Max g sobrevive suspendido en el agua?

Ok, intentaré responder a mi propia pregunta lo mejor que pueda con la información conocida. (Suponemos que un poco de masa extra no es un problema en nuestro diseño porque tenemos una pistola de bobina muy barata para lanzar).

Una forma intuitiva, si simplificada, de comprender los problemas sería un globo lleno de agua:

1. Si se estira lo suficiente, las paredes del globo estallan, ya sea por la deformación del soporte o por la presión hidráulica o del peso del agua desde adentro.
2. Si lo sujetas con poco apoyo la presión del agua lo deforma.
3. Choque: si se producen diferencias de presión, compresión o g, podría generar calor o fuerzas de corte.
4. Las diferencias de peso entre los materiales se vuelven más pronunciadas con una g alta: el plástico más pesado se hundirá comprimiendo el globo a un plano plano con una g suficiente, incluso si el globo está flotando en el agua a su alrededor.
5. La presión ambiental puede afectar negativamente a algunos materiales. El plástico puede derretirse, pueden tener lugar reacciones químicas o el agua puede cambiar de fase a hielo sólido.

Ninguno de 3-5 fue un problema durante las pruebas de John Paul Stapp, que ahora he leído en detalle.

He clasificado del 1 al 5 arriba en orden de lo que nos mataría (o un globo primero). No. 5 no ocurriría a menos que hicieras el globo de espuma de poliestireno y/o alcanzaras una g increíble. Podemos ignorar eso.

No. 4. probablemente se convierta en un problema solo a 50-150+ g ya que el tórax humano se hundiría en los pulmones por su propio peso ya que el aire en los pulmones no ofrece soporte estructural. La suspensión líquida dentro de los pulmones ayudaría contra esto porque reduciría la diferencia de masa entre el espacio pulmonar y las costillas, probablemente empujando a nr. 4 como un problema muy por encima de 100 g. La densidad ósea es de 1,85 g/cm ^ 3, por lo que la suspensión de agua empujaría este límite, sea lo que sea, en un 117 % (1,85/0,85 = 217 %). Sabemos que Strapp no ​​tuvo ningún problema con esto con cerca de 50 g, por lo que, sin saber nada sobre la resistencia ósea u otros problemas similares, estimo este límite en 200-300 g con suspensión líquida pulmonar y 100-150 g sin ella.

No. 3 No lo veo como un problema. Esto se debe a que puede construir su pistola de bobina para acelerar lentamente, enfriar el líquido de suspensión, etc. Esto y, en general, una construcción cuidadosa deberían evitar golpes. También puede construir el "baño de lanzamiento" como una estructura giratoria para que siempre pueda enfrentar la aceleración de la manera más óptima. Además, unos 20 cm de agua en el fondo a 100 g solo alcanzarían una presión adicional de 2 bar (20 metros de agua dan 2 bar). Esto es bastante insignificante.

Esto nos lleva al nr. 2: De hecho, Strapp se rompió las costillas a unos 18 g con algunos arneses defectuosos cuando se enfrentaba a la aceleración/desaceleración. ¡Esto tiene mucho sentido ya que lo que parecen simples cinturones en sus imágenes habrían soportado 1,4 toneladas si pesara 80 kilos normalmente! Girando el asiento, mejores arneses o en nuestro caso la suspensión líquida nos lleva mucho más allá de los 50g. Si el líquido tiene la densidad exacta de la masa humana, solo las diferencias internas en la masa corporal/la incapacidad para comprimirse de manera uniforme/insignificante/sin daño tiene consecuencias.

Finalmente el gran asesino: Nr. 1. Strapp tuvo tanto desvanecimientos como desvanecimientos. El primero fue donde la sangre salió de sus ojos y el segundo donde la presión arterial reventó todas las venas de sus globos oculares. Volviendo al ejemplo del globo, sería como sostener un globo pesado lleno de agua sin nada que lo sostenga: la presión haría que las paredes explotaran.

La suspensión de agua puede ayudar aquí hasta cierto punto, pero no conozco los límites: los globos oculares estarían presurizados, la mayor parte de la masa corporal, pero el cráneo puede evitar que partes/todo el cerebro esté completamente presurizado, ya que los fluidos corporales no pueden muévalo sin restricciones y no se flexionará, especialmente al inicio de una aceleración rápida. Esta baja presión en la parte posterior del cráneo podría significar que las venas revientan dentro del cerebro y cualquier otra parte del cuerpo que no sea capaz de "transmitir" la presión sin desgarrarse.

Sin embargo, SABEMOS que los trajes g de agua existen y funcionan . Parece que estos trajes no usan hidráulica, sino el agua misma. Nuestra suspensión de agua debería funcionar aún mejor. Además, se usan en posición sentada, una posición MUCHO más vulnerable a la fuerza g.

Dado que Strapp, por lo que puedo decir, NO usó traje de presión y aun así tomó estas fuerzas asombrosas (25 g durante 1,1 segundos con un pico de 46,2 g) y salió ileso (sus ojos sanaron casi por completo en pocos días sin cirugía) yo tener que asumir la asistencia de presión, ya sea por suspensión de agua o un traje G, sería de gran ayuda. Creo que si vas lentamente a g alta desde g baja y dejas que el gradiente de presión creado por la cuenca se "asiente" en los órganos y fluidos del cuerpo, podrías lidiar con este problema.

Sin embargo, al salir de la boca de la pistola de bobina, las áreas de alta presión dentro de su cuerpo repentinamente no tendrían nada que presionar, nuevamente creando un potencial de explosión, aunque menor y de menor duración. Yo contrarrestaría esto aumentando artificialmente la presión ambiental en el baño al dejar la boca del cañón para disminuir el impacto.

Puede contrarrestar esto deteniendo la aceleración lentamente, pero esa no es realmente una opción con un diseño de pistola de bobina realista.

Con esto en mente, el choque de presión de pasar de 100 g a 0 g, es decir. 3 barras en las partes más bajas de su cuerpo a 1 barra en la parte superior de su cuerpo sin tiempo para igualar es probablemente el límite. Strapp experimentó algo como esto con solo 25 g, pero durante mucho más tiempo, es decir. diferencia de presión constante de ~0,5 bar en las venas de su globo ocular durante 1,1 segundos SIN presión de contrapartida dinámica.

Entonces, basándome en conjeturas, estas divagaciones, los números anteriores, el hecho de que Strapp estaba completamente bien y murió a los 89 años y que se dice que los humanos sobreviven picos breves de 1000 g. Diría que la suspensión líquida respirable podría permitir a los astronautas lanzarse a 100 g desde una pistola de bobina y estar bien en un 99,9 % después de descansar en una cámara hiperbárica/ver a un médico.

Curiosamente, una aceleración de 50 g a una velocidad de órbita terrestre baja (7,8 km/s) usaría un tubo de lanzamiento de 62 km de largo, de los cuales 1,9 km podrían ser horizontales en el suelo y los otros 60 km tendrían que estar en el aire suspendidos con globos de gas El tubo de lanzamiento se curvaría a medida que cambiara el vector de velocidad y saldría a unos 40-45 km de altura, donde la influencia atmosférica sería del 1% o menos (todavía se necesita el escudo térmico de salida). El lanzamiento tardaría 15,9 segundos. Si el acelerador está todo/en su mayoría en el suelo y solo la suspensión de levitación magnética dentro del tubo de aire, los astronautas enfrentarían algunos g por más tiempo para pagar costos de construcción más baratos. No estoy seguro de cuánto tiempo más/a qué g sería el viaje en tubo en el aire.

Un gran problema con las fuerzas G es la forma en que afecta el flujo sanguíneo. A altas aceleraciones, el corazón es incapaz de bombear la sangre 'cuesta arriba'. En los aviones, esto conduce a apagones de alrededor de 9 G. Tener el vector de aceleración hacia la parte posterior en lugar de los pies mitiga esto, pero aún tendrá un gradiente de suministro de sangre sobre su cuerpo. Sobrevivir a esto por un segundo es factible, pero tener partes del cuerpo sin suficiente sangre por un minuto dará problemas.

Un traje G como el que usan los pilotos muestra que una fuerza externa en el cuerpo puede ayudar un poco con esto: constriñe los vasos sanguíneos de la parte inferior del cuerpo, haciendo que haya más sangre disponible en las regiones superiores. Esto funciona porque los pilotos experimentan fuerzas G hacia sus pies. Las piernas tienen mucha superficie en relación con su volumen y las arterias principales están cerca de la superficie.

Si la sangre se acumula alrededor de la columna vertebral y en la parte posterior de la cabeza, agregar presión en la superficie no ayudará a que la sangre "suba".

(Después de haberlo pensado un poco más, tengo que volver a escribir esta parte de mi respuesta, mi suposición inicial era incorrecta).

Un cuerpo suspendido en el agua debe tener suficiente flotabilidad para flotar. Si no eres lo suficientemente flotante, te hundirás hacia el 'fondo' del contenedor con la aceleración y, finalmente, te apoyará una superficie sólida en lugar de agua. Si eres lo suficientemente flotante como para flotar, te mantendrás a flote con la aceleración.

Cualquier agua sobre el cuerpo agregará presión: una capa de agua de 10 cm a 50 g se sentirá como 50 kg/dm^2; eso no es saludable

Un cuerpo casi sumergido en agua es sostenido por el agua, lo que ayuda a mitigar algunos de los efectos de la fuerza G.

Del artículo de Wikipedia sobre respiración líquida :

La protección contra la aceleración por inmersión en líquido está limitada por la densidad diferencial de los tejidos corporales y el líquido de inmersión, lo que limita la utilidad de este método a alrededor de 15 a 20 G. Extender la protección contra la aceleración más allá de los 20 G requiere llenar los pulmones con un líquido de densidad similar al agua. Un astronauta totalmente sumergido en líquido, con líquido dentro de todas las cavidades del cuerpo, sentirá poco efecto de las fuerzas G extremas porque las fuerzas sobre un líquido se distribuyen por igual y en todas las direcciones simultáneamente. Sin embargo, los efectos se sentirán debido a las diferencias de densidad entre los diferentes tejidos del cuerpo, por lo que todavía existe un límite superior de aceleración.

Es posible que la respiración líquida para la protección contra la aceleración nunca sea práctica debido a la dificultad de encontrar un medio de respiración adecuado de densidad similar al agua que sea compatible con el tejido pulmonar. Los fluidos de perfluorocarbono son dos veces más densos que el agua, por lo que no son adecuados para esta aplicación.

Fuente original: Guyton, Arthur C. (1986). Libro de texto de fisiología médica, séptima edición, fisiología de la aviación, el espacio y el buceo en aguas profundas. Compañía WB Saunders. pags. 533.

Esto ignora el hecho de que los pulmones no son la única cavidad llena de aire en el cuerpo humano. Todas las cavidades tendrían que llenarse con líquido para evitar el colapso.

Todo esto solo funciona si la aceleración se limita a una sola dirección. Un tubo de lanzamiento curvo agregaría una fuerza de aceleración centrípeta, contra la cual el agua no ayudaría. Te estrellarías contra el costado del contenedor.

PD : este artículo tiene mucha información sobre los efectos de la carga G en el cuerpo humano.

1: la parte inferior y superior son relativas a la dirección de la fuerza de aceleración.

He pensado en esto yo mismo y también me he preguntado, ¿puedes engañar a g si estás suspendido en un líquido mayormente no comprimible que te mantiene en 0 flotabilidad (o cerca de eso, el agua funcionará bien). Por supuesto, habrá espacios huecos como sus pulmones, pero hipotéticamente podría soportar una carga g sustancialmente mayor si funcionara.

No recomiendo hacer esto, pero imagina tener un pez dorado en una pecera atado de forma segura a una cuerda, y lo balanceas, ¿experimentaría el pez dorado mucho más que 0 g? Corrígeme si me equivoco, pero la respuesta sería no, porque la fuerza la paga el fondo del contenedor y la cuerda que lo sostiene, pero no su ocupante (a menos, por supuesto, que ocurra un accidente).

Realmente no veo qué es tan difícil aquí. Si pones un montón de fuerzas g en el agua, lo único que sucederá es un aumento en la presión del agua. Si te sumerges en esa agua a presión, dado que estás hecho principalmente de agua, solo experimentarías lo que experimentan los buzos: tus pulmones y otras cavidades colapsarían. Sin embargo, si empuja aire con la misma presión (ecualización), no sucede nada. Pregúntale a cualquier buzo, eso es exactamente lo que hacen. Sí, su cuerpo no está completamente hecho del mismo material, por lo que esperaría algún límite de g. Pero será muy muy alto, especialmente por un corto tiempo. Esto realmente debería ser probado.

Volviendo al tubo de lanzamiento (tranvía estelar): ¡el peso adicional en realidad ayudaría a que el módulo no desacelere! Y con cualquier nave espacial que se esté construyendo, la masa adicional sería bienvenida (blindaje de plomo, agua, combustible). Ganar-ganar!