¿Puede la fuerza centrífuga realmente superar los problemas de salud de la microgravedad?

Primero, quiero dejar de lado que el principio de equivalencia , que está bien respaldado por la experimentación, sostiene que la gravedad y la aceleración son lo mismo: la "pseudo" gravedad causada por la aceleración es equivalente a la gravedad "real". Entonces, no hay diferencia física entre caminar en una nave espacial que acelera a 9.81 m/s ² y caminar sobre la superficie de la Tierra. Por lo tanto, no puede haber diferencia en los efectos biológicos. El cuerpo no puede saber la diferencia.

Pero preguntaste sobre una estación espacial giratoria. Una estación giratoria no es exactamente lo mismo que una nave espacial que acelera uniformemente. En una estación giratoria, se aplica constantemente una aceleración centrípeta para seguir girando alrededor del círculo. En el marco de referencia giratorio , esta aceleración centrípeta aparece como fuerza centrífuga, que actúa como reemplazo de la gravedad. Por el principio de equivalencia, el efecto de la aceleración centrípeta (o fuerza centrífuga) es idéntico a una fuerza gravitacional. Sin embargo, la aceleración centrípeta necesaria para mantenerte en un círculo depende de tu distancia al eje de rotación. Debido a esto, cualquier movimiento que cambie su distancia desde el eje (digamos, agacharse) resultará en la observación de la fuerza de Coriolis .en el marco giratorio. Para las estaciones espaciales giratorias pequeñas, la fuerza de Coriolis causará mareos, mareos y trayectorias extrañas para los objetos que se dejan caer y se lanzan (presuntamente afectando al cilindro de béisbol de O'Neill).

La única diferencia física entre el cilindro giratorio y la gravedad real es el efecto Coriolis. Entonces, cualquier diferencia biológica entre la gravedad real y la gravedad artificial debe ser causada por el efecto Coriolis. (Supongo que la velocidad de rotación del cilindro es casi uniforme, por lo que la fuerza de Euler es casi cero).

La aceleración de Coriolis depende únicamente de la velocidad de rotación del cilindro y de su velocidad,$\mathbf{a_\mathrm{Coriolis}}=2 \mathbf{v} \times \mathbf{\Omega}$, donde$\mathbf{\Omega}$es la velocidad angular. Por otro lado, a medida que el radio de su cilindro aumenta, la velocidad de rotación requerida para alcanzar la gravedad artificial similar a la de la Tierra se reduce, porque la aceleración aparente es$|a_\mathrm{centrifugal}| = \omega^2 r$, donde$r$es el radio del cilindro. Así, cuanto mayor sea el radio del cilindro, menor será el efecto Coriolis para una aceleración centrífuga fija (por ejemplo, 9,81 m/s ² ).

La cuestión de qué tan grande debe ser el cilindro para no causar mareos se ha abordado en WorldBuilding . Parece que debe tener al menos unos cientos de metros de radio para una aceleración de 1 g. Puede haber otros efectos biológicos sutiles en los efectos de Coriolis más pequeños que aún no conocemos, pero nuestros cuerpos están hechos para moverse, por lo que en algún momento los pequeños efectos de Coriolis deben volverse insignificantes. A medida que aumenta el tamaño del cilindro, la gravedad "artificial" se acerca cada vez más a ser físicamente equivalente a la gravedad de la Tierra. De hecho, la Tierra misma tiene cierta aceleración de Coriolis debido a$\Omega = 2 \pi / \mathrm{day}$.

Theodore Hall proporciona una buena discusión sobre el tema de la gravedad artificial.

Editar: como señaló BlueCoder, el gradiente del campo gravitatorio efectivo de una estructura giratoria en la escala de un kilómetro sería significativamente mayor que en la Tierra y también podría ser perceptible. Esto se describe en el enlace Theodore Hall anterior como un "gradiente de aceleración de pies a cabeza". Un gradiente demasiado grande da "sensaciones de pesadez en los pies y ligereza en la cabeza". Para una aceleración gravitatoria efectiva fija, este gradiente sería inversamente proporcional al radio del suelo del hábitat.