Přetížení

Přetížení (též gravitační přetížení) je ve fyzice síla, která působí na objekt v důsledku zrychlení soustavy.^[1] Přetížení je spojeno s vektorovou fyzikální veličinou tíha, která je značená G a je definována jako tlak na podložku nebo tah na závěs. Přetížení je opakem stavu beztíže.^[2]

Přetížení (přestože fyzikální veličina tíha má jednotky Newtony) se obvykle vyjadřuje jako násobek příslušné tíhové síly (2G, 3G, event. 2g, 3g).^[3] Subjektivně se přetížení projevuje tak, že pokud na 80 kg člověka působí směrem k nohám přetížení 3G, cítí se, jako by měl přibližně 240 kg.

Tíha je úzce spojena s tíhovou silou F_G. Ve směru kolmém působí díky tíhovému zrychlení g tíhová síla F_G. V tomto směru na člověka přirozeně působí tíha 1G. Přetížení je tedy obecně stav, kdy na těleso působí tíha větší než odpovídající tíhová síla. Vzhledem k fyziologii člověka závisí účinek přetížení na jeho velikosti, době působení a směru působení. Krátkodobě je člověk schopen snést i 30G.^[4]

Přetížení z hlediska vzniku některé zdroje dělí na:^[5]

• Lineární – zrychlení vzniká změnou rychlosti, bez změny směru. Ani stíhací letadla ale nevyvíjejí taková lineární zrychlení, aby přetížení z lineárního zrychlení bylo pro člověka nebezpečné.
• Radiální – zrychlení je způsobeno změnou směru pohybu. Vzniká setrvačná odstředivá síla, při které které mohou dosahovat přetížení vysokých hodnot.

Pro vznik přetížení je podmínkou, aby na těleso působilo kromě tíhového zrychlení g ještě jiné zrychlení, což znamená, že těleso musí zrychlovat, zpomalovat nebo měnit směr pohybu. Vysoké hodnoty přetížení zažívají piloti stíhacích letadel nebo Formule 1. Veřejnosti jsou zážitky spojené s přetížením nabízeny na různých typech kolotočů. Centrifuga nebo tzv. kladivo (Space booster) způsobují přetížení na základě změny směru, horská dráha kombinuje lineární zrychlování a změnu směru. Kolotoče, zejm. při změně směru, mohou způsobovat (spíše krátkodobé) přetížení i 4 - 5G.^[6] Přetížení nastává i při doskoku z výšky (náhlém zpomalení), ovšem po velmi krátkou dobu.^[7]

Na všechna tělesa v gravitačním poli působí gravitační síla. Pokud těleso rotuje (např. rotace Země), přidává se ke gravitační síle síla setrvačná odstředivá. Výsledkem jejich vektorového součtu je tíhová síla. K jejímu určení je potřeba tíhové zrychlení g, jehož hodnota na povrchu Země je přibližně 9,81 m/s².^[8]

Zrychlení, tíhová síla i tíha jsou vektory a mají tedy směr, který se může různě kombinovat. Pro kolmý směr, ve kterém působí tíhová síla, platí:

${\displaystyle G=m\times (g\pm a)}$

kde G je tíha, g je tíhové zrychlení, a je zrychlení tělesa způsobené vnější silou a m je hmotnost tělesa. Jednotkou tíhy je Newton, stejně jako jednotkou tíhové síly. Tíhová síla se vypočítá obdobným způsobem:

${\displaystyle F_{G}=m\times g}$

Tíhová síla F_G je na povrchu Země stejná. Tíha se ale může měnit podle zrychlení soustavy způsobované vnější silou.

Mohou tedy nastat případy:

• ${\displaystyle \mid G\mid >\mid F_{G}\mid }$ – těleso se nachází ve stavu přetížení, tíha má vyšší hodnotu než příslušná tíhová síla,
• ${\displaystyle \mid G\mid =\mid F_{G}\mid }$ – těleso se nachází „v klidu“, tíha je rovna tíhové síle,
• ${\displaystyle \mid G\mid <\mid F_{G}\mid }$ – stav „odlehčení“, opak přetížení,
• ${\displaystyle \mid G\mid =0N}$ (též 0G) – stav beztíže.

Vysokým hodnotám přetížení jsou vystaveni zejména piloti stíhacích letadel. Minimalizací účinků přetížení při letu se zabývá letecká ergonomie – obor, kde spolupracují lékaři a konstruktéři letadel pro optimalizaci polohy těla pilota během letu.^[5]

Na Zemi působí na všechna tělesa tíhová síla přirozeně kolmo dolů. Na stojícího člověka tak působí přirozeně tíha 1G směrem k nohám. V ostatních směrech nepůsobí žádná síla.

Kdyby stál v rychlovýtahu a ten začal zrychlovat směrem vzhůru, bude na něj působit přetížení například 1,5G směrem k nohám (o 0,5G více). Přetížení má vždy opačný směr než směr zrychlování soustavy. Výtah zrychluje vzhůru, přetížení tedy působí směrem dolů (k nohám).

Kdyby člověk v té samé situaci ležel na zádech, bylo by přirozené, že na něj působí tíha 1G, ale tentokrát ve směru od hrudníku k zádům. V případě stejného rychlovýtahu by působilo přetížení také 1,5G, které by tlačilo na hrudník a člověku by se mohlo hůře nadechovat.

Při sedu působí na člověka přirozeně tíha 1G směrem dolů (do sedačky). Směrem do opěradla nepůsobí žádná síla, tíha v tomto směru je tedy 0G. Začne-li stíhačka nebo formule zrychlovat, bude na člověka působit tíha například 2G směrem na hrudník, tzn. do opěradla (o 2G více než v klidu). Směrem dolů, na sedačku, působí stále 1G, v tomto směru se nic nezměnilo.

Srdce člověka je přizpůsobeno k životě na Zemi. Překonává účinky gravitace a neustále pumpuje krev proti gravitaci, směrem do mozku. Pokud člověk stojí a působí na něj tíha +1G, tak pokud udělá stoj na rukou, změní se tíha na -1G (relativní změna o 2G). Srdce pak nemusí překonávat gravitaci, ale naopak gravitace pomáhá tlačit krev do mozku, což je nepřirozený stav. Přetížení v tomto směru je nejnebezpečnější a piloti letadel se mu vyhýbají. Už při -2 až -3G se tlak v hlavě, bolest hlavy a tlak za očima, při -5G se dostavuje zmatenost, mozek je výrazně překrven^[4]. Tělo může reagovat zpomalením srdečního rytmu, až úplnou zástavou srdce.^[5]

Opačné přetížení (směrem k nohám) je snášeno lépe. Krev je tlačena do nohou a naopak mozek se odkrvuje. To může mít za následek poruchy vidění. Nedokrvuje se oční sítnice, obraz zešedne a zúží se zorné pole,^[9] což piloti nazývají „grayout“ nebo bílá slepota.^[4] Při přetížení +4,5G dochází k dočasné ztrátě vidění nazývané „blackout“. Při +8G nebo vyšší, může dojít ke ztrátě vědomí. V tomto směru využívají piloti anti-G oděv.^[1] Ten, pokud senzory zaznamená daný směr přetížení, nafoukne přetlakovým vzduchem nohavice pilota, čímž zabrání nahromadění krve v nohou a krve zůstane více v horní polovině těla. S jeho pomocí lze zvládnout až +18G.^[5]

Pokud dochází k přetížení ve směru tlaku na hruď, člověk ztíženě dýchání. Piloti letadel mají k dispozici přetlakový dýchací přístroj,^[1] který vhání vzduch do plic a pomáhá tak dýchat. V tom případě je možné snést až +12G. Tento směr přetížení je ale snášen obecně dobře, proto také v raketě sedí kosmonauti při startu hrudí ve směru vzletu. V opačném směru (od zad směrem k hrudníku) ovlivňuje přetížení zejména horším ovládáním končetin.^[5]

• Zrychlení
• Stav beztíže
• Tíhová síla
• Gravitační síla
• Tíhové zrychlení

Zdroj