science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe gewichtloosheid werkt

De ene astronaut "tilt" een andere op met haar vinger. Foto met dank aan NASA

We zien vaak foto's van astronauten die rondzweven in het internationale ruimtestation. Terwijl gewichtloosheid leuk lijkt, het stelt hoge eisen aan je lichaam. aanvankelijk, je voelt je misselijk, duizelig en gedesoriënteerd. Je hoofd en sinussen zwellen op en je benen krimpen. Op de lange termijn, je spieren verzwakken en je botten worden broos. Deze effecten op uw lichaam kunnen ernstige schade aanrichten tijdens een lange reis, zoals een reis naar Mars.

In dit artikel, we nemen je mee op een uitgebreide reis aan boord van het internationale ruimtestation, waar we zullen onderzoeken wat gewichtloosheid is, wat er met je lichaam gebeurt, hoe deze veranderingen tot stand komen en wat er kan worden gedaan om deze nadelige effecten te voorkomen of ongedaan te maken.

Inhoud
  1. Microzwaartekracht tegenkomen
  2. Hoe je je voelt in microzwaartekracht
  3. tegenmaatregelen
  4. Hoe je positie en beweging voelt

Microzwaartekracht tegenkomen

Stel je voor dat je gekleed bent in je ruimtepak en op je rug ligt in de cockpit van de spaceshuttle. Je hebt enkele uren op je rug in de stoel gezeten terwijl de piloten en de missiecontrole de voorbereidingen voor de preflight-lancering hebben doorlopen. Normaal gesproken, als je rechtop staat, de zwaartekracht trekt het bloed naar beneden zodat het zich verzamelt in de aderen van je benen. Echter, omdat je op je rug hebt gelegen, het bloed wordt anders door uw lichaam verdeeld, iets naar je hoofd verschuiven omdat je voeten omhoog staan. Je hoofd kan een beetje benauwd aanvoelen, net zoals het 's nachts doet als je slaapt.

De raketmotoren vuren en je voelt de versnelling. Je wordt terug in je stoel geduwd terwijl de shuttle omhoog gaat. Je voelt je zwaar als de G-krachten van de versnelling van de shuttle toenemen tot drie keer de normale zwaartekracht (sommige achtbaanritten kunnen dit versnellingsniveau bereiken). Uw borstkas voelt samengedrukt en u kunt moeite hebben met ademhalen. In ongeveer 8 en een halve minuut, je bent in de ruimte, een heel andere sensatie ervaren: gewichtloosheid .

Gewichtloosheid wordt juister genoemd microzwaartekracht . Je bent niet echt gewichtloos, omdat de zwaartekracht van de aarde jou en alles in de shuttle in een baan om de aarde houdt. Je bent eigenlijk in een staat van vrije val , net als springen uit een vliegtuig, behalve dat je horizontaal zo snel beweegt (5 mijl per seconde of 8 kilometer per seconde) dat, als je valt, je raakt de grond nooit aan omdat de aarde van je af buigt. Het zit zo:als je op een weegschaal staat, het meet je gewicht omdat de zwaartekracht jou en de weegschaal naar beneden trekt. Omdat de weegschaal op de grond staat, het duwt je met een gelijke kracht omhoog -- deze gelijke kracht is je gewicht. Echter, als je van een klif zou springen terwijl je op een weegschaal staat, zowel jij als de weegschaal zouden gelijkelijk naar beneden worden getrokken door de zwaartekracht. Je zou niet op de weegschaal duwen en hij zou niet tegen je terugduwen. Daarom, je gewicht zou nul zijn.

Omdat de shuttle en alle objecten erin met dezelfde snelheid over de wereld vallen, alles in de shuttle dat niet is beveiligd, drijft. Als je lang haar hebt, het zweeft rond je gezicht. Als je een glas water uitgiet, het veronderstelt een grote, bolvormige druppel die je in aparte, kleinere druppels. Voedsel en snoep drijven zachtjes naar je mond als je ze in die richting duwt. Terwijl je op je stoel zit, je hebt niet het gevoel dat je zit omdat je lichaam niet tegen de zitting drukt. Als je ergens niet zeker van bent, jij zweeft. Verder, als u niet bij een muur of hand/voet kunt komen, je kunt niet vanuit je positie bewegen omdat je niets hebt om tegen te duwen. Om deze reden, NASA heeft veel beperkingen opgelegd, handgrepen en voetsteunen in de cabine van de shuttle.

Hoe je je voelt in microzwaartekracht

Astronaut Story Musgrave op aarde (links) en in een baan (rechts). Je kunt de wallen rond zijn ogen en wangen zien, veroorzaakt door microzwaartekracht. Foto's met dank aan NASA

Wanneer je voor het eerst microzwaartekracht tegenkomt, je hebt de volgende gevoelens:

  • Misselijkheid
  • desoriëntatie
  • Hoofdpijn
  • Verlies van eetlust
  • Ophoping

Hoe langer je in microzwaartekracht blijft, hoe meer uw spieren en botten verzwakken.

Deze sensaties worden veroorzaakt door veranderingen in verschillende systemen van uw lichaam. Laten we eens nader bekijken hoe uw lichaam reageert.

Ruimteziek

De misselijkheid en desoriëntatie die je voelt zijn als dat zinkende gevoel in je maag wanneer je auto een dip in de weg raakt of je ervaart een val in een achtbaanrit, alleen heb je dat gevoel een aantal dagen constant. Dit is het gevoel van ruimteziekte, of bewegingsziekte in de ruimte , die wordt veroorzaakt door tegenstrijdige informatie die uw hersenen ontvangen van uw ogen en de vestibulaire organen in uw binnenoor.

Je ogen kunnen zien welke kant op en neer gaat in de shuttle. Echter, omdat je vestibulaire systeem afhankelijk is van de neerwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht om je te vertellen welke kant omhoog of omlaag is en in welke richting je beweegt, het functioneert niet in microzwaartekracht. Dus je ogen kunnen je hersenen vertellen dat je ondersteboven bent, maar je hersenen ontvangen geen interpreteerbare input van je vestibulaire organen. Je verwarde brein produceert de misselijkheid en desoriëntatie, wat op zijn beurt kan leiden tot braken en verlies van eetlust. Gelukkig, na een paar dagen, je hersenen passen zich aan de situatie aan door uitsluitend te vertrouwen op de visuele input, en je begint je beter te voelen. NASA heeft medicatiepatches uitgegeven om astronauten te helpen met de misselijkheid om te gaan totdat hun lichaam zich aanpast.

Gezwollen gezicht en vogelpoten

In microzwaartekracht, je gezicht zal vol aanvoelen en je sinussen zullen verstopt aanvoelen, die kunnen bijdragen aan hoofdpijn en bewegingsziekte in de ruimte. Je voelt je op aarde hetzelfde als je voorover buigt of ondersteboven staat, omdat het bloed naar je hoofd stijgt.

Verschuivingen in uw bloed en lichaamsvloeistoffen

Op aarde, de zwaartekracht trekt aan je bloed, waardoor aanzienlijke volumes zich in de aderen van uw benen verzamelen. Zodra je microzwaartekracht tegenkomt, het bloed verschuift van je benen naar je borst en hoofd. Je gezicht heeft de neiging om gezwollen te worden en je sinussen zwellen op, zoals hieronder weergegeven. De fluid shift verkleint ook de omvang van je benen.

Wanneer het bloed naar de borst verschuift, uw hart wordt groter en pompt bij elke slag meer bloed rond. Uw nieren reageren op deze verhoogde bloedstroom door meer urine te produceren, net zoals ze doen nadat je een groot glas water hebt gedronken. Ook, de toename van bloed en vocht vermindert de secretie van antidiuretisch hormoon (ADH) door de hypofyse, waardoor je minder dorst krijgt. Daarom, je drinkt niet zoveel water als op aarde. Algemeen, deze twee factoren helpen je borst en hoofd van het overtollige vocht te ontdoen, en over een paar dagen de vloeistofniveaus van uw lichaam zijn lager dan op aarde. Hoewel je nog steeds een licht gezwollen hoofd en verstopte sinussen hebt, het is niet zo erg na de eerste paar dagen. Bij je terugkeer naar de aarde, de zwaartekracht trekt die vloeistoffen terug naar je benen en weg van je hoofd, waardoor u zich flauw zult voelen als u opstaat. Maar je gaat ook meer drinken, en uw vloeistofniveaus zullen binnen een paar dagen weer normaal worden.

Ruimte bloedarmoede

Omdat uw nieren het overtollige vocht afvoeren, ze verminderen ook hun secretie van erytropoëtine, een hormoon dat de aanmaak van rode bloedcellen door beenmergcellen stimuleert. De afname van de productie van rode bloedcellen komt overeen met de afname van het plasmavolume, zodat de hematocriet (percentage van het bloedvolume dat wordt ingenomen door rode bloedcellen) is hetzelfde als op aarde. Bij je terugkeer naar de aarde, uw erytropoëtinespiegels zullen toenemen, net als uw aantal rode bloedcellen.

Zwakke spieren

Als je in microzwaartekracht bent, je lichaam neemt een "foetale" houding aan - je hurkt een beetje, met je armen en benen half gebogen voor je. In deze positie, je gebruikt niet veel van je spieren, vooral die spieren die u helpen opstaan ​​en uw houding te behouden ( anti-zwaartekracht spieren ). Naarmate uw verblijf aan boord van het International Space Station langer wordt, je spieren veranderen. De massa van je spieren neemt af, wat bijdraagt ​​aan het uiterlijk van de "vogelpoot". De spiervezeltypes veranderen van slow-twitch naar fast-twitch. Je lichaam heeft geen langzame uithoudingsvezels meer nodig, zoals die worden gebruikt bij het staan. In plaats daarvan, er zijn meer fast-twitch-vezels nodig als je jezelf snel van het oppervlak van het ruimtestation afduwt. Hoe langer je op het station blijft, hoe minder spiermassa je hebt. Dit verlies van spiermassa maakt je zwakker, problemen opleveren voor langdurige ruimtevluchten en bij terugkeer naar huis naar de zwaartekracht van de aarde.

Broze botten

Op aarde, je botten ondersteunen het gewicht van je lichaam. De grootte en massa van uw botten worden gecompenseerd door de snelheid waarmee bepaalde botcellen ( osteoblasten ) leggen nieuwe mineraallagen en andere cellen aan ( osteoclasten ) kauwen die minerale lagen op. In microzwaartekracht, je botten hoeven je lichaam niet te ondersteunen, dus al je botten, vooral de gewichtdragende botten in uw heupen, dijen en onderrug, worden veel minder gebruikt dan op aarde. In deze botten, de snelheid waarmee uw osteoblasten nieuwe botlagen afzetten wordt verminderd (niemand weet precies waarom, hoewel men denkt dat veranderingen in kracht en stress op de een of andere manier betrokken zijn), terwijl de snelheid waarmee osteoclasten op bot kauwen hetzelfde blijft. Het resultaat is dat de grootte en massa van deze botten blijven afnemen zolang je in microzwaartekracht blijft, tegen een tarief van ongeveer 1 procent per maand. Deze veranderingen in botmassa maken je botten zwak en hebben meer kans om te breken als je terugkeert naar de zwaartekracht van de aarde. Het is niet bekend hoeveel van het botverlies kan worden hersteld bij terugkeer naar de aarde, hoewel het waarschijnlijk niet 100 procent is. Deze veranderingen in botten kunnen de duur van ruimtevluchten beperken. Meer onderzoek is nodig op dit gebied.

Naast zwakke botten, de calciumconcentratie in uw bloed neemt iets toe naarmate uw botten worden opgekauwd door osteoclasten. Uw nieren moeten het overtollige calcium kwijt, waardoor ze vatbaar zijn voor het vormen van pijnlijke nierstenen.

tegenmaatregelen

Wat kan er gedaan worden om u te helpen omgaan met de microzwaartekrachtomgeving? Met betrekking tot niet-levende dingen, elk object in de shuttle of het ruimtestation moet in kluisjes worden opgeborgen, vastgebonden of met klittenband aan de muur bevestigd.

Bijvoorbeeld, wanneer je een maaltijd eet in microzwaartekracht, je moet met voetsteunen aan de shuttle worden vastgehouden, en je eetblad zit met een riem aan je vast. Uw voedsel heeft de neiging om plakkerige of pasteuze vormen aan te nemen, zoals rijst of pindakaas, zodat het niet wegzweeft. Als je op een werkplek bent, je gebruikt riemen en voetsteunen om jezelf in bedwang te houden. Draagbare apparatuur, zoals een laptop, is vastgebonden aan u (zoals hierboven weergegeven), een uitrustingsrek of de muur van het ruimtevaartuig.

Wat betreft al deze veranderingen die zich in uw lichaam voordoen tijdens uw verblijf aan boord van het internationale ruimtestation, wat kun je doen om gezond te blijven, vooral bij uw terugkeer naar de aarde? Bedenk dat we voornamelijk met drie veranderingen te maken hebben:

  • Vloeistofverlies
  • Verlies van spierweefsel
  • Verlies van botmassa

Vloeistofverlies

Een tegenmaatregel om met vochtverlies om te gaan, is een apparaat genaamd onderlichaam negatieve druk (LBNP) , die een stofzuigerachtige zuigkracht onder je middel toepast om vloeistoffen in je benen te houden. Dit apparaat kan worden aangesloten op een trainingsapparaat, zoals een loopband. Je zou 30 minuten per dag in de LBNP kunnen doorbrengen om je bloedsomloop in bijna-aardse toestand te houden.

Test van LBNP-apparaat Foto met dank aan NASA

Ook, vlak voor je terugkeer naar de aarde, u kunt grote hoeveelheden water of elektrolytoplossingen drinken om de verloren vloeistof te helpen vervangen. Dit kan voorkomen dat u flauwvalt wanneer u opstaat en uit de shuttle stapt.

Verslechtering van spieren en botten

NASA en de Russische ruimtevaartorganisatie hebben ontdekt dat regelmatige lichaamsbeweging de beste manier is om het verlies van spier- en botmassa in de ruimte tot een minimum te beperken. Hiermee train je je spieren, voorkomt dat ze verslechteren en legt druk op uw botten om een ​​gevoel te produceren dat vergelijkbaar is met gewicht. U traint elke dag wel twee uur op verschillende machines (loopband, roeimachine, fiets). U moet tijdens het sporten worden vastgehouden, meestal door spanbanden, zoals bungeekoorden, die je aan de machine houden.

Er moet nog veel meer onderzoek worden gedaan om tegenmaatregelen te ontwikkelen tegen de veranderingen van het lichaam in microzwaartekracht. Dit onderzoek moet zowel op de grond als in de ruimte worden uitgevoerd - aan boord van het internationale ruimtestation - met zowel mensen als dieren. De resultaten van dergelijk onderzoek zullen de gezondheid van astronauten helpen verbeteren en de weg vrijmaken voor langdurige verkenning van de ruimte, zoals een reis naar Mars.

Hoe microzwaartekracht op aarde te simuleren

Hier zijn enkele menselijke en dierlijke modellen voor het simuleren en bestuderen van microzwaartekracht op aarde:

  • Kop naar beneden kantelen - Een persoon gaat op een bed liggen met het hoofd ongeveer vijf graden naar beneden gekanteld. De kanteling reproduceert de hoofdwaartse verschuiving van lichaamsvloeistoffen die worden aangetroffen bij microzwaartekracht. In aanvulling, gewichtdragende botten en spieren zullen niet worden gebruikt en zullen verslechteren of atrofiëren, zoals te zien is bij astronauten in microzwaartekracht.
  • Onderdompeling in het zwembad - Plaats een onderwerp voor langere tijd in een verwarmd zwembad met water. Het drijfvermogen van het water zorgt voor vloeistofverschuivingen en ontlast de gewichtdragende botten en spieren zoals bij microzwaartekracht.
  • Aan de staart hangende ratten - Ratten worden voor langere tijd met de kop naar beneden aan hun staart in kooien opgehangen. De kanteling reproduceert de hoofdwaartse verschuiving van vloeistoffen, en inactiviteit van de achterpoten reproduceert de achteruitgang van spieren en botten.
  • KC-135 ''Komeet Komeet'' - Berijd een vliegtuig door een reeks op en neer (parabolische) vliegroutes die bij elke piek korte perioden (30 seconden elk) van microzwaartekracht bereiken. NASA gebruikt deze techniek bij de opleiding van astronauten en heeft deze zelfs beschikbaar gesteld voor onderzoeksprojecten van studenten.
Lees verder

Hoe je positie en beweging voelt

Vestibulaire organen Foto met dank aan NASA

Oriëntatie en beweging worden waargenomen met behulp van de vestibulair systeem , die zich in het bovenste deel van het binnenoor bevindt.

Zo voelt het vestibulaire systeem: oriëntatie ten opzichte van de zwaartekracht :Het heeft otolitische organen die bevatten kristallen van calciumcarbonaat (krijt). De kristallen zijn bevestigd aan haarachtige sensorische zenuwcellen in verschillende oriëntaties (x-, y- en z-assen).

  1. Wanneer u uw hoofd in verschillende richtingen buigt (naar voren, achteruit, zijwaarts), zwaartekracht trekt aan de kristallen die in de richting van de trekkracht zijn georiënteerd.
  2. De aangetaste kristallen stimuleren de aangehechte haarcellen om zenuwimpulsen naar de hersenen te sturen.
  3. De hersenen interpreteren deze signalen om erachter te komen in welke richting het hoofd in de ruimte is georiënteerd.

Zo voelt het vestibulaire systeem: beweging :Er zijn er drie halfcirkelvormige kanalen voor het waarnemen van beweging, specifiek versnelling . Ze staan ​​haaks op elkaar, en elk is in een van de drie richtingen (x-, y- of z-as). Ze bevatten vloeistof genaamd endolymfe en haarachtige sensorische zenuwcellen .

  1. Terwijl je hoofd in een bepaalde richting versnelt, de endolymfe blijft achter vanwege zijn aanvankelijke weerstand tegen verandering in beweging ( luiheid ).
  2. De achterblijvende endolymfe stimuleert de juiste haarcellen om zenuwsignalen naar de hersenen te sturen.
  3. De hersenen interpreteren ze om erachter te komen in welke richting het hoofd is bewogen.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe ruimtepakken werken
  • Hoe het internationale ruimtestation werkt
  • Hoe Mars werkt
  • Hoe NASA werkt

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe maak je een glad endoplasmatisch reticulum uit klei
  2. Wat is ureum?
  3. Wat gebeurt er met een cel als deze geen DNA-chromosomen kopieert voordat deze zich deelt?
  4. Hormonen die calcium en fosfaat reguleren Homeostase
  5. Hoe hoog kan een boom worden?
  6. Waarom het de menselijke natuur is om onze instincten te negeren
  7. Hoe zijn cellen, weefsels en organen verwant?
  8. Vier belangrijke soorten chromosomen
  9. Soorten bacteriën in het bloed

Wetenschap