Ảnh hưởng của gia tốc tuyến tính lên cơ thể

Lực gia tốc trong tàu không gian

Không giống như một chiếc máy bay, một tàu không gian không thể tạo vòng quay nhanh, và do đó gia tốc vòng ít quan trọng ngoại trừ khi tàu rối loạn xoay. Dù vậy, khả tăng tốc cất cánh và giảm tốc hạ cánh có thể rất lớn, cả hai là gia tốc thẳng, một gia tốc dương và một âm.

Hình. Lực gia tốc trong quá trình cất cánh của tàu vũ trụ.

Một quá trình gần đúng về sự tăng tốc trong quá trình cất cánh của tàu không gian ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tàu được tăng tốc lớn nhất 9G và giai đoạn hai tăng lên cao nhất 8G. Trong tư thế đứng, co người không thể chịu được gia tốc này, nhưng ở tư thế nằm ngả, ngang với trục gia tốc, con người có thể chịu gia tốc dễ dàng mặc dù sự thật là lực gia tốc vẫn đang rất lớn lúc đó. Do đó, ghế ngả được sử dụng cho các phi hành gia.

Vấn đề cũng xẩy ra trong quá trình giảm tốc, khi tàu không gian trở vào khí quyển. Một người di chuyển ở Mach 1 (tốc độ âm thanh và của máy bay nhanh) có thể giảm tốc an toàn trong khoảng cách tầm 0.12 dặm, trái lại một người di chuyển với tốc độ Mach 100 (tốc độ có thể trong di chuyển giữa các hành tinh) cần khoảng 10000 dặm cho sự giảm tốc an toàn. Nguyên nhân chủ yếu của sự khác nhau này là tổng năng lượng cần thải trừ trong quá trình giảm tốc tỷ lệ với bình phương tốc độ, tương đương với khoảng cách cần để giảm tốc giữa Mach 1 và Mach 100 khoảng 10000 lần. Do đó, sự giảm tốc cần được thực hiện chậm hơn từ tốc độ cao hơn là khi đang ở tốc độ thấp hơn.

Lực giảm tốc trong nhảy dù

Khi phi công nhảy dù rời máy bay, vận tốc rơi ban đầu của anh ấy là 0 feet/s. Tuy nhiên, vì gia tốc của lực hấp dẫn, sau 1 giây tốc độ rơi đó là 32 feet/s (nếu bỏ qua lực cản không khí), sau 2 giây là 64 feet/s, v.v.. Trong khi tốc độ rơi tăng, lực cản không khí làm chậm sự rơi cũng tăng. Cuối cùng, gia tốc cản của không khí cân bằng với gia tốc của trọng lực, và sau khi rơi khoảng 12 giây, người đó sẽ rơi ở vận tốc cuối khoảng 109-119 dặm/giờ (khoảng 175 feet/s). Nếu người nhảy dù đạt vận tốc cuối cùng trước khi mở dù, một shock mở dù (“opening shock load”) lên tới 1200 pounds có thể xảy ra trên màn vải dù.

Một chiếc dù thông thường làm chậm sự rơi của người nhảy khoảng 1/9 vận tốc rơi cuối. Nói cách khác, tốc độ hạ cánh khoảng 20 feet/s, và lực va chạm mặt đất là 1/81 lực va chạm nếu không có dù. Dù vậy, lực va chạm này vẫn đủ lớn gây chấn thương đáng kể đến cơ thể trừ khi người nhảy dù được huấn luyện hạ cánh. Thực tế, lực va chạm nhảy dù tương đương với nhảy từ độ cao 6 feet không có dù. Nếu không biết trước, giác quan của người nhảy sẽ bị đánh lừa trong lúc chạm đất với chân duỗi thẳng, tư thế này sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng đến khung xương theo trục cơ thế, gây gãy xương chậu, xương sống, hay chân. Vì vậy, người nhảy dù qua đào tạo chạm đất với đầu gối cong nhưng căng cơ để tiếp nhận lực va chạm lớn.

Khí quyển nhân tạo trong tầu không gian kín

Bởi vì không có khí quyển ngoài không gian, khí quyển nhân tạo và khí hậu phải được sản xuất trong tàu không gian. Quan trọng nhất, nồng độ O2 phải đủ cao và nồng độ CO2 đủ thấp để tránh ngạt thở. Trong các tàu trước đây, khoang chứa khí quyển với O2 tinh khiết khoảng 260mmHg, nhưng trong các tàu hiện đại, không khí được làm giống như khí quyển bình thường, với nito gấp bốn lần O2 và tổng áp suất là 760mmHg. Sự xuất hiện của nito trong khí trộn làm giảm đáng kể nguy cơ cháy và nổ. Nó cũng bảo vệ chống lại sự xẹp phổi khu trú, xảy ra khi thở O2 tinh khiết, vì O2 được hấp thu rất nhanh làm các tiểu phế quản bị chặn lại bởi các nút nhầy.

Trong các chuyến đi kéo dài nhiều tháng, gần như không thể mang theo O2 suốt cuộc hành trình. Vì lí do này, nhiều công nghệ tái chế đã được đề xuất để sử dụng O2 tương tự. Một vài quá trình tái chế phụ thuộc hoàn toàn vào định luật vật lý, như điện phân nước giải phóng O2. Một số khác phụ thuộc vào phương pháp sinh học, như sử dụng tảo để giải phóng O2 thông qua hiện tượng quang hợp. Nhưng một hệ thống hoàn thiện về tái chế vẫn chưa thực hiện được.

Không trọng lượng trong không gian

Một người khi ở trong một vệ tinh quay quanh hoặc một tàu vũ trụ là không trọng lượng, hoặc một trạng thái gần như bằng không đơn vị G, mà đôi khi được gọi là trọng lực. Người đó không rút về phía dưới cùng, hai bên hay đầu của tàu vũ trụ mà chỉ đơn giản là trôi nổi bên trong khoang của nó. Nguyên nhân của sự không trọng lượng này không phải là không có sự tác động của lực hấp dẫn lên cơ thể bởi vì lực hấp dẫn từ bất kỳ thiên thể nào ở gần đó là vẫn còn hoạt động. Tuy nhiên, lực hấp dẫn tác động lên cả các tàu vũ trụ và những người cùng một lúc để cả hai được kéo với chính xác cùng gia tốc và trong cùng một hướng. Vì lý do này, người chỉ đơn giản là không bị hút đối với bất kỳ nơi của tàu vũ trụ.

Những thách thức sinh lý khi mất trọng lượng

Những thách thức về sinh lý không trọng lượng đã được chứng minh là không có ý nghĩa miễn là thời gian không trọng lượng không quá dài. Hầu hết các vấn đề xảy ra có liên quan đến ba tác động của trọng lượng: (1) say tàu xe trong những ngày đầu tiên của du lịch, (2) chuyển vị của các chất lỏng trong cơ thể vì mất tác dụng của lực hấp dẫn để gây áp lực thủy tĩnh bình thường, và (3) giảm hoạt động thể chất vì không có sức mạnh của sự co cơ là lực cần thiết để chống lại lực hấp dẫn.

Gần 50% các phi hành gia trải nghiệm say tàu xe, buồn nôn và đôi khi ói mửa, trong 2-5 ngày đầu tiên của chuyến du lịch không gian. say tàu xe này có thể là kết quả từ một mô hình quen thuộc của các tín hiệu chuyển động khi đến các trung tâm cân bằng của não, và tại cùng một thời gian thiếu của các tín hiệu hấp dẫn.

Các hiệu ứng quan sát được một kỳ nghỉ kéo dài trong không gian của những điều sau đây: (1) giảm thể tích máu, (2) giảm khối lượng tế bào hồng cầu, (3) giảm sức mạnh cơ bắp và khả năng làm việc, (4) giảm cung lượng tim tối đa và (5) mất canxi và phosphate từ xương, cũng như mất khối lượng xương. Hầu hết các hiệu ứng tương tự cũng xảy ra ở những người nằm trên giường trong một thời gian dài. Vì lý do này, các chương trình tập thể dục được đưa ra cho các phi hành gia nếu phải thực hiện ở ngoài không gian trong 1 thời gian dài.

Trong một thí nghiệm về 1 cuộc thám hiểm không gian, trong đó chương trình tập luyện đã không được áp dụng và kết quả là các phi hành gia đã giảm nghiêm trọng năng lực làm việc trong vài ngày đầu tiên sau khi trở về Trái đất. Họ cũng có xu hướng ngất xỉu (và vẫn làm, chừng mực nào đó) khi họ đứng dậy trong ngày đầu tiên hoặc sau khi trở về trọng lực vì khối lượng máu giảm đi và phản ứng của các cơ chế kiểm soát huyết áp giảm.

Giảm hoạt động (Deconditioning) của tim mạch, cơ bắp, xương trong thời gian phơi sáng và không trọng lượng kéo dài

Trong các chuyến bay không gian rất dài và tiếp xúc với ánh sang kéo dài, dần dần hiệu ứng “Deconditioning” xảy ra trên hệ thống tim mạch, cơ xương, và xương mặc dù tập thể dục nghiêm ngặt trong suốt chuyến bay. Nghiên cứu của các nhà du hành trên các chuyến bay không gian kéo dài vài tháng đã cho thấy rằng họ có thể mất nhiều 1,0 phần trăm khối lượng xương của họ mỗi tháng mặc dù họ vẫn tiếp tục tập luyện, teo đáng kể của cơ tim và xương cũng xảy ra trong thời gian dài tiếp xúc với một môi trường không trọng lực.

Trong các chuyến bay không gian rất dài và tiếp xúc với ánh sang kéo dài, dần dần hiệu ứng “Deconditioning” xảy ra trên hệ thống tim mạch, cơ xương, và xương mặc dù tập thể dục nghiêm ngặt trong suốt chuyến bay. Nghiên cứu của các nhà du hành trên các chuyến bay không gian kéo dài vài tháng đã cho thấy rằng họ có thể mất nhiều 1,0 phần trăm khối lượng xương của họ mỗi tháng mặc dù họ vẫn tiếp tục tập luyện, teo đáng kể của cơ tim và xương cũng xảy ra trong thời gian dài tiếp xúc với một môi trường không trọng lực.

Các nhà du hành trở về từ chuyến bay không gian kéo dài 4-6 tháng cũng dễ bị gãy xương và có thể yêu cầu một vài tuần trước khi họ trở về, họ cần tập luyện như trước khi bay cho tim mạch, xương, và tập thể dục cơ bắp. Như các chuyến bay không gian trở nên dài hơn để chuẩn bị cho công cuộc phát hiện của con người về sự tồn tại của các hành tinh khác, chẳng hạn như sao Hỏa, những tác động của trọng lực kéo dài có thể gây ra một mối đe dọa rất nghiêm trọng đối với các phi hành gia sau khi họ tiếp đất, đặc biệt là trong trường hợp hạ cánh khẩn cấp. Do đó, nỗ lực nghiên cứu đáng kể đã được phát triển hướng về biện pháp đối phó, ngoài việc tập thể dục, có thể ngăn ngừa hoặc làm giảm bớt hiệu quả hơn những thay đổi này. Một trong những biện pháp đối phó đang được thử nghiệm là việc áp dụng liên tục "trọng lực nhân tạo" gây ra bởi thời gian ngắn (ví dụ, 1 giờ mỗi ngày) của gia tốc ly tâm của các phi hành gia khi họ ngồi trong thiết kế đặc biệt máy ly tâm ngắn tay mà tạo ra lực lượng lên đến 2-3 G.