Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Sådan fungerer vægtløshed

Den ene astronaut "løfter" en anden med sin finger. Foto høflighed NASA

Vi ser ofte billeder af astronauter, der flyder rundt inde i den internationale rumstation. Selvom vægtløshed ligner sjov, det stiller store krav til din krop. I første omgang, du føler dig kvalm, svimmel og desorienteret. Dit hoved og bihuler svulmer, og dine ben krymper. På lang sigt, dine muskler svækkes, og dine knogler bliver sprøde. Disse virkninger på din krop kan gøre alvorlig skade på en lang rejse, såsom en tur til Mars.

I denne artikel, vi tager dig med på en forlænget rejse ombord på den internationale rumstation, hvor vi vil undersøge, hvad vægtløshed er, hvad sker der med din krop hvordan disse ændringer opstår, og hvad der kan gøres for at forhindre eller vende disse bivirkninger.

Indhold
  1. Møder mikrogravitation
  2. Hvordan du føler dig i mikrogravitation
  3. Modforanstaltninger
  4. Hvordan du fornemmer position og bevægelse

Møder mikrogravitation

Forestil dig, at du er klædt i din rumdragt og ligger på ryggen i rumfærgen. Du har været på ryggen i stolen i flere timer, da piloterne og missionskontrollen har gennemgået præflukt -lanceringsforberedelserne. Normalt, når du står oprejst, tyngdekraften trækker blod nedad, så det samler sig i venerne på dine ben. Imidlertid, fordi du har ligget på ryggen, blodet fordeles forskelligt gennem din krop, forskydning lidt mod dit hoved, fordi dine fødder er hævede. Dit hoved kan føles lidt indelukket, meget som det gør om natten, når du sover.

Raketmotorer skyder, og du mærker accelerationen. Du bliver skubbet tilbage i dit sæde, når bussen stiger. Du føler dig tung, da G-kræfterne i shuttleens acceleration stiger til op til tre gange normal tyngdekraft (nogle rutsjebaner kan opnå dette accelerationsniveau). Dit bryst føles komprimeret, og du kan have svært ved at trække vejret. På cirka 8 og et halvt minut, du er i det ydre rum, oplever en helt anden fornemmelse: vægtløshed .

Vægtløshed betegnes mere korrekt mikrogravitation . Du er faktisk ikke vægtløs, fordi Jordens tyngdekraft holder dig og alt i skytten i kredsløb. Du er faktisk i en tilstand af frit fald , meget ligesom at hoppe fra et fly, bortset fra at du bevæger dig så hurtigt vandret (5 miles i sekundet eller 8 kilometer i sekundet), at, som du falder, du rører aldrig jorden, fordi Jorden krummer væk fra dig. Det er sådan her:Når du står på en badevægt, den måler din vægt, fordi tyngdekraften trækker ned på dig og vægten. Fordi vægten hviler på jorden, den skubber op på dig med en lige kraft - denne lige kraft er din vægt. Imidlertid, hvis du skulle springe ud af en klippe, mens du stod på en badevægt, både dig og skalaen ville blive trukket lige meget ned af tyngdekraften. Du ville ikke skubbe på vægten, og den ville ikke skubbe tilbage mod dig. Derfor, din vægt ville være nul.

Fordi shuttlen og alle objekterne i den falder rundt i verden med samme hastighed, alt i shuttlen, der ikke er sikret flyder. Hvis du har langt hår, det flyder rundt om dit ansigt. Hvis du hælder et glas vand ud, det forudsætter en stor, sfærisk dråbe, som du kan opdele i separate, mindre dråber. Mad og slik flyder forsigtigt til din mund, hvis du skubber dem i den retning. Mens du sidder på dit sæde, du har ingen fornemmelse af, at du sidder, fordi din krop ikke presser mod sædet. Hvis du ikke er sikret til noget, du flyder. Desuden, hvis du ikke kan nå en væg eller et hånd-/fodgreb, du kan ikke bevæge dig fra din position, fordi du ikke har noget at presse imod. Af denne grund, NASA har lagt mange begrænsninger, håndtag og fodholdere i hele kabinen i shuttle.

Hvordan du føler dig i mikrogravitation

Astronaut Story Musgrave på jorden (venstre) og i kredsløb (højre). Du kan se hævelsen omkring hans øjne og kinder forårsaget af mikrogravitation. Fotos med tilladelse fra NASA

Når du først støder på mikrogravitation, du har følgende følelser:

  • Kvalme
  • Desorientering
  • Hovedpine
  • Mistet appetiten
  • Overbelastning

Jo længere du bliver i mikrogravitation, jo mere dine muskler og knogler svækkes.

Disse fornemmelser er forårsaget af ændringer i forskellige systemer i din krop. Lad os se nærmere på, hvordan din krop reagerer.

Rumsyg

Den kvalme og desorientering, du føler, er som den synkende følelse i maven, når din bil rammer en dukkert i vejen, eller du oplever et fald på en rutsjebane, kun du har den følelse konstant i flere dage. Dette er følelsen af ​​rumsygdom, eller rumsygdom , som er forårsaget af modstridende oplysninger, som din hjerne modtager fra dine øjne og de vestibulære organer i dit indre øre.

Dine øjne kan se, hvilken vej der er op og ned inde i bussen. Imidlertid, fordi dit vestibulære system er afhængigt af tyngdekraftens nedadgående træk for at fortælle dig hvilken vej der er op mod ned og i hvilken retning du bevæger dig, det fungerer ikke i mikrogravitation. Så dine øjne fortæller måske din hjerne, at du er på hovedet, men din hjerne modtager ikke noget fortolkeligt input fra dine vestibulære organer. Din forvirrede hjerne frembringer kvalme og desorientering, hvilket igen kan føre til opkastning og tab af appetit. Heldigvis, efter et par dage, din hjerne tilpasser sig situationen ved udelukkende at stole på de visuelle input, og du begynder at føle dig bedre. NASA har udstedt medicinrettelser for at hjælpe astronauter med at håndtere kvalmen, indtil deres kroppe tilpasser sig.

Puffet ansigt og fugleben

I mikrogravitation, dit ansigt vil føle sig fuldt, og dine bihuler vil føle sig overbelastede, som kan bidrage til hovedpine samt rumsygdom. Du har det på samme måde på Jorden, når du bøjer dig eller står på hovedet, fordi blod siver til dit hoved.

Ændringer i dit blod og kropsvæsker

På jorden, tyngdekraften trækker i dit blod, forårsager betydelige mængder til at samle sig i venerne på dine ben. Når du støder på mikrogravitation, blodet skifter fra dine ben ind i brystet og hovedet. Dit ansigt har en tendens til at blive hævet, og dine bihuler svulmer op, som vist herunder. Væskeskiftet krymper også størrelsen på dine ben.

Når blodet skifter til brystet, dit hjerte øges i størrelse og pumper mere blod for hvert slag. Dine nyrer reagerer på denne øgede blodgennemstrømning ved at producere mere urin, meget som de gør efter at du har drukket et stort glas vand. Også, stigningen i blod og væske formindsker udskillelse af hypofysen af ​​antidiuretisk hormon (ADH), hvilket gør dig mindre tørstig. Derfor, du drikker ikke så meget vand som på jorden. Samlet set, disse to faktorer kombinerer for at hjælpe med at befri brystet og hovedet for overskydende væske, og om et par dage, din krops væskeniveauer er mindre end hvad de var på Jorden. Selvom du stadig har et lidt hævet hoved og tilstoppede bihuler, det er ikke så slemt efter de første par dage. Da du vendte tilbage til Jorden, tyngdekraften trækker disse væsker tilbage til dine ben og væk fra dit hoved, hvilket får dig til at føle dig svag, når du rejser dig. Men du vil også begynde at drikke mere, og dine væskeniveauer vender tilbage til det normale om et par dage.

Rumanæmi

Når dine nyrer eliminerer overskydende væske, de reducerer også deres udskillelse af erythropoietin, et hormon, der stimulerer produktionen af ​​røde blodlegemer af knoglemarvsceller. Faldet i produktionen af ​​røde blodlegemer matcher faldet i plasmavolumen, således at hæmatokrit (procentdel af blodvolumen optaget af røde blodlegemer) er den samme som på Jorden. Da du vendte tilbage til Jorden, dine erythropoietinniveauer vil stige, ligesom dit antal røde blodlegemer.

Svage muskler

Når du er i mikrogravitation, din krop indtager en "føtal" kropsholdning - du hukker lidt, med dine arme og ben halvbøjede foran dig. I denne position, du bruger ikke mange af dine muskler, især de muskler, der hjælper dig med at stå og bevare kropsholdning ( muskler mod tyngdekraften ). Når dit ophold ombord på den internationale rumstation forlænges, dine muskler ændrer sig. Massen af ​​dine muskler falder, hvilket bidrager til "fuglebenet" udseende. Muskelfibertyperne skifter fra langsomt ryk til hurtigt ryk. Din krop har ikke længere brug for langsomt rykende udholdenhedsfibre, som dem, der bruges til at stå. I stedet, der kræves flere hurtige rykfibre, når du skubber dig hurtigt væk fra rumstationens overflader. Jo længere du bliver på stationen, jo mindre muskelmasse vil du have. Dette tab af muskelmasse gør dig svagere, præsenterer problemer for rumvareflyvninger med lang varighed og ved hjemkomst til Jordens tyngdekraft.

Skøre knogler

På jorden, dine knogler understøtter din krops vægt. Størrelsen og massen af ​​dine knogler afbalanceres med den hastighed, hvormed visse knogleceller ( osteoblaster ) lægge nye minerallag og andre celler ( osteoklaster ) tygge disse minerallag op. I mikrogravitation, dine knogler behøver ikke at støtte din krop, så alle dine knogler, især de vægtbærende knogler i dine hofter, lår og lænd, bruges meget mindre, end de er på Jorden. I disse knogler, den hastighed, hvormed dine osteoblaster deponerer nye knoglelag, reduceres (ingen ved præcis hvorfor, selvom det menes, at ændringer i kraft og stress på en eller anden måde er involveret), mens den hastighed, hvormed osteoklaster tygger knogler, forbliver den samme. Resultatet er, at størrelsen og massen af ​​disse knogler fortsætter med at falde, så længe du forbliver i mikrogravitation, med en sats på cirka 1 procent om måneden. Disse ændringer i knoglemasse gør dine knogler svage og mere tilbøjelige til at bryde, når du vender tilbage til Jordens tyngdekraft. Det vides ikke, hvor meget af knogletabet der kan genvindes ved tilbagevenden til Jorden, selvom det nok ikke er 100 procent. Disse ændringer i knogler kan begrænse varigheden af ​​rumflyvninger. Mere forskning er nødvendig på dette område.

Ud over svage knogler, dit blods calciumkoncentration stiger lidt, når dine knogler bliver tygget af osteoklaster. Dine nyrer skal slippe af med det overskydende calcium, hvilket gør dem modtagelige for at danne smertefulde nyresten.

Modforanstaltninger

Hvad kan der gøres for at hjælpe dig med at håndtere mikrogravitationsmiljøet? Med hensyn til ikke-levende ting, hver genstand i rumfærgen eller rumstationen skal gemmes i skabe, spændt fast eller fastgjort til væggen med velcro.

For eksempel, når du spiser et måltid i mikrogravity, du skal holdes til skytten med fodfæste, og din madbakke er fastgjort til dig med en rem. Din mad har en tendens til at være i klæbrige eller pastaagtige former, som ris eller jordnøddesmør, så den ikke flyder væk. Hvis du er på en arbejdsstation, du bruger stropper og fodfæste til at begrænse dig selv. Bærbart udstyr, såsom en bærbar computer, er fastgjort til enten dig (som vist ovenfor), et udstyrsstativ eller rumskibets væg.

Hvad angår alle disse ændringer, der sker i din krop under dit ophold ombord på den internationale rumstation, hvad kan du gøre for at forblive sund, især ved din tilbagevenden til Jorden? Husk, at vi hovedsageligt skal håndtere tre ændringer:

  • Væsketab
  • Tab af muskelvæv
  • Tab af knoglemasse

Væsketab

Et modforanstaltning til at håndtere væsketab er en enhed, der kaldes lavere krops undertryk (LBNP) , som anvender en støvsugerlignende sugning under din talje for at holde væsker nede i dine ben. Denne enhed kan være tilsluttet en træningsapparat, såsom et løbebånd. Du tilbringer muligvis 30 minutter om dagen i LBNP for at holde dit kredsløbssystem i stand til nær jord.

Test af LBNP -enhed Foto høflighed NASA

Også, lige før din tilbagevenden til Jorden, du kan drikke store mængder vand eller elektrolytopløsninger for at hjælpe med at erstatte de væsker, du har mistet. Dette kan forhindre dig i at besvime, når du rejser dig og træder ud af bussen.

Forringelse af muskler og knogler

NASA og Russian Space Agency har fundet ud af, at den bedste måde at minimere tab af muskler og knoglemasse i rummet er at træne ofte. Dette træner dine muskler, forhindrer dem i at forværres og lægger stress på dine knogler for at producere en fornemmelse, der ligner vægt. Du træner op til to timer hver dag på forskellige maskiner (løbebånd, Ro-maskine, cykel). Du skal være fastholdt under din træning, normalt ved spændingsproducerende stropper, såsom bungee snore, der holder dig ved maskinen.

Der skal foretages meget mere forskning for at udvikle modforanstaltninger til kroppens ændringer i mikrogravitation. Denne forskning skal udføres både på jorden og i det ydre rum - ombord på den internationale rumstation - ved hjælp af både mennesker og dyr. Resultaterne af sådan forskning vil bidrage til at forbedre astronauters sundhed og bane vejen for langsigtet rumforskning, såsom en tur til Mars.

Sådan simuleres mikrogravitation på jorden

Her er nogle mennesker og dyremodeller til simulering og undersøgelse af mikrogravitation på Jorden:

  • Hældning nedad - En person lægger sig på en seng, der vippes hovedet ned omkring fem grader fra vandret. Hældningen gengiver forskydningen i hovedet af kropsvæsker i mikrogravitation. Ud over, vægtbærende knogler og muskler vil ikke blive brugt og vil blive forringet eller atrofi som det ses hos astronauter i mikrogravitation.
  • Fordybelse i swimmingpool - Anbring et motiv i en opvarmet swimmingpool med vand i længere tid. Vandets opdrift vil producere væskeskift og lindre de vægtbærende knogler og muskler som ved mikrogravitation.
  • Haleophængte rotter - Rotter hænges med hovedet ned af halen i bure i længere tid. Hældningen gengiver væskeskift fremad, og inaktivitet i bagbenene gengiver forringelsen af ​​muskler og knogler.
  • KC-135 '' Opkastningskomet " - Kør et fly gennem en række op og ned (parabolske) flyveveje, der opnår korte perioder (30 sekunder hver) med mikrogravitation ved hver top. NASA bruger denne teknik i astronautuddannelse og har endda gjort den tilgængelig for studerende forskningsprojekter.
Læs mere

Hvordan du fornemmer position og bevægelse

Vestibulære organer Foto høflighed NASA

Orientering og bevægelse registreres ved hjælp af vestibulært system , som er placeret i den øvre del af det indre øre.

Sådan føles det vestibulære system orientering med hensyn til tyngdekraften :Det har otolitiske organer der indeholder krystaller af calciumcarbonat (kridt). Krystallerne er fastgjort til hårlignende sensoriske nerveceller i forskellige retninger (x-, y- og z-akser).

  1. Når du bøjer hovedet i forskellige retninger (fremad, baglæns, sidelæns), tyngdekraften trækker på krystallerne, der er orienteret i trækkets retning.
  2. De berørte krystaller stimulerer de vedhæftede hårceller til at sende nerveimpulser til hjernen.
  3. Hjernen fortolker disse signaler for at finde ud af, hvilken vej hovedet er orienteret i rummet.

Sådan føles det vestibulære system bevægelse :Der er tre halvcirkelformede kanaler til at mærke bevægelse, specifikt acceleration . De er orienteret vinkelret på hinanden, og hver er i en af ​​de tre retninger (x-, y- eller z-aksen). De indeholder væske kaldet endolymfe og hårlignende sensoriske nerveceller .

  1. Når dit hoved accelererer i en given retning, endolymfen halter efter på grund af dens indledende modstand mod ændringer i bevægelse ( inerti ).
  2. Den halende endolymfe stimulerer de passende hårceller til at sende nervesignaler til hjernen.
  3. Hjernen fortolker dem for at finde ud af, hvilken vej hovedet har bevæget sig.

Masser mere information

relaterede artikler

  • Sådan fungerer rumdragter
  • Sådan fungerer den internationale rumstation
  • Sådan fungerer Mars
  • Sådan fungerer NASA