Si el viaje espacial humano está limitado por la vulnerabilidad de la fuerza G, ¿hay alguna forma de contrarrestar las fuerzas G?

Leí en alguna parte que la fisiología humana no tolera las fuerzas G prolongadas (incluso 2 G) y que, en última instancia, esto limita nuestra capacidad para sostener los viajes espaciales. ¿Hay alguna táctica para reducir el estrés de la fuerza G en el cuerpo?

ingrese la descripción de la imagen aquíG-Force numerado https://www.newscientist.com/article/mg20627562-200-maxed-out-how-many-gs-can-you-pull/

La primera parte de eso puede ser cierta (que las fuerzas G sostenidas te matan), aunque esta sería una mejor pregunta si pudieras dar tu fuente. Por otro lado, los cohetes actuales solo pueden mantener ese tipo de aceleración durante unos minutos, por lo que no es realmente un problema. El alcance de los posibles viajes espaciales aumentaría enormemente si pudiéramos mantener 1G durante horas o días (o incluso años) y solo una vez que se logre, tendría mucho sentido analizar los problemas con el mantenimiento de 2G.
Lo que dijo Steve. El viaje espacial humano no está limitado por la vulnerabilidad de la fuerza G, excepto durante el lanzamiento y el aterrizaje. Pero una vez que estás fuera de la atmósfera, el combustible es tan valioso que usamos las aceleraciones más suaves y eficientes que funcionen, e incluso esas aceleraciones son solo momentáneas.
Las fuerzas G prolongadas, incluso 2 G o menos, solo podrían producirse en una centrífuga en la Tierra. Los cohetes en el espacio están limitados a unos pocos minutos. No hay tecnología disponible para una duración de horas o días. Pero una aceleración constante de 1 G no limitaría nuestra capacidad para sostener viajes espaciales mucho más que 2 G. Ambos son pura ciencia ficción hoy en día.
Tiempos de ida y vuelta a 1 g, incluido el tiempo subjetivo para un viajero relativista upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Roundtriptimes.png
Supongo que obtuviste esta noción de Phil Plait (también conocido como The Bad Astronomer). Pues en este caso se ganó su apodo. Phil fue muy criticado en su propio foro . Por extraño que parezca, no puedo encontrar la física destrozada de Phil en YouTube.
Solo señalar que todos los humanos en el planeta están bajo una aceleración constante de 1G todo el tiempo. Si tuviéramos una manera de propulsar una nave a 1G, sería como estar de pie en la Tierra, solo debemos asegurarnos de que las cosas estén orientadas de la manera correcta para la comodidad/función.
¡Hay evidencia excelente de que 1G sostenido eventualmente te matará, dado que todos los que han muerto alguna vez han muerto bajo los efectos de la gravedad de la Tierra!
¡Sí lo hay, como se ve en Galaxy Quest! i.stack.imgur.com/b3kQr.gif
Aquí está la cosa. Solo experimentas G-Force cuando estás en una nave que está en constante aceleración. La clave es la energía. Si encontramos un sistema que nos permita viajar más lejos en base a la energía. Podemos llegar a Marte o incluso al borde de nuestro sistema solar en cuestión de semanas. La clave es la ráfaga de intervalo de aceleración cada hora. posiblemente 10 segundos de 2g por hora. Por ejemplo. Si un barco hizo 20 de 2 g en 2 horas. Su tasa de velocidad sería de 880 millas por hora en el espacio porque nada los está frenando. Además, no experimentarás la Fuerza G porque tu nave está acelerando a un ritmo constante.
Lo que significa que siempre que la nave se mueva a una velocidad constante la mayor parte del tiempo, no importa cuántas veces explotes a 2 g por segundo. Este fue todo el plan detrás del Proyecto de la Constelación de Orión. La NASA iba a usar bombas nucleares para hacer estallar la nave a 1 o 2 g cada hora o tener otro día para aumentar la aceleración por hora sin matar a los astronautas. Esto daría lugar a una aceleración exponencial en cuestión de horas.

Respuestas (5)

El problema no es tanto que los humanos no puedan soportar altas fuerzas G durante un período de tiempo prolongado: el problema es que los cohetes no pueden. Si un cohete pudiera soportar una aceleración de 1 g durante poco más de un día, podríamos ir a Marte en poco más de un día. En cambio, lleva varios meses llegar a Marte porque los cohetes solían llegar allí solo disparando durante unos minutos. Luego, la nave espacial navega hasta Marte. Solo unas pocas centésimas de g de aceleración sostenida reducirían el tiempo de viaje a Marte a una semana más o menos.

Los motores químicos que se utilizan actualmente para propulsar naves espaciales en trayectorias interplanetarias, junto con la tiranía de la ecuación de los cohetes, son las razones clave por las que los cohetes no pueden soportar altas aceleraciones durante un período de tiempo prolongado. Existen algunas tecnologías prometedoras de bajo empuje/alta eficiencia (alto impulso específico), como los propulsores iónicos , que podrían ayudar a los humanos a ir más allá de la Luna. Los propulsores de iones están en uso ahora, pero ninguno está listo para el horario de máxima audiencia cuando se trata de vuelos espaciales tripulados. Hay algunas tecnologías nucleares prometedoras de alto empuje/algo de alto impulso específico que podrían ser útiles; estos están sumidos en la política.

Aparte de la ciencia ficción, no existe ninguna tecnología conocida que pueda llevar a los humanos más allá del sistema solar.

No estoy de acuerdo con su última oración, tenemos la tecnología para llevar a los humanos más allá del sistema solar. Llegar allí y regresar en una sola vida humana sería una pregunta/respuesta totalmente diferente. +1 por el resto de la respuesta
Interesante, siempre pensé que navegamos por inercia en un esfuerzo por conservar combustible y reducir el peso de despegue. El empuje continuo solo nos llevaría a una velocidad "máxima", en la que la aceleración no sería sostenida sino que disminuiría a medida que nos acercáramos al máximo. Piensa en volar en un avión, en el despegue sientes la aceleración, pero una vez que estás navegando, los motores siguen produciendo empuje, pero no estás acelerando exactamente. Incluso estando en el vacío del espacio, no vas a acelerar a la velocidad de la luz y más allá (con la tecnología que actualmente sabemos que existe).
@davek Su velocidad máxima es la velocidad de la luz, aunque a medida que nos acercamos a ella, la energía requerida para acelerar aún más sube de manera constante. Por lo tanto, su premisa básica es sólida pero no es relevante hasta que estemos trabajando en fracciones muy grandes de C, o nunca un problema en todo, con la tecnología actual.
@davek, dejas de acelerar en un avión porque el arrastre de la resistencia del aire es igual y opuesto al empuje de los motores a cierta velocidad, dado que no hay aire en el espacio, básicamente no hay nada que te impida acelerar más hasta que te acerques a la velocidad de la luz. y los efectos relativistas se vuelven significativos
Entrar en órbita sería un poco más eficiente con aceleraciones más altas: como estimación aproximada, cada segundo que pasa acelerando hacia la velocidad orbital le cuesta 10 m/s en arrastre de gravedad.
@llama - Bueno, nada más que el hecho de que definitivamente te quedarías sin combustible mucho antes de acercarte a velocidades relativistas...
@Mark Tenga en cuenta que si supera la velocidad terminal, termina siendo menos eficiente porque está quemando combustible adicional al luchar contra la resistencia atmosférica excesiva, pero esto rara vez es un problema real
"Hay algunas tecnologías prometedoras de bajo empuje/alta eficiencia (alto impulso específico)..." ¿Podría nombrar una o dos en su respuesta, solo para dar una idea de cuáles estamos hablando?
@ jpmc26: me refería a los propulsores de iones. El problema es que actualmente tienen un empuje tan bajo que la masa de humanos y los sistemas de soporte vital necesarios para alimentarlos requerirían cantidades ridículamente grandes de energía eléctrica, lo que implicaría aún más masa. Los propulsores de iones son ideales para satélites geosincrónicos y sondas pequeñas para los asteroides. Todavía no están listos para los vuelos espaciales tripulados.
"Si un cohete pudiera soportar una aceleración de 1 g durante un poco más de un día, podríamos ir a Marte en un poco más de un día". visite fácilmente la estrella más cercana y regrese en una sola vida.
Aunque la respuesta es correcta, no responde a la pregunta. Sí, la pregunta se refiere a algo que no es un problema práctico en el futuro previsible, pero sigue siendo una pregunta clara.
@Saiboogu E incluso eso solo es cierto para un observador del "exterior" (por ejemplo, su planeta de origen o destino). Mientras siga acelerando, el viaje tomará menos tiempo proporcionalmente; la única diferencia es que tendrá menos acuerdo con los demás sobre cuánto tiempo tomó el viaje.
FTR, en principio , los cohetes podrían soportar altas fuerzas g muy bien, el problema es que se vuelven exponencialmente caros.
@llama El ejemplo del avión fue para demostrar las fuerzas g. Incluso sin la resistencia del aire, no puede simplemente aumentar continuamente la velocidad. Vea esta cita de la NASA: "Los propulsores de iones modernos son capaces de propulsar una nave espacial a una velocidad de hasta 90 000 metros por segundo (alrededor de 200 000 millas por hora (mph))". Una vez que llegue a esta velocidad, los intentos adicionales de acelerar no producirán más velocidad, esa es la velocidad máxima posible actual para ese propulsor. Fuente: grc.nasa.gov/www/ion/overview/overview.htm
@davek La fuente debe estar haciendo alguna suposición sobre la cantidad de masa de reacción con la que puede o está dispuesto a comenzar. Un motor de iones es, de hecho, un cohete como cualquier otro, solo uno con una velocidad de escape muy alta. Acelerar a 90 km/s con los impulsores de iones actuales implicaría que aproximadamente el 90 % de la masa inicial de la nave espacial fuera masa de reacción, pero si de alguna manera pudieras comenzar con el 99 % de la masa de reacción, podrías alcanzar los 180 km/s.
@davek Esa fuente asume absolutamente la cantidad limitada de masa que podemos transportar en combustible (gas inerte). Suponiendo que nuestro suministro de argón fuera ilimitado, podríamos acelerar fácilmente hasta experimentar efectos relativistas.
@aroth Si mantiene una aceleración de 1 g durante un año, no estaría viajando a la velocidad de la luz. Puedes alcanzar el 90 o el 99 o el 99,9 o el 99,99 % de la velocidad de la luz, pero nunca llegarás al 100 %. Pero cuando viajas al 90 % o más, golpear el polvo interestelar puede destruir tu nave estelar.
Técnicamente, sí. Aunque asumo que si tenemos motores que pueden soportar un empuje constante de 1 g durante un año o más, incluso cuando la velocidad sube muy cerca de C , también podemos tener cosas como escudos deflectores o algunas otras medidas de reducción de polvo. Quizás aprovechar la energía de las colisiones de polvo a alta velocidad es parte de cómo el motor hipotético genera su poder. :)
@aroth Hay un par de razones por las que no es factible. Primero, mantener una aceleración constante de 1G en el marco de referencia del sistema solar requeriría una cantidad cada vez mayor de aceleración en el marco de referencia de la nave espacial, alcanzando eventualmente un nivel de fuerzas G que los humanos ya no pueden soportar. En segundo lugar, cualquier energía aprovechada de las colisiones de polvo de alto impacto sería necesariamente menor que la cantidad de energía cinética que perdería al chocar con el polvo en primer lugar.
Tu comentario sobre Marte; puedes ir más lejos. Son ~4 años de tiempo de envío a Alpha Centauri a 1G. Son 600 años de tiempo de envío al otro lado de la Vía Láctea a 1G (~400 hasta el núcleo). Esto explica la relatividad.

Ignorando el punto principal de que la tolerancia humana de las fuerzas G no es el factor limitante en los viajes espaciales, se ha pensado mucho sobre cómo contrarrestar las fuerzas G, sobre todo por parte de los escritores de ciencia ficción de los años 60.

Puede encontrar más información de la que siempre quiso en Projectrho sobre este tema.

La esencia general: para aceleraciones bajas como 2 G, no necesita hacer nada especial en el cuerpo humano, solo asegúrese de estar acostado boca arriba o boca arriba, y siendo disciplinado con su respiración.

Para Gs más altas, como 5G+, debe manejar con cuidado el cuerpo humano, colocándolo en un capullo similar a un gel de densidad similar y sustituyendo el aire por un líquido respirable. Cualquier diferencia en la densidad puede dar lugar a que las partes más densas del cuerpo tiendan a "asentarse" hacia la parte trasera del barco, por lo que debe evitarse en la medida de lo posible.

Por supuesto, tales medidas para contrarrestar las fuerzas G solo pueden ser necesarias con el uso de propulsores nucleares o de antimateria. Los propulsores químicos no se queman durante el tiempo suficiente para requerir tales medidas.

La mejor respuesta. Esto en realidad aborda la pregunta, por defectuosa que sea su premisa.
En la ficción, equilibre con la gravedad de la masa que lleva consigo, como el clásico 'velero que lleva su propio ventilador': scifi.sx o tvtropes (¡advertencia! ¡Advertencia!) en 'Inertial Dampening' . (Y en otra historia de McAndrew/Roker, Sheffield también tiene la solución para impulsar este monstruo: la energía propia del vacío interestelar. Claro).
Simplemente instale propulsores sin reacción. Muchas naves espaciales de ciencia ficción los tienen. :-)
John Paul Stapp sobrevivió 30 G+ sin un capullo similar a un gel de densidad similar.
Estuvo expuesto a esas fuerzas G brevemente. La pregunta es sobre fuerzas G de mayor duración. 30G definitivamente no se puede sobrevivir durante el período de un día.
Más allá de los años 60... La ciencia ficción más moderna parece admitir que la amortiguación G/compensadores G/generadores G son una cosa en los vuelos espaciales, pero no entran en detalles sobre cómo lo hacen.
Le di un +1 por el líquido respirable. No existen los compensadores de inercia, y no los habrá. Y no importa qué tan bien empaques al humano, un pulmón lleno de aire será un punto débil, ya que colapsará.

Esto está mucho más allá de las posibilidades económicas previsibles, pero la física es sólida:

Gravity es una forma segura, escalable y elegante de contrarrestar las fuerzas G de la aceleración.

Una nave espacial del tamaño de un planeta con su propia atracción gravitatoria de 5 Gs podría acelerar a 4 Gs, las personas que viven cerca de su cola solo experimentarían la diferencia, un G.

(tenga en cuenta que estoy hablando de un barco de aproximadamente 5 veces la masa de la Tierra, menos las diferencias de densidad)

Lo mismo es cierto para un barco con 100 Gs acelerando a 99 Gs.

Editar: mover a las personas a través de los túneles en la nave hacia el frente permitiría mantener la experiencia de una G a medida que la propulsión cambia lentamente a la ruptura.

Por supuesto, entonces tienes el problema de las cargas de alta G cuando dejas de acelerar. Y probablemente desee desacelerar una vez que llegue a su destino, lo que es aún peor para nuestros desventurados pasajeros.
@chepner Póngalos en la órbita de su planeta-nave, luego corte la aceleración. Estarán en microgravedad.
¿Por qué no estar en órbita todo el tiempo? Entonces no necesitas un planeta más grande, o tener la aceleración ligada a la atracción gravitatoria del planeta.
Cuando dejas de acelerar, debes alejarte más de la nave espacial <strike>planet</strike>. La fuerza de la gravedad disminuye cuanto más te alejas. Dos pares de cuartos límite (uno en el suelo y otro muy alto) podrían resolver esto. Y para desacelerar tu dale la vuelta a la cosa. No la planta/nave, pero te mueves al lado opuesto del planeta y usas otro par de motores.
Dado que la gravedad es solo la curvatura del espacio-tiempo, tal vez la antimateria podría ayudar a deformar el espacio y crear cargas g artificiales: |
O tal vez un anillo doble gigante que gira uno frente al otro, y el pasajero puede alternar entre dos anillos para permanecer en el lado de la fuerza g de cancelación. (tal vez varios anillos para permitir transiciones más suaves mientras cambia la velocidad)

La fuerza G es una función de la aceleración. La gravedad actúa sobre una masa para atraerla hacia otra masa. Las masas grandes tienen niveles más altos de atracción gravitatoria. La fuerza de la gravedad en Júpiter y Saturno es más fuerte que en la Tierra. En la Luna, es menor que en la Tierra.

En la Tierra, la gravedad es una fuerza que continúa empujándonos hacia el centro de la Tierra. La superficie física detiene esa aceleración. Nuestro peso es la medida de esa fuerza que actúa sobre nuestra masa.

La aceleración es un cambio en la velocidad. Cuando se navega por inercia (sin fuerzas de aceleración ni de desaceleración), no hay carga g (ingravidez en el espacio).

Acelerar en un automóvil, avión o nave espacial provoca cargas g. Nuevamente, es la aceleración la que está causando la carga. Ladear un avión en un banco de 60 grados causará cargas g en el cuerpo debido a la fuerza centrípeta. Hacer un bucle en un avión hará lo mismo. Una mirada interior provoca una carga g positiva, mientras que un bucle exterior provoca una carga g negativa. Ambos se miden por efecto en el cuerpo. En posición vertical, las cargas g positivas hacen que la sangre fluya desde la cabeza hacia los pies y las cargas g negativas hacen que la sangre fluya desde los pies hacia la cabeza. Los cuerpos humanos toleran las cargas g positivas mejor que las negativas. Acostarse, como en muchos aviones de combate, ayuda a mitigar los impactos ya que una mayor parte del cuerpo está nivelada.

Entonces, la tolerancia de los viajes espaciales es una combinación de tolerar cargas g durante las fases de aceleración y desaceleración y los períodos de ingravidez (ausencia de aceleración) que tienden a afectar los músculos, las densidades óseas, etc.

La fuerza G no es una función de la aceleración. es aceleración .
la fuerza que experimentas ES una función de la aceleración.

Mira, ¿puedo pedirles a todos que piensen fuera de la caja espacial? Si se abordan los problemas que van más allá de nuestra forma de pensar, entonces los problemas que se encuentran mientras paseamos por nuestro patio trasero se vuelven menos que triviales. Por ejemplo, parecería que existen varios procesos y técnicas para lograr una aceleración superior a la normal ( 1 milla s 2 es factible) Entonces, ¿qué entorno artificial se puede mantener durante un año? Ese es el tiempo que tardaría en llegar C (velocidad de la luz) a dicha velocidad. Mientras esté allí, sería una forma muy ingeniosa de realizar ciertos experimentos como averiguar con seguridad si C es nuestro límite o no o si la bomba basada en cristales de tiempo puede afectar la relación entre el espacio y el tiempo. "Puedes decir que soy un soñador".

Si el viaje espacial humano está limitado por la vulnerabilidad de la fuerza G, ¿hay alguna forma de contrarrestar las fuerzas G?
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