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Ingravidez

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Ingravidez es la experiencia (por personas y objetos) durante la caída libre, de no tener peso aparente. Esta condición también se conoce como microgravedad. La ingravidez en las naves espaciales comunes no se debe a una mayor distancia de la tierra; La aceleración debida a la gravedad a una altitud de 100 km es solo un tres por ciento menor que en la superficie de la tierra. La ingravidez significa una fuerza g cero o un peso aparente cero; la aceleración solo se debe a la gravedad, a diferencia de los casos en que actúan otras fuerzas, que incluyen:

  • de pie en el suelo, sentado en una silla en el suelo, etc. (la gravedad es contrarrestada por la fuerza de reacción del suelo)
  • volar en un avión (la gravedad es contrarrestada por la elevación que brindan las alas); consulte a continuación las trayectorias especiales que constituyen una excepción
  • reentrada atmosférica, aterrizando en un paracaídas: la resistencia atmosférica desacelera el vehículo
  • durante una maniobra orbital en una nave espacial: el cohete proporciona empuje

La diferencia es que la gravedad actúa directamente sobre una persona y otras masas, al igual que en el vehículo, mientras que las fuerzas como el arrastre y el empuje atmosférico actúan primero sobre el vehículo y a través del vehículo sobre la persona. En el primer caso, la persona y el piso del vehículo no son empujados uno hacia el otro, mientras que en los otros casos sí lo son.

Visión general

Lo que los humanos experimentan como peso no es en realidad la fuerza debida a la gravedad, aunque esa es la definición técnica del peso. Lo que sentimos como peso es en realidad la fuerza de reacción normal del suelo (o cualquier superficie con la que estemos en contacto) empujando hacia arriba para contrarrestar la fuerza debida a la gravedad, ese es el peso aparente.

Por ejemplo, un bloque de madera en un contenedor en caída libre experimenta ingravidez. Esto se debe a que no hay reacción al peso del bloque de madera del contenedor, ya que se está tirando hacia abajo con la misma aceleración. La aceleración del contenedor es igual a la aceleración del bloque, que es igual a la aceleración causada por la gravedad. Sin embargo, cuando el contenedor está en reposo en el suelo, la fuerza sobre cada pieza del bloque no es uniforme. Debido a que el bloque no está acelerando, también surge una fuerza hacia arriba porque el bloque es sólido. Cada sección transversal horizontal del bloque experimenta no solo la fuerza debida a la gravedad sobre él, sino también el peso de cualquier parte del bloque que se encuentre sobre él. Parte de la sensación de peso, entonces, es experimentar un gradiente de presión (un cambio en la cantidad por unidad de distancia en una dirección dada) dentro del propio cuerpo.

Hay otro aspecto de la sensación de peso que un gradiente de presión no tiene en cuenta, un ejemplo de ello es la forma en que nuestros brazos se empujan hacia abajo con respecto a nuestro cuerpo. Este efecto proviene del hecho de que algo colgado no es soportado directamente a través de una presión del suelo. De hecho, el efecto es casi exactamente el opuesto de un gradiente de presión, es un gradiente de tensión. Ocurre porque cada sección transversal de un objeto colgante, una cuerda, por ejemplo, debe soportar el peso de cada pieza debajo de ella.

Por lo tanto, en resumen, la ingravidez no tiene nada que ver con si estamos bajo la influencia de una fuerza gravitacional, sino que tiene que ver con si hay gradientes de fuerza en nuestro cuerpo. En caída libre, un humano no experimenta peso porque todas las partes del objeto humano se aceleran uniformemente (suponiendo que no haya fuerzas de marea).

Microgravedad

Llama de vela en condiciones orbitales. Imagen de la NASA.

El término microgravedad también se usa porque la ingravidez en, p. una nave espacial u otro contenedor no es perfecto. Las causas en la órbita terrestre incluyen:

  • La gravedad disminuye una ppm por cada tres metros de aumento de altura. Los objetos que no son puntos sentirán un tirón diferencial en sus diversas partes. (Esta es en realidad la fuerza de marea).
  • En una nave espacial en órbita, la fuerza centrípeta es mayor en el lado superior. (Esta es también la fuerza de marea).
  • Los objetos que quedan solos "caerán" hacia la parte más densa de la nave espacial. Cuando finalmente toquen la nave espacial, dejarán de moverse y sentirán peso.
  • Aunque es muy delgada, hay algo de aire a nivel de la órbita, lo que causa desaceleración debido a la fricción. Esto se percibe como "peso" en la dirección del movimiento.
  • Dejados a sí mismos, las diferentes partes de un vehículo a cada lado de su plano orbital están en sus propios planos orbitales. En el marco de referencia del vehículo, esto empuja los objetos hacia adentro hacia el plano orbital del vehículo en su conjunto.

El símbolo de microgravedad, µg, se utilizó en la insignia del vuelo del transbordador espacial STS-107, porque este vuelo se dedicó a la investigación de microgravedad (ver imagen en ese artículo).

Aviones de gravedad reducida

Avión de gravedad reducida KC-135 de la NASA

El avión de gravedad reducida KC-135 de la NASA está basado en el Centro Espacial Lyndon B. Johnson y cariñosamente llamado "cometa vómito". Es un avión que la NASA vuela en arcos parabólicos de seis millas de largo, primero subiendo en altitud, luego cayendo, de tal manera que la trayectoria de vuelo y la velocidad corresponden a la de un objeto sin propulsión y sin experimentar fricción de aire. Esto se realiza mediante propulsión y dirección de tal manera que se compensa la fricción del aire y nada más. El resultado es que las personas en el interior no son empujadas hacia la parte inferior o hacia cualquier otro lado del avión, es decir, están temporalmente sin peso, cada vez durante un período de 25 segundos. Por lo general, un vuelo dura aproximadamente dos horas, en las que se vuelan 40 parábolas.

El Plan de oportunidades de vuelo de gravedad reducida de la Universidad de Microgravedad de la NASA permite a los equipos de estudiantes universitarios presentar una propuesta de experimento de microgravedad. Si se selecciona, los equipos diseñan e implementan su experimento, y se invita a los estudiantes a volar en el McDonnell Douglas C-9 de la NASA (el reemplazo reciente del KC-135). El avión vuela en el patrón descrito anteriormente, por lo que el experimento tiene alrededor de 20 a 25 segundos para realizar su función en microgravedad.

Los primeros vuelos de la ESA zero-G se realizaron en 1984, utilizando un avión KC-135 de la NASA en Houston, Texas.

Corporación gravedad cero

La Zero Gravity Corporation opera un Boeing 727 modificado que vuela arcos parabólicos similares a los de los aviones de gravedad reducida de la NASA. Los vuelos se pueden comprar tanto para fines turísticos como de investigación.

Agencia Espacial Europea A-300 Zero-G

La Agencia Espacial Europea vuela vuelos parabólicos en un avión Airbus A-300 especialmente modificado, para investigar la microgravedad. La ESA vuela campañas de tres vuelos en días consecutivos, cada vuelo con aproximadamente 30 parábolas, para un total de aproximadamente diez minutos de ingravidez por vuelo. Las campañas de la ESA son operadas actualmente desde el aeropuerto de Burdeos-Mérignac en Francia por la compañía Novespace, mientras que el avión es operado por el Centre d'essais en Vol (CEV - Centro francés de vuelo de prueba). Hasta marzo de 2006, la ESA ha realizado 43 campañas. Otros aviones que ha utilizado incluyen el ruso Ilyushin Il-76 MDK y el francés Caravelle.123

Instalaciones terrestres de gravedad reducida

Las instalaciones en tierra que producen condiciones de gravedad reducida para fines de investigación se denominan típicamente tubos de caída o torres de caída.

Instalaciones de la NASA

El Centro de Investigación Zero-G de la NASA, ubicado en el Centro de Investigación Glenn en Cleveland, Ohio, es un eje vertical de 145 metros, en gran parte por debajo del suelo, con una cámara de caída de vacío integral, en la cual un vehículo experimental puede tener una caída libre por un duración de 5,18 segundos, cayendo una distancia de 132 metros. El vehículo experimental se detiene en aproximadamente 4,5 metros de gránulos de poliestireno expandido y experimenta una tasa de desaceleración máxima de 65 g.

También en la NASA Glenn se encuentra la 2.2 Second Drop Tower, que tiene unos 24 metros de altura.

El Centro Marshall de Vuelo Espacial Marshall de la NASA alberga otra instalación de tubo de caída que tiene 105 metros de altura y proporciona una caída libre de 4.6 segundos en condiciones de casi vacío.

Los humanos no pueden utilizar estos ejes de gravedad, ya que la desaceleración experimentada por la cámara de caída podría matar o herir gravemente a cualquiera que los use; 20 g es la desaceleración más alta que un ser humano sano y en forma puede soportar momentáneamente sin sufrir lesiones permanentes.

Otras instalaciones a nivel mundial

  • Micro-Gravity Laboratory of Japan (MGLAB) - 4.5 s caída libre
  • Tubo de caída experimental del departamento de metalurgia de Grenoble - 3.1 s de caída libre

Flotabilidad neutral

La ingravidez también se puede simular con el uso de flotabilidad neutra, en la que los sujetos y equipos humanos se colocan en un entorno acuático y se pesan o flotan hasta que flotan en su lugar. La NASA usa flotabilidad neutral para prepararse para los EVA (Actividad Vehicular Extra) en su Laboratorio de Flotabilidad Neutral.

Ingravidez en una nave espacial

La astronauta Marsha Ivins demuestra el efecto de la ingravidez en el cabello largo durante STS-98

Se producen largos períodos de ingravidez en una nave espacial fuera de la atmósfera de un planeta, siempre que no se aplique propulsión y la nave no esté girando. Este es el caso cuando orbitan la tierra (excepto cuando los cohetes disparan para maniobras orbitales), pero no durante el reentrada atmosférica. La ingravidez no ocurre en un cohete que acelera disparando sus cohetes. Incluso si el cohete acelera uniformemente, el gas que escapa escapa aplicando la fuerza al extremo posterior del cohete y esa fuerza se transfiere a todo el barco mediante presión o tensión, lo que impide la ingravidez.

La ingravidez en una nave espacial o estación espacial se logra por caída libre. La nave y todas las cosas que contiene están cayendo hacia la superficie de la Tierra, pero las velocidades de la órbita son tan grandes, generalmente a cinco millas por segundo, que la Tierra se curva lejos de ti antes de que puedas entrar a la atmósfera. Sin embargo, su gravedad sigue atrayéndote y el resultado es un aparente estado de caída libre perpetua.

Ingravidez en el centro de un planeta

En el centro de un planeta, una persona se sentiría ingrávida porque la atracción de la masa circundante del planeta se cancelaría. Más generalmente, la fuerza gravitacional es cero en todos lados dentro de un planeta esférico simétrico hueco, por el teorema de la concha.

Efectos en la salud

Tras el establecimiento de estaciones en órbita que pueden ser habitadas por humanos durante largos períodos, se ha demostrado que la exposición a la ingravidez tiene algunos efectos nocivos para la salud. Los humanos están bien adaptados a las condiciones físicas que prevalecen en la superficie de la Tierra. Cuando no tiene peso, ciertos sistemas fisiológicos comienzan a modificarse y pueden ocurrir problemas de salud temporales y a largo plazo.

La condición inicial más común experimentada por los humanos después de las primeras dos horas de ingravidez se conoce comúnmente como enfermedad espacial. Los síntomas incluyen mareos generales, náuseas, vértigo, dolores de cabeza, letargo, vómitos y malestar general. El primer caso fue reportado por el cosmonauta Gherman Titov en 1961. Desde entonces, aproximadamente el 45 por ciento de todas las personas que experimentaron flotación libre bajo gravedad cero también han sufrido esta afección. La duración de la enfermedad espacial varía, pero en ningún caso ha durado más de 72 horas. Para entonces, los astronautas se han acostumbrado al nuevo entorno.

Los efectos adversos más significativos de la ingravidez a largo plazo son la atrofia muscular y el deterioro del esqueleto; Estos efectos pueden minimizarse mediante un régimen de ejercicio. Otros efectos significativos incluyen la redistribución de líquidos, una desaceleración del sistema cardiovascular, disminución de la producción de glóbulos rojos, trastornos del equilibrio y un debilitamiento del sistema inmune. Los síntomas menores incluyen pérdida de masa corporal, congestión nasal, trastornos del sueño, exceso de flatulencia e hinchazón de la cara. Estos efectos son reversibles al regresar a la Tierra.

Muchas de las condiciones causadas por la exposición a la ingravidez son similares a las que resultan del envejecimiento. Los científicos creen que los estudios sobre los efectos perjudiciales de la ingravidez podrían tener beneficios médicos, como un posible tratamiento para la osteoporosis y una mejor atención médica para los que se acuestan en la cama y los ancianos.

Notas

  1. ↑ Agencia Espacial Europea. A300 Zero-G. Sitio web de ESA Human Spaceflight. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  2. ↑ Agencia Espacial Europea. Siguiente camaign. Sitio web de ESA Human Spaceflight. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  3. ↑ Agencia Espacial Europea. Organización de la campaña. Sitio web de ESA Human Spaceflight. Consultado el 16 de febrero de 2008.

Referencias

  • Howstuffworks.com. 2006 Cómo funciona la ingravidez HowStuffWorks, Inc. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  • Henderson, Tom. 2004. La ingravidez en órbita El aula de física. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  • 1999. ¿La gravedad crea ingravidez? Ciencia Joy Wagon. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  • 2002. Ingravidez y más ... ¡Aprendiendo a sobrevivir en el espacio! MedicineNet, Inc. Consultado el 16 de febrero de 2008.
  • Graveline, Duane. 2005 Ingravidez Spacedoc.net. Consultado el 16 de febrero de 2008.

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 9 de agosto de 2013.

  • Instalación de investigación Zero-G Una instalación de la NASA para la investigación de microgravedad en tierra.
  • NASA Microgravity University Un programa para estudiantes de la NASA que permite a equipos de estudiantes universitarios planificar un experimento de microgravedad y volar a bordo del C-9 de la NASA. El avión de reemplazo para el KC-135.

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