¿Cómo giran los astronautas en el espacio?

Este video publicado en YouTube en Zero-G: "Movimiento en microgravedad: Skylab al transbordador espacial" 1988 Imágenes de ingravidez de la NASA , a partir de las 2:10, muestra a un astronauta del Skylab haciendo un giro frontal y un giro en espiral en el taller orbital Skylab. sin tocar nada contra lo que empujar para cambiar su orientación. Y el mismo video de 5:45 a 6:00 muestra a los astronautas moviéndose de una dirección a otra para prestar atención (¡video divertido!):

Como verás en él, los astronautas hicieron todo tipo de acrobacias de gravedad cero/microgravedad como esa, aquí hay una fotografía tan divertida:

    ^{El astronauta Gerald P. Carr, comandante de la misión Skylab 4, demuestra en broma el entrenamiento con pesas en gravedad cero mientras
    equilibra al astronauta William R. Pogue, piloto, boca abajo sobre su dedo. (Fuente: Wikimedia Commons )}

También he visto con frecuencia a los astronautas de la Estación Espacial Internacional (ISS) usar ese movimiento para cambiar su orientación en la estación, por ejemplo, viendo Space Station Live o grabaciones de video en YouTube , aunque en su mayoría primero empujarían contra alguna superficie para ganar velocidad hacia su próximo destino. Estos movimientos no serían muy diferentes a los que hacen los nadadores en un giro en una piscina, o como se mencionó anteriormente, un gato que cae y se reorienta para aterrizar sobre sus pies. Para una demostración más directa, aquí hay un video Smarter Every Day #85 sobre cómo los astronautas giran en el espacio de marzo de 2013 con la tripulación de la ISS demostrando el cambio de orientación sin tocar nada y, por supuesto, preservando el momento angular:

Sin embargo, durante la actividad extravehicular (EVA), dudo que tengan mucha necesidad de tales acrobacias, o que sean una hazaña fácil de hacer después de ponerse su equipo EVA, con unidades de movilidad (la última es Ayuda simplificada para rescate EVA o SAFER) perjudicando un poco su capacidad para cambiar de orientación de esa manera, prohibiendo la flexión libre del cuerpo, y al mismo tiempo haciéndolos innecesarios, ya que el cambio de orientación puede ser proporcionado por la propia unidad de movilidad, si no hay ninguna superficie contra la que empujar. .

Los astronautas ahora también están atados a la estación espacial y se usan en las empuñaduras de seguridad montadas en el casco exterior de la estación durante EVA, por lo que dicho movimiento no solo sería engorroso debido a su traje EVA, sino que podría resultar en que el astronauta se enrede en la correa. En la segunda mitad de esta respuesta se describe algo más sobre las unidades de propulsión y movilidad de los astronautas .

   ^{El astronauta Rick Mastracchio trabajando con un sistema SAFER adjunto. (Fuente: Wikipedia en SAFER: Ayuda simplificada para rescate EVA )}

En la propia ISS, los astronautas usan puntos de apoyo para los pies para fijarse en un lugar de trabajo para que su propio movimiento corporal no los mueva continuamente, y empujan contra todo tipo de superficies con los pies y las manos (y, a veces, por diversión, incluso propinas). de su cabello, como creo que Sunita Williams hizo primero) para atravesar la estación. Para algunos ejemplos, recomiendo ver algún video tour de la ISS, como por ejemplo este de Sunita Williams , o un tour de la ISS de André Kuipers . Robonaut 2 también utilizará puntos de apoyo una vez que se ponga en marcha, lo que creo que debería ser este mes o, a más tardar, en enero de 2014.

   ^{Uno de los puntos de apoyo de la Estación Espacial Internacional. (Fuente: Fantasma en la máquina en la plataforma de observación )}

Aunque esto de hecho ha "funcionado en pedazos" en Physics y otros sitios de SE, vale la pena mirar, por el bien de Space Exploration, la interesante historia detrás del análisis del gato que cae. Porque la descripción totalmente rigurosa del reflejo de enderezamiento del gato, perfectamente acorde con la conservación del momento angular, solo se produjo porque fue impulsada precisamente por una investigación realizada a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960 sobre cómo el cuerpo humano se relacionaría con el medio ambiente . se reunió en el espacio exterior .

El investigador principal aquí fue el profesor Thomas Kane, quien

1. Encontró las ecuaciones teóricas correctas que describen el cambio de orientación del gato en respuesta a su "cambio de forma" durante el reflejo de enderezamiento;
2. Experimentalmente demostró que los humanos podían , con algo de entrenamiento, hacer los movimientos reflejos de enderezamiento y voltearse exactamente como un gato .

La referencia principal aquí es:

TR Kane y MP Scher, "Una explicación dinámica del fenómeno del gato que cae", Int. J. Sólidos y Estructuras, 5, pp663-670, 1969

De hecho, Thomas Kane entrenó a personas para hacer esto en 1968 en trajes espaciales Apolo, como se muestra a continuación.

La secuencia del gato cayendo a la izquierda fue tomada del trabajo del fisiólogo Étienne-Jules Marey (1830-1904) (famoso por el desarrollo de la fotografía en movimiento para el estudio de movimientos de alta velocidad); la de la derecha fue tomada durante los experimentos de Thomas Kane en 1968 con un trampolinista en un traje espacial tipo Apolo. Étienne-Jules Marey fue un fisiólogo que realizó algunas de las pocas investigaciones serias sobre el reflejo de enderezamiento del gato antes de que el espacio exterior impulsara la investigación de Thomas Kane. Marey, a diferencia de muchos de sus contemporáneos, entendió claramente que el movimiento del gato era libre de torsión (ver nota al pie) y, de hecho, usó su fotografía para descartar una teoría común de que el gato empuja cualquier cosa de la que cae. El collage fue tomado de

Alexis C. Madrigal, “Video: Deduciendo la física de cómo caen los gatos“, The Atlantic Magazine, 9 de septiembre de 2011

Ahora para aclarar algunos conceptos erróneos populares sobre el reflejo de enderezamiento del gato, particularmente aplicado a los astronautas.

El movimiento de vuelco no es particularmente pesado o torpe para los humanos, como lo demostraron los experimentos de Thomas Kane. Es muy parecido a un movimiento de hula hoop. De acuerdo, mis habilidades CGI son una mierda: esta es la mejor animación de gatos que puedo hacer con sólidos básicos en Mathematica, pero este movimiento te hará rodar en el espacio, ya seas gato o humano, con o sin cola.

Las únicas diferencias entre el gato y el ser humano para este movimiento son (1) la columna vertebral del gato es mucho más flexible que la nuestra, por lo que el gato puede hacer la voltereta en menos ciclos de "hula hoop" y (2) la exquisita sensibilidad del gato. sistema vestibular y reflejos rápidos como el rayo en comparación con los nuestros. El punto (2) es irrelevante cuando uno está haciendo una rotación planificada en un estado de caída libre (sin gravedad) en el espacio, en lugar de darse la vuelta en un tiempo limitado mientras uno cae.

Otro concepto erróneo común es que el gato necesita que su cola se voltee: esto está mal, como lo demuestran los experimentos de Thomas Kane que muestran que los humanos sin cola pueden hacer el movimiento de enderezamiento. De hecho, para nuestros gatos domésticos, la cola en realidad no se usa mucho para el reflejo. Cito aquí mi propia evidencia de observación sólida: mi propio gato ha estado sin cola desde que fue atropellada por un automóvil en 2004 y no tiene ninguna dificultad para enderezarse cuando se cae de las cosas, lo que sucede a menudo debido a su naturaleza un tanto torpe. – por lo general, cuando se queda dormida con la cabeza demasiado inclinada sobre el borde de nuestra cama. A pesar de que tiene doce años, se las arregla para levantarse y hacer el reflejo de enderezamiento en el tiempo que tarda en caer al suelo unos 40 cm desde nuestra cama. Además, justo después del momento en que tuvo el accidente, La vi hacer el reflejo de enderezarse para quedarse dormida de esta manera cuando apenas se había curado lo suficiente como para caminar correctamente. Así que parecería que necesitaba muy poco "reentrenamiento" para adaptarse a su nueva falta de cola. Esto también surge de un análisis teórico, como muestro en mi artículo citado a continuación. De hecho, el análisis del siguiente video de Wikipedia, que muestra la suma del triángulo isósceles de los dos vectores de momento angular, es válido solo para un gato "simétrico" (debido a la forma isósceles del diagrama de suma vectorial) sin cola (es decir , un gato cuya mitad trasera tiene el mismo tensor de inercia sobre el origen que la mitad delantera).

(Fuente: página de Wikipedia "Reflejo de enderezamiento del gato" )

Algunos gatos salvajes, en particular el leopardo nublado asiático y el gato jaspeado asiático, tienen colas enormes, mucho más parecidas a un garrote que la cola elegante y delgada (y con un momento de inercia de masa muy pequeño) del gato doméstico (Felis Sylvestris) y esto es realmente muy se usa mucho para controlar la orientación del animal en el espacio, pero la cola permite que el animal se reoriente libremente en los tres ejes , es decir , puede cabecear y guiñar, así como rodar a voluntad, en contraste con simplemente voltearse en el reflejo de enderezamiento del gato, que es esencialmente un movimiento de un eje. Esta es una habilidad útil para los depredadores que viven en los árboles, ya que saltan de un árbol a otro y también bombardean con precisión a sus presas.

Discuto todo esto con mucho más detalle en mi artículo (incluido el análisis de gatos "simétricos" (sin cola) en mi sitio web:

"De los gatos y su más maravilloso reflejo de enderezamiento"

Nota al pie: La fuente principal de los estudios de Marey de 1894 es la siguiente:

Étienne-Jules Marey, “Des mouvements que ciertos animaux exécuent pour retomber sur leurs pieds, lorsqu'ils sont précipités d'un lieu élevé“, La Nature, 1119, 10 de noviembre de 1894

Cerca del final de este artículo, hace la siguiente declaración definitiva (traducción mía, así que disculpas a los francófonos): " En primer lugar, la inspección de estas figuras [fotos de gatos que caen] descarta la noción de que el animal imparte un movimiento de rotación sobre sí mismo empujándose contra las manos del experimentador [Esta conclusión se sigue] porque los primeros fotogramas de las dos series [de fotos de un gato que cae] muestran que en los primeros instantes de su caída, el gato aún no tiene tendencia girar de un lado ni del otro. Su rotación sólo comienza con la torsión de su cintura " .

La conservación del momento angular se aplicaría si el astronauta fuera una varilla fija. Que en una primera aproximación podrían ser.

Sin embargo, dado que pueden rotar su cuerpo, de manera similar a como un gato que cae puede rotar para aterrizar con los pies hacia abajo, pueden rotar su mitad superior, mientras intentan mantener la mitad inferior quieta, y cuando capturan algún punto estacionario, entonces liberan el impulso. a la mitad inferior.

Y si nunca capturan nada estacionario, entonces todos los giros del mundo son solo silbidos en el viento. Esto, por supuesto, está dentro del vehículo. Si estuvieran afuera, esto es un silbido en el vacío.

Mientras están fuera del vehículo, SIEMPRE están sujetos a algo. ( MMU en uno o dos vuelos de transporte son las excepciones que hacen la regla. Dejaron de usarlos después de algunos usos). Dejar ir es una idea horriblemente mala mientras estás en EVA. También se sujetan mediante un cable. (Está el pod más SEGURO que usan, que son como MMU de bebé de bajo rendimiento para un vuelo de emergencia si se desconectan).