Correr horizontalmente en el interior de una pared circular en un asentamiento lunar
(royalsocietypublishing.org)- En la residencia prolongada en la Luna, la atrofia muscular, la reducción de la densidad ósea y el deterioro del control cardiopulmonar y neuromotor son un problema, y se está considerando como alternativa un tipo de ejercicio en el que se corre horizontalmente por el interior de una pared cilíndrica estática para generar gravedad artificial por cuenta propia
- El experimento utilizó una estructura tipo Wall of Death de unos 10 m de diámetro y bandas elásticas tipo bungee suspendidas de una grúa de 36 m para descargar el 83% del peso corporal y simular la gravedad lunar; 2 participantes realizaron la carrera sobre la pared circular
- Los participantes lograron iniciar sin ayuda tras 5–8 intentos, y en las 14 carreras analizadas corrieron al menos 1 vuelta completa, con velocidades sobre la pared de 5.38–6.45 m/s y un promedio de 5.93±0.45 m/s
- Esa velocidad correspondió a un factor de seguridad de 1.48–1.78 frente al riesgo de caída, y la fuerza máxima de reacción del suelo estimada al contacto del pie se calculó en 1.67–2.42 veces el peso corporal terrestre, un nivel suficiente para evitar la resorción de calcio óseo
- Con solo 8–9 vueltas al día, para un total de 40–45 segundos de carrera, podría ser posible estimular a la vez el sistema esquelético, muscular, cardiopulmonar y nervioso, aunque la muestra es pequeña y se necesitan estudios específicos de reposo en cama
El problema del ejercicio en baja gravedad lunar y la carrera en pared circular
- En el asentamiento y la permanencia prolongada en la Luna, la exposición a baja gravedad puede afectar negativamente la capacidad cardiopulmonar, el sistema musculoesquelético y el control neural de la postura y el movimiento
- En gravedad lunar, caminar queda limitado a un rango bajo de velocidades porque se altera el equilibrio entre la energía cinética y la energía potencial del centro de masa del cuerpo, y también se reduce el efecto del entrenamiento
- Los modos de locomoción con rebote, como correr, skipping y hopping, son más rápidos que caminar, pero en baja gravedad pueden aparecer desajustes mecánicos en el complejo músculo-tendón y una reducción de la velocidad vertical de despegue
- Las alternativas existentes tienen limitaciones
- El ejercicio continuo de baja intensidad o el entrenamiento por intervalos de alta intensidad pueden servir para mantener la capacidad cardiopulmonar, pero tienen poco efecto sobre la masa muscular y ósea
- El ejercicio pliométrico en trineo ha mostrado potencial para preservar la función cardiopulmonar y musculoesquelética, pero difiere de la locomoción terrestre y puede ofrecer poco estímulo para el equilibrio y el control motor
- La simulación de gravedad basada en centrífugas tiene efectos positivos sobre la función muscular, pero una centrífuga transitable para caminar en la Luna presenta dificultades técnicas y altas demandas de energía
- El método propuesto consiste en que un habitante lunar corra por el interior de una pared circular vertical, en paralelo a la superficie lunar, para obtener una gravedad artificial más alta mediante aceleración centrífuga
Diseño experimental basado en Wall of Death
- En el experimento se utilizó un Wall of Death de estilo ferial
- radio de 4.73 m, circunferencia de 29.7 m
- estructura de pared de madera
- en el piso había una rampa de aceleración de 0.8 m de ancho con una inclinación de 30°
- En la Tierra es difícil recorrer de forma estable esta estructura corriendo con la fuerza muscular de ambas piernas, pero en gravedad lunar la velocidad mínima necesaria baja y teóricamente se vuelve posible
- Para simular la gravedad lunar, se retiró el techo y se conectaron en serie dos bandas elásticas de salto bungee a una grúa de 36 m de altura
- El peso de los participantes se redujo en 83% para que equivaliera a 1/6 del peso terrestre, lo cual se verificó con una báscula digital en posición acostada de lado
- Hubo 2 participantes
- hombre de 36 años, 1.78 m, 60 kg
- mujer de 33 años, 1.70 m, 62 kg
- Debido al arnés y al cable de sujeción, el movimiento del brazo superior estaba restringido en la postura horizontal; ese brazo no se balanceaba y sostenía la línea de suspensión
Velocidad necesaria y condiciones físicas
- En un Wall of Death, la fuerza centrífuga generada al moverse en círculo sobre la pared y la fricción de la pared impiden que la persona se deslice hacia abajo
- En la Tierra, con un radio de 4.7 m y un coeficiente de fricción estática de 0.8, la velocidad mínima para una masa puntual es de 7.59 m/s, es decir, 27.3 km/h
- Los corredores reales y las motocicletas no son masas puntuales; considerando la posición del centro de masa, se calculó que la velocidad necesaria para un corredor en la Tierra sería de unos 30.4 km/h, lo que se considera difícil de lograr corriendo
- En la Luna, como la gravedad es 1/6 de la terrestre, la velocidad mínima teórica en la misma estructura baja a 12.5 km/h, es decir, más de 3.5 m/s
- Como el dispositivo terrestre para simular la gravedad lunar tira del cuerpo hacia arriba con bandas bungee y al mismo tiempo genera una pequeña fuerza hacia el centro, la velocidad requerida en el experimento real se corrigió a 13.1 km/h, es decir, 3.63 m/s
- Durante la carrera horizontal, el cuerpo debe inclinarse ligeramente hacia arriba; esta postura equilibra el torque generado por la distribución total de masa corporal y el torque opuesto causado por la fuerza centrífuga
Resultados reales de la carrera
- Los participantes se adaptaron rápidamente a esta inusual carrera horizontal con solo 5–8 intentos al inicio de una sesión experimental de un día
- Después, ambos participantes realizaron 7 carreras analizables cada uno, para un total de 14
- cada carrera incluyó al menos una vuelta completa después de la aceleración inicial y antes de desacelerar, es decir, 29.7 m o más
- aceleraban usando la rampa y, al terminar, reducían la velocidad y descendían con seguridad desde la postura horizontal en la pared hasta la postura erguida en el piso
- no hubo lesiones
- La velocidad media de carrera sobre la pared fue de 5.93±0.45 m/s, con un rango de 5.38–6.45 m/s
- Esa velocidad correspondió a un factor de seguridad de 1.48–1.78 respecto al requisito mínimo para evitar la caída, similar al rango de seguridad de las motocicletas en un Wall of Death terrestre
- El promedio de zancada e indicadores de marcha fueron los siguientes
- zancada: 3.78±0.29 m
- frecuencia de paso: 1.58±0.17 Hz
- tiempo de contacto: 0.176±0.017 s
- duty factor: 0.27±0.01
- Al combinar los 194 pasos totales, el rango de velocidad se amplió a 4.60–7.50 m/s
- Igual que en la carrera normal en la Tierra, las velocidades más altas se lograron sobre todo con una mayor frecuencia de paso; la zancada se mantuvo relativamente constante, mientras que el tiempo de contacto y el duty factor disminuyeron al aumentar la velocidad
Dinámica de la carrera y fuerza de reacción del suelo
- A las velocidades observadas, el ángulo de inclinación predicho fue en promedio de 12.4°±1.9°, con un rango de 10.4°–14.9°
- La fuerza vertical media de reacción del suelo en la carrera horizontal sobre pared fue de 1.13±0.16 veces el peso corporal terrestre, y el máximo estimado fue de 2.04±0.29 veces
- rango del promedio: 0.93–1.34 veces
- rango del máximo: 1.67–2.42 veces
- En una sesión separada en el laboratorio LOOP, los mismos participantes corrieron en cinta con sistema de suspensión de peso corporal en condiciones de 1g, 0.8g, 0.5g y 0.17g
- la velocidad máxima fue de 5.28 m/s a 0.17g, 5.75 m/s a 0.5g, 6.25 m/s a 0.8g y 6.94 m/s a 1g
- las fuerzas verticales media y máxima de reacción del suelo a velocidad máxima fueron de 0.85 y 1.54 veces a 0.17g, 1.44 y 2.60 veces a 0.5g, 1.94 y 3.51 veces a 0.8g y 2.09 y 3.79 veces a 1g
- Correr en cinta simulando la gravedad lunar en vertical mostró una cinemática claramente distinta de la carrera horizontal en Wall of Death
- la carrera vertical en gravedad lunar tuvo zancadas mucho más largas y una reducción marcada del duty factor
- las condiciones de 0.5g y 0.8g estuvieron más cerca de la carrera a 1g y de los datos de pasos del Wall of Death
- El índice adimensional de Strouhal mostró que la carrera horizontal en Wall of Death es dinámicamente similar a la carrera terrestre normal
- el valor de Strouhal para la carrera horizontal lunar en Wall of Death fue de alrededor de 0.80–1.10
- en LOOP, ese mismo rango solo apareció a 0.50g o más
- la carrera vertical rápida a 0.17g mostró una dinámica anómala, de aproximadamente 0.55–0.65
Estímulo muscular, óseo y neural
- La carrera en Wall of Death se realizó a velocidades de 5–7 m/s, muy por encima de la velocidad mínima para evitar el deslizamiento, y con frecuencias de paso altas de 2.5–4 Hz
- En esta carrera rápida, el trabajo mecánico total que debe realizar la unidad músculo-tendón podría ser mayor que al correr erguido sobre la superficie lunar
- El estímulo óseo se calculó comparándolo con resultados de entrenamiento de saltos en estudios previos de reposo en cama
- en un estudio de 60 días de reposo en cama, sesiones de entrenamiento de 48 saltos con una frecuencia promedio de 0.8 por día evitaron varios deterioros, incluida la pérdida de densidad mineral ósea y contenido de calcio
- esas sesiones incluyeron un promedio de 78 saltos, una fuerza máxima media de reacción del suelo de 3.6 kN, equivalente a 4.8 veces el peso corporal total o 2.4 veces por cada pierna
- Si al correr a 6 m/s en un Wall of Death se asume una fuerza máxima de reacción del suelo de 2.2 veces por paso, se calcula que harían falta 170 pasos para obtener la misma fuerza de reacción acumulada del suelo
- Con una circunferencia de 30 m y una frecuencia de paso de 3.2 Hz, una vuelta toma 5 segundos y consta de 16 pasos
- 10–11 vueltas cada 1.25 días
- o 8–9 vueltas al día
- tiempo total de ejercicio de 40–45 segundos
- Este método se analiza junto con condiciones como carga dinámica de alto impacto, 40–60 fases de contacto al día y evitar sesiones largas
- Desde el punto de vista neural, el patrón de locomoción es parecido al de la carrera normal en la Tierra e involucra varias articulaciones, por lo que exige tanto propulsión como mantenimiento de la postura
- El ejercicio pliométrico en trineo o el cicloergómetro ofrecen estímulos distintos de la locomoción tipo Wall of Death debido a restricciones del tronco o a la falta de tareas de equilibrio dinámico
Intensidad cardiopulmonar y metabólica y aplicación en asentamientos lunares
- No se midió directamente el consumo de oxígeno, pero se estimó el requerimiento metabólico mínimo de la carrera en Wall of Death con base en el costo metabólico de correr en la Tierra y ecuaciones de regresión para carrera en baja gravedad
- Aplicando el rango de 5.5–6.5 m/s y la gravedad artificial correspondiente de 0.5g–0.73g, el consumo de oxígeno se estimó en 54–74 mlO₂/kg/min
- Se espera que la tripulación del Artemis Program entrene en la Tierra para alcanzar un consumo máximo de oxígeno de alrededor de 40 mlO₂/kg/min
- Por lo tanto, la intensidad estimada de la carrera en Wall of Death podría ser compatible con un nivel capaz de inducir adaptaciones cardiopulmonares propias del entrenamiento por intervalos de alta intensidad
- Sin embargo, estos valores no son mediciones directas y deben evaluarse con experimentos adicionales en un Wall of Death real
- En la Luna podrían desaparecer algunos sesgos de simulación del experimento terrestre
- el hecho de que el componente hacia el centro generado por las bandas bungee exigiera mayor velocidad tangencial
- el hecho de que brazos y piernas experimentaran gravedad terrestre residual durante el balanceo
- la necesidad de acelerar una masa adicional de unos 9 kg correspondiente a arnés, cuerdas y equipo de suspensión
- Si se adquiere familiaridad con el movimiento horizontal mediante entrenamiento previo específico, eso podría ayudar a desplazarse a velocidades más bajas en un Wall of Death más pequeño en la Luna
- Considerando las limitaciones para transportar o construir equipo de ejercicio dedicado en la Luna, este método podría implementarse como una instalación pasiva que use las paredes de una estructura circular habitable y no requiera suministro adicional de energía
- La conclusión es limitada
- la muestra es pequeña, con solo 2 personas
- al tratarse de un experimento de campo inusual, la medición cinemática no es precisa
- se necesitan futuros estudios específicos de reposo en cama
- Cuando correr en vertical en la Luna esté limitado por la baja gravedad, correr horizontalmente sobre una pared circular puede permitir realizar de forma estable en la Luna una locomoción imposible en la Tierra y generar suficiente gravedad artificial con carreras breves diarias para ayudar a mantener la capacidad cardiopulmonar, el rendimiento motor y el estado mineral óseo
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Hay que hacer varios clics para llegar hasta el video de datos complementarios: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Probablemente convendría cambiar de dirección con frecuencia
Me pregunto si es por la dirección de la gravedad, porque el ángulo del cuerpo no parece del todo horizontal y eso hace que el pie toque el piso en un ángulo raro, o si es por alguna característica fisiológica de la persona
No vi que mencionaran una superficie giratoria
Un gimnasio gravitacional con forma de cilindro cónico, con paredes de ángulo ajustable y velocidad de rotación variable, podría generar una “gravedad” mucho mayor de forma suave
La gravedad por rotación permitiría hacer ejercicios con peso corporal, ejercicios de core, cardio estacionario o de área reducida como bicicleta fija, juegos de VR, yoga e incluso dormir
Edición: se me pasó la parte de “pero una centrífuga lunar en la que se pueda caminar en su interior plantearía desafíos técnicos”
Aun así, creo que al final será inevitable. Es mucho más útil física y psicológicamente. Una “superficie giratoria” es una tarea simple comparada con el “deterioro de la salud por baja gravedad” o “morirse de aburrimiento corriendo en círculos”
Quizá este tipo de equipo también pueda resolver el problema de los nacimientos fuera de la Tierra. ¡Pongamos a unos conejos espaciales a “acelerar en rotación” y veamos qué pasa! Ojalá no sean tribbles
En las colonias de baja gravedad, las zonas giratorias seguramente se volverán comunes. ¿Alguien para hacer una startup?
Si uno pasa mucho tiempo allí, se fortalecerían los músculos y los huesos, así que es probable que les interese a los aficionados al fitness o a los atletas profesionales
También serviría como un buen ensayo antes de construir y operar algo así en Marte o la Luna. Si se puede hacer funcionar en la Tierra, con gravedad más baja sería más fácil porque la aceleración necesaria es menor
Incluso podría hacerse con un tren o una montaña rusa sobre una vía circular ligeramente inclinada. Una leve inclinación simplemente desplaza el vector de gravedad hacia una dirección perpendicular al piso
Probablemente haya alguna razón por la que no se popularizó
Claro, también se podría simplemente detener la rotación cada vez que haya que abrir la esclusa de aire
O, si se pone en órbita, estos problemas se vuelven más fáciles y también habría que preocuparse menos por el blindaje contra radiación día/noche o la calefacción
La desventaja de que “una centrífuga lunar transitable plantearía desafíos técnicos y requeriría bastante energía” es bastante graciosa
¿Acaso los desafíos técnicos no son precisamente la señal de que estás en la Luna?
Un sistema de rotación estable parece estar entre los desafíos lunares más simples posibles. Si se implementa dentro de una carcasa ambiental existente, podría hacerse con tecnología bastante básica
Mantener la rotación en baja gravedad debería tener un consumo de energía muy bajo. Las pérdidas serían básicamente la fricción en el punto de giro y quizá masas de control de posición para mantener el equilibrio ante los movimientos humanos, y ambas deberían ser pequeñas
Dicho eso, la solución sin tecnología propuesta ofrece mucho por la inversión y es realista para etapas iniciales o puestos avanzados con presencia humana poco frecuente
Por fin me convertí en alguien con una experiencia extrañamente relevante. En 2012 construí una gran plataforma circular giratoria de unos 6 m de diámetro, es decir, la rueda de hámster más grande del mundo[1]
Era divertida y peculiar para correr un rato, pero la mayoría se mareaba después de trotar unos minutos. La plataforma curva también tenía riesgo de caídas
En la práctica se usaba más como una especie de columpio, aunque no sé si eso sería posible en la Luna
Soy escéptico de que la experiencia en la Luna sea mucho mejor. Sobre todo porque el diámetro propuesto es aún más pequeño
¿Hay alguna razón por la que en la Luna no funcione algo como una máquina de remo de agua? También se podría añadir un chaleco con peso o un asiento pesado
Remar es un ejercicio de casi todo el cuerpo y no parece depender tanto de la gravedad
En teoría, los principales ejercicios compuestos como sentadillas o peso muerto pueden estimular casi todos los músculos del cuerpo, así que podrían ayudar mucho. Con solo hacer levantamientos pesados 2 o 3 veces por semana se puede obtener bastante crecimiento muscular sostenido
Claro que en el espacio no hay peso, así que no se pueden levantar pesas literalmente. Pero se puede generar resistencia con bandas, dispositivos neumáticos, etc.
El remo es excelente porque permite obtener entrenamiento de resistencia y cardio al mismo tiempo
En la Luna sí hay gravedad, solo que es débil. ¿Nadie considera simplemente hacer sentadillas y peso muerto con rocas gigantes? Si llenas una canasta grande con rocas lunares, tarde o temprano se vuelve pesada
“El ejercicio continuo de baja intensidad o el entrenamiento por intervalos de alta intensidad en ergómetro puede ayudar a preservar la capacidad cardiorrespiratoria, pero tiene poco efecto sobre la masa muscular y ósea”
En Imperial Earth, de Arthur C. Clarke, aparece una pista circular para bicicletas dentro de una nave espacial de baja gravedad.
El protagonista pedaleaba muy rápido alrededor de esa pista para entrenar para la gravedad terrestre, hasta sentir 1G.
Me hizo pensar en la carrera sobre paredes circulares de 2001: A Space Odyssey, de hace más de 50 años: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Me pregunto si cada dirección se sentiría como “subida” y “bajada”. Para fines de entrenamiento, probablemente convendría la subida.
No sé si con solo la película hay suficiente información para calcular en qué dirección gira la sección rotatoria.
Dar vueltas y vueltas en círculo suena como una gran manera de vencer el aburrimiento.
Junto al dispositivo de nombre perfectamente adecuado Wheel-of-Death, también hay una sala dedicada a ver cómo se seca la pintura y, según el material promocional, eso es parecido a observar aves.
No entiendo por qué la marcha de cuerpo completo sería la mejor forma de prevenir la atrofia muscular y la desmineralización ósea. En la Tierra tampoco es lo mejor.
Un mejor enfoque probablemente sería hacer levantamiento de pesas con bandas o rocas lunares.
Bastaría con imponer nuevos récords lunares en ejercicios como peso muerto y sentadillas.
Para ser más exactos, cualquier método probado en la Tierra, como bandas o levantamiento de pesas, también incluía una cantidad considerable de marcha de cuerpo completo dentro de un campo gravitatorio fuerte.
Si haces sentadillas y peso muerto en el gimnasio una hora, tres veces por semana, puedes obtener resultados excelentes. Pero ese estilo de vida también incluye estar expuesto a 1G de gravedad las 24 horas.
Andar en skateboard en la Luna debe ser increíble.
https://what-if.xkcd.com/124/