地面に立っている人の状況に似ています)。

パイロットが突然操縦桿を引いて飛行機を 9.8 m/s ²で上向きに加速すると、体にかかる合計重力加速度は 2  gになります。そのうち半分は座席がパイロットを押して重力に抵抗することから生じ、残りの半分は座席がパイロットを押して上向きの加速を引き起こすことから生じます。この速度変化も、自由落下の軌道とは異なるため、適切な加速です。飛行機の基準フレームで考えると、パイロットの体は座席に向かって 1,450 N (330 lb _f )の下向きの力を発生させ、同時に座席は 1450 N の同じ力で上向きに押しています。

機械的な力による無抵抗の加速、そしてその結果生じる重力加速度は、誰もが乗り物に乗るときに必ず経験します。なぜなら、常に適切な加速が起こり、また（重力がない場合）常に座標加速度（速度が変化する）も起こるからです。乗り物が方向や速度を変えるたびに、乗員は座席の機械的な押し込みによって生じる横方向（左右）または縦方向（前後）の力を感じます。

「1 g =9.806 65  m/s ²は、1秒ごとに速度が変化することを意味します9.806 65メートル毎秒（35.303 94  km/h）。この速度変化率は次のようにも表される。9.806 65（メートル毎秒）毎秒、または9.806 65  m/s ²。例: 1  gの加速度は、1 秒あたり約 35 km/h (22 mph) の速度変化率に相当します。したがって、自動車が 1  gでブレーキをかけることができ、時速 35 km で走行している場合、1 秒で停止するまでブレーキをかけることができ、ドライバーは 1 gの減速を体験します 。この速度の 3 倍の時速 105 km (65 mph) で走行している自動車は、3 秒で停止するまでブレーキをかけることができます。

sの距離内で一定の加速度で速度が 0 からvに増加する場合、この加速度はv ² /(2 s ) です。

物体を重力加速度に耐えられるように準備する（高い重力加速度を受けても損傷しないようにする）ことを重力加速度硬化といいます。^[要出典]これは、例えば銃で発射された 弾丸の計器などに当てはまります。

人間の許容範囲は、重力の大きさ、重力が作用する時間の長さ、重力が作用する方向、重力が作用する場所、および身体の姿勢によって異なります。^{[9] [10] : 350}

人体は柔軟で変形しやすく、特に柔らかい組織は変形しやすい。顔を強く叩くと、局所的に 数百g が瞬間的に加わるが、実際には損傷は生じない。しかし、1 分間16 g が一定に加わると、致命的となる可能性がある。振動を経験すると、比較的低いピーク g 力レベルでも、臓器や結合組織の共振周波数であれば、深刻な損傷を引き起こす可能性がある。 ^{[引用が必要]}

ある程度、重力耐性は訓練によって向上させることができますが、個人によって生まれつきの能力にかなりのばらつきがあります。さらに、心臓血管の問題など、一部の病気は重力耐性を低下させます。

特に航空機のパイロットは、脊椎に沿った軸に沿って重力加速度を受けます。これにより、被験者の体の長さに沿って血圧に大きな変化が生じ、許容できる重力加速度の最大値が制限されます。

正の、つまり「上向きの」重力加速度は、座っている人や立っている人の足元に血液を下向きに送ります（より自然には、足と体は、血液の周りで床と座席の上向きの力によって上向きに押し上げられていると考えることができます）。正の重力加速度に対する抵抗はさまざまです。一般的な人は、 意識を失う前に約 5 g ₀ (49 m/s ² ) （つまり、この点を超える高重力ジェットコースターに乗ると気絶する人もいます）に耐えることができますが、特殊な重力加速度スーツと筋肉を緊張させる努力（どちらも血液を脳に戻す働きがあります）を組み合わせることで、現代のパイロットは通常、持続的な 9  g ₀ (88 m/s ² ) に耐えることができます（高重力訓練を参照）。

特に航空機では、垂直方向の重力加速度は正であることが多い（血液を足元に流し、頭から離れさせる）。このため、特に目や脳に問題が生じる。垂直方向の重力加速度が徐々に増加すると（遠心分離機など）、次のような症状が現れることがある。^[要出典]

• グレーアウト、つまり視界が色彩を失う状態。平らになると簡単に元に戻る。
• トンネル視野、つまり周辺視野が徐々に失われる状態
• ブラックアウトは、頭部への血流不足により意識は保たれているものの視力を失う状態です。
• G-LOC、重力による意識喪失^[11]
• 重力加速度がすぐに軽減されなければ死に至る

血液を頭部に向かわせる「負の」または「下向きの」Gに対する抵抗は、はるかに低い。この限界は通常、−2～−3  g ₀ (−20～−29 m/s ² ) の範囲である。この状態は、血液を含んだ下まぶたが視野内に引き込まれるため、視界が文字通り赤くなるため、レッドアウトと呼ばれることもある^{[12] 。 [13]}負のG力は一般的に不快であり、損傷を引き起こす可能性がある。目や脳の血管は、血圧の上昇により腫れたり破裂したりすることがあり、視力の低下や失明につながることもある。

人体は、脊椎に垂直な重力加速度に耐える能力に優れています。一般的に、加速度が前方（被験者は基本的に仰向けに寝ており、俗に「眼球が内側」と呼ばれます）の場合、^[14]加速度が後方（被験者はうつ伏せで寝ており、「眼球が外側」）の場合よりも、はるかに高い耐性が示されます。これは、網膜の血管が後者の方向に対してより敏感であるように見えるためです。^{[引用が必要]}

初期の実験では、訓練を受けていない人間は、曝露時間に応じてさまざまな加速度に耐えられることが示されました。これは、20  g _0を10秒未満で10  g _0を1分間、実験では、両眼球を出し入れした状態で、6  g _{0 の}^{加速度を 10 分間受けた。 [15]}これらの力は、被験者が簡単な身体活動やコミュニケーション作業を行うことができたため、認知機能に問題がない状態で耐えられた。このテストは、長期的または短期的な害を及ぼさないと判断されたが、耐性は非常に主観的であり、最も意欲的な非パイロットのみがテストを完了することができた。^[16]水平方向の重力加速度の許容度の最高記録は、加速のパイオニアであるジョン・スタップが保持している。彼は、ロケットそりの減速実験シリーズで、1954 年後半のテストで、マッハ 0.9 の地上速度から 1 秒強の加速を記録した。彼は、重力加速度の 46.2 倍のピーク「眼球出し」加速度と、1 秒以上の加速を生き延びた。25  g _0を1.1秒間浴びせ、人体がこれに耐えられることを証明した。スタップはその後45年間、89歳まで生きた^[17]。^[18]

生き残った人間が経験した最高重力加速度は、2003年10月12日にテキサスモータースピードウェイで開催された2003年インディカーシリーズの最終戦で、2003年シボレー500でケニー・ブラックが運転する車がトーマス・シェクターの車と車輪同士で接触したときでした。この衝突により、ブラックの車はキャッチフェンスに衝突し、最高加速度は214  g ₀ . ^{[19] [20]}

衝撃と機械的衝撃は、通常、高運動エネルギーの短期的な励起を表すために使用されます。衝撃パルスは、多くの場合、 ɡ ₀ ·s でのピーク加速度とパルス持続時間によって測定されます。振動は、 ɡ ₀ ·s と周波数で測定できる周期的な振動です。これらの現象のダイナミクスは、比較的長期的な加速によって引き起こされる g 力と区別するものです。^{[引用が必要]}

ある高さから自由落下し、衝突時に一定の距離にわたって減速した後、物体にかかる衝撃は·  ɡ ₀です。たとえば、硬くてコンパクトな物体を 1 メートルの高さから落下させ、1 mm の距離にわたって衝突させると、1000 ɡ _{0 の}減速が発生します。^[要出典]${\displaystyle h}$${\displaystyle d}$${\displaystyle (h/d)}$

ジャークは加速度の変化率です。SI単位では、ジャークはm/s ^{3で表されますが、}標準重力/秒（ɡ ₀ /s; 1 ɡ ₀ /s ≈ 9.81 m/s ³ ）で表すこともできます。^{[引用が必要]}

日本で最近行われた極限環境細菌の研究では、極度の重力条件に置かれた様々な細菌（非極限環境細菌の対照として大腸菌を含む）が対象となった。細菌は、 403,627 gに相当する高速で超遠心分離機で回転させながら培養された。Paracoccus denitrificansは、通常、非常に重い星や超新星の衝撃波などの宇宙環境でのみ見られる超加速条件下で生存するだけでなく、力強い細胞増殖を示した細菌の1つである。分析により、原核細胞の小さなサイズが、過重力下での正常な増殖に不可欠であることが示された。特に、2つの多細胞種、線虫 Panagrolaimus superbus ^[21]とCaenorhabditis elegansは、1時間400,000 × gに耐えられることが示された。 ^{[22]この研究は、}パンスペルミア説 の実現可能性に影響を与える。^{[23] [24]}

加速度計は、最も単純な形では、バネの端にある減衰された質量であり、その質量がバネ上で「軸」と呼ばれる特定の方向にどれだけ移動したかを測定する方法を備えています。

加速度計は、多くの場合、1 つ以上の軸に沿って g 力を測定するように 調整されます。固定された単軸加速度計の測定軸が水平になるように向けると、出力は 0 gになり、平坦な道路を一定速度で走行する自動車に搭載されている場合は、出力は 0  gのままになります。運転者がブレーキ ペダルまたはアクセル ペダルを踏むと、加速度計は正または負の加速度を記録します。

加速度計を 90° 回転させて垂直にすると、静止 していても上向きに+1 g を読み取ります。その状況では、加速度計は重力と、加速度計が置かれている表面の地面反力の 2 つの力の影響を受けます。加速度計と地面の間の機械的相互作用により、加速度計で測定できるのは後者の力だけです。読み取り値は、その力だけを受けた場合の計測器の加速度です。

3 軸加速度計は、落下したり、弾道軌道 (慣性軌道とも呼ばれる) に乗せられたりすると、3 軸すべてでゼロ g を出力し、軌道上の宇宙飛行士と同様に「自由落下」を体験します (宇宙飛行士は微小重力と呼ばれる小さな潮汐加速度を体験しますが、ここでは説明のため無視します)。遊園地の乗り物の中には、数秒間ほぼゼロ g を体験できるものもあります。NASA の「Vomit Comet」に乗ると、一度に約 25 秒間、ほぼゼロ g を体験できます。

• 人工重力
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• 重力加速度と見かけの重さの関係
• 衝撃および振動データロガー
• 衝撃検出器
• 仰向けコックピット

• Faller, James E. (2005 年 11 月～ 12 月)。「小さな g の測定: 精密測定科学の肥沃な土壌」。国立標準技術研究所の研究ジャーナル。110 (6): 559–581。doi  : 10.6028 /jres.110.082。PMC 4846227。PMID 27308179。 

• 「飛行機はどのくらいの重力に耐えられるか？」1944年10月、ポピュラーサイエンス誌— このテーマを詳細に説明した最初の公開記事の1つ
• NASAエイムズ研究センターの人間遠心分離機に耐える（Wired）
• [1]
• [2]
• [3]
• [4]
• うつ伏せと仰向けの姿勢における人間の能力。注釈付き参考文献