무중력 작동 방식

우리는 우주 왕복선 , 국제 우주 정거장 또는 미르 내부를 떠다니는 우주 비행사의 사진을 종종 보았습니다 . 무중력은 재미있어 보이지만 몸에 엄청난 부담을 줍니다. 처음에는 메스꺼움, 현기증 및 방향 감각 상실을 느낍니다. 머리와 부비동이 붓고 다리가 줄어듭니다. 장기적으로 근육이 약해지고 뼈가 약해집니다. 신체에 대한 이러한 영향은 화성 여행과 같은 긴 항해에서 심각한 손상을 입힐 수 있습니다.

이번 판에서는 , 우리는 국제 우주 정거장에 탑승하여 무중력 상태가 무엇인지, 신체에 어떤 일이 일어나는지, 이러한 변화가 어떻게 일어나는지, 이러한 부작용을 예방하거나 역전시키기 위해 무엇을 할 수 있는지 조사할 것입니다.

 

내용물

1. 미세 중력과의 만남
2. 미세 중력에서 느끼는 느낌
3. 대책
4. 위치와 움직임을 감지하는 방법

우주복을 입고 우주 왕복선 의 비행 갑판에서 등을 대고 누워 있다고 상상해 보십시오 . 조종사와 임무 관제사가 비행 전 발사 준비를 하는 동안 당신은 몇 시간 동안 등받이에 앉아 있었습니다. 일반적으로 똑바로 서 있을 때 중력은 혈액을 아래쪽으로 당겨 다리의 정맥에 고이게 합니다. 그러나 등을 대고 누웠기 때문에 발이 올라가 있기 때문에 혈액이 몸 전체에 다르게 분포되어 머리 쪽으로 약간 이동합니다. 밤에 잠을 잘 때처럼 머리가 약간 답답할 수 있습니다.

로켓 엔진은 발사하면 가속을 느낍니다. 셔틀이 올라갈 때 다시 좌석으로 밀려납니다. 셔틀 가속의 G-포스가 일반 중력의 최대 3배까지 증가할 때 무겁게 느껴집니다(일부 롤러 코스터 타기는 이 수준의 가속을 달성할 수 있음). 가슴이 답답하고 호흡곤란이 있을 수 있습니다. 약 8분 30초 후, 당신은 완전히 다른 감각인 무중력을 경험하는 우주 공간에 있게 됩니다.

무중력은 미세중력(microgravity) 이라고 하는 것이 더 정확합니다 . 지구의 중력이 당신과 우주 왕복선의 모든 것을 궤도에 들고 있기 때문에 당신은 실제로 무중력 상태가 아닙니다. 당신은 실제로 자유낙하 상태에 있습니다., 수평으로 너무 빨리(초당 5마일 또는 초당 8km) 움직이기 때문에 비행기에서 뛰어내리는 것과 비슷하므로 떨어질 때 지구가 사용자에게서 멀어지기 때문에 땅에 닿지 않습니다. 그것은 이렇습니다: 당신이 욕실 체중계에 서 있을 때 중력이 당신과 체중계를 끌어내리기 때문에 체중을 측정합니다. 저울이 바닥에 놓여 있기 때문에 동일한 힘으로 당신을 밀어 올립니다. 이 동일한 힘이 당신의 체중입니다. 그러나 욕실 저울 위에 서서 절벽에서 뛰어내리면 저울과 저울 모두 중력에 의해 동등하게 아래로 당겨집니다. 체중계를 밀지 않고 뒤로 밀지 않을 것입니다. 따라서 체중은 0으로 표시됩니다.

셔틀과 그 안에 있는 모든 물체가 같은 속도로 전 세계로 떨어지고 있기 때문에 셔틀에 고정되지 않은 모든 것이 떠 있습니다. 머리가 길면 얼굴 주위를 둥둥 떠다닌다. 컵에 물을 부으면 작은 방울로 분리할 수 있는 큰 구형 방울로 간주 됩니다(액체 표면 장력 에 대한 정보는 이 페이지 참조). 그 방향으로 밀면 음식과 사탕이 입으로 부드럽게 떠오릅니다. 좌석에 앉으면 몸이 좌석을 누르지 않기 때문에 앉았다는 느낌이 들지 않습니다. 무언가에 고정되어 있지 않으면 떠 있습니다. 또한 벽에 닿지 않거나 손/발을 잡을 수 없으면 밀어낼 것이 없기 때문에 위치에서 이동할 수 없습니다. 이러한 이유로 NASA는 셔틀의 객실 전체에 많은 구속 장치, 손잡이 및 발 손잡이를 배치했습니다.

뉴턴의 제3법칙

"모든 행동에는 반대이지만 동등한 반응이 있습니다."

미세 중력에서 어떤 방향으로 움직이려면 반대 방향으로 밀어낼 수 있도록 무언가를 밀어야 합니다. 게다가, 당신이 누르는 것은 무엇이든 고정되어 있거나 셔틀의 벽과 같이 당신보다 더 거대해야 합니다.

미세 중력을 처음 접하면 다음과 같은 느낌이 듭니다.

미세 중력에 오래 머무를수록 근육과 뼈가 더 약해집니다.

이러한 감각은 신체의 다양한 시스템의 변화로 인해 발생합니다. 우리 몸이 어떻게 반응하는지 자세히 살펴보겠습니다.

우주병

메스꺼움과 방향 감각 상실은 차가 도로에 빠지거나 롤러코스터를 타다가 넘어질 때 속이 가라앉는 느낌과 같으며, 며칠 동안 계속 그 느낌을 가질 수 있습니다. 이것은 우주 멀미 또는 우주 멀미의 느낌, 뇌가 눈과 내이에 있는 전정 기관으로부터 수신하는 정보가 상충하기 때문에 발생합니다. 당신의 눈은 셔틀 내부의 위아래 방향을 볼 수 있습니다. 그러나 전정계는 중력의 하향 당김에 의존하여 어떤 방향이 위인지 아래인지, 그리고 움직이는 방향을 알려 주기 때문에 미세 중력에서는 기능하지 않습니다. 따라서 눈은 뇌에 거꾸로 있다고 말할 수 있지만 뇌는 전정 기관으로부터 해석 가능한 입력을 받지 못합니다. 혼란스러운 뇌는 메스꺼움과 방향 감각 상실을 일으켜 구토와 식욕 상실로 이어질 수 있습니다. 다행히도 며칠 후 뇌가 시각적 입력에만 의존하여 상황에 적응하고 기분이 나아지기 시작합니다.NASA는 우주 비행사가 몸이 적응할 때까지 메스꺼움을 치료할 수 있도록 약물 패치를 발표했습니다.

푹신한 얼굴과 새 다리

미세 중력에서는 얼굴이 꽉 차고 부비동이 막혀 두통과 우주 멀미를 유발할 수 있습니다. 몸을 구부리거나 거꾸로 서 있을 때 지구에서도 같은 느낌을 받습니다. 혈액이 머리로 몰리기 때문입니다.

미세 중력에 노출되면 혈액과 체액의 변화

지구에서는 중력이 혈액을 잡아당겨 다리 정맥에 상당한 양의 혈액이 고이게 됩니다. 미세 중력을 만나면 혈액이 다리에서 가슴과 머리로 이동합니다. 아래와 같이 얼굴이 붓고 부비동이 붓는 경향이 있습니다. 유체 이동은 또한 다리의 크기를 줄입니다.

혈액이 가슴으로 이동하면 심장의 크기가 커지고 박동마다 더 많은 혈액을 펌핑합니다. 귀하의 신장 은 물 한 대형 유리를 마시는 후 그들이 훨씬처럼 더 많은 소변을 생성하여이 증가 혈액의 흐름에 응답합니다. 또한 혈액과 체액의 증가는 항이뇨 호르몬(ADH)을 감소시킵니다.뇌하수체에서 분비되어 목이 덜 마릅니다. 따라서 지구에서 물을 많이 마시지 않습니다. 전반적으로 이 두 가지 요소가 결합되어 가슴과 머리에 과도한 수분을 제거하는 데 도움이 되며, 며칠 안에 신체의 수분 수준은 지구보다 낮아집니다. 머리가 약간 붓고 부비동이 답답하지만 처음 며칠 후에는 그렇게 나쁘지 않습니다. 지구로 돌아오면 중력이 그 액체를 다시 다리로 끌어당겨 머리에서 멀어지게 하여 일어설 때 기절할 것입니다. 그러나 또한 더 많이 마시기 시작하고 수일 내에 체액 수치가 정상으로 돌아올 것입니다.

우주 빈혈

신장이 과도한 수분을 제거함에 따라 골수 세포에 의한 적혈구 생성을 자극하는 호르몬 인 에리트로포이에틴 의 분비도 감소합니다 . 적혈구 생성의 감소는 혈장 부피 의 감소와 일치 하므로 적혈구 용적률 ( 적혈구가 차지하는 혈액 부피의 백분율)은 지구와 동일합니다. 지구로 귀환하면 적혈구 수와 마찬가지로 에리트로포이에틴 수치가 증가합니다.

약한 근육

미세 중력 상태에 있을 때 몸은 "태아" 자세를 취합니다. 팔과 다리가 반쯤 구부러진 상태에서 약간 웅크리고 있습니다. 이 자세에서는 많은 근육, 특히 서 있고 자세를 유지하는 데 도움이 되는 근육( 반중력 근육 )을 사용하지 않습니다 . 국제 우주 정거장에 머무는 시간이 길어지면 근육도 변합니다. 근육의 질량이 감소하여 "새 다리" 모양에 기여합니다. 근육 섬유 유형느린 트위치에서 빠른 트위치로 변경합니다. 당신의 몸은 더 이상 서 있을 때 사용되는 것과 같은 느린 연축 지구력 섬유를 필요로 하지 않습니다. 대신, 우주 정거장 표면에서 빠르게 떨어지기 때문에 더 많은 속근 섬유가 필요합니다. 스테이션에 오래 머무를수록 근육량이 줄어듭니다. 이 근육량의 손실은 당신을 약하게 만들고 장기간의 우주 비행과 지구 중력으로 돌아갈 때 문제를 나타냅니다.

부서지기 쉬운 뼈

지구에서 뼈는 몸의 무게를 지탱합니다. 뼈의 크기와 질량은 특정 뼈 세포( 조골세포 )가 새로운 미네랄 층과 다른 세포( 파골 세포 )를 놓는 속도로 균형을 이룹니다.) 그 미네랄 층을 씹습니다. 미세 중력에서는 뼈가 몸을 지탱할 필요가 없으므로 모든 뼈, 특히 엉덩이, 허벅지 및 허리에 있는 체중 부하 뼈는 지구에서보다 훨씬 적게 사용됩니다. 이 뼈에서 조골세포가 새로운 뼈층을 침착시키는 속도는 감소하지만(힘과 스트레스의 변화가 어떤 식으로든 관련되어 있다고 생각되지만 정확한 이유는 아무도 모릅니다), 반면에 파골세포가 뼈를 씹는 속도는 동일하게 유지됩니다 . 그 결과 이 ​​뼈의 크기와 질량은 미세 중력 상태에 있는 한 매월 약 1%의 비율로 계속 감소합니다. 뼈 질량의 이러한 변화는 뼈를 약하게 만들고 지구 중력으로 돌아올 때 부러지기 쉽습니다. 지구로 귀환할 때 뼈 손실의 어느 정도를 회복할 수 있는지는 알려져 있지 않습니다.비록 그것이 100퍼센트는 아닐지라도. 뼈의 이러한 변화는 우주 비행 시간을 제한할 수 있습니다. 이 분야에서 더 많은 연구가 필요합니다.

뼈가 약할 뿐만 아니라, 뼈가 파골세포에 의해 씹히면서 혈액의 칼슘 농도가 약간 증가합니다. 귀하의 신장은 고통스러운 신장 결석을 형성하기가 민감하게 과잉 칼슘, 제거해야합니다.

미세 중력 환경에 대처하기 위해 무엇을 할 수 있습니까? 무생물과 관련하여 셔틀이나 우주 정거장의 모든 물체는 사물함에 보관하거나 끈으로 묶거나 벨크로로 벽에 부착해야 합니다.

예를 들어, 미중력 상태에서 식사를 할 때 발판으로 셔틀을 잡아야 하며, 음식 트레이는 끈으로 고정되어 있습니다. 음식은 쌀이나 땅콩 버터와 같이 끈적거리거나 뭉쳐져 떠내려가지 않는 경향이 있습니다. 작업장에 있는 경우 스트랩과 발판을 사용하여 자신을 제지합니다. 랩톱 컴퓨터 와 같은 휴대용 장비 는 사용자(위 그림 참조), 장비 랙 또는 우주선의 벽에 고정됩니다.

국제 우주 정거장에 머무는 동안 신체에서 일어나는 이러한 모든 변화에 대해, 특히 지구로 귀환한 후 건강을 유지하기 위해 무엇을 할 수 있습니까? 주로 세 가지 변경 사항을 처리해야 함을 기억하십시오.

유체 손실

체액 손실을 처리하는 한 가지 대책은 하체 음압(LBNP) 이라고 하는 장치입니다. 이 장치는 허리 아래에 진공 청소기와 같은 흡입을 적용하여 체액이 다리에 내려가지 않도록 합니다. 이 장치는 트레드밀과 같은 운동 장치에 부착될 수 있습니다. 순환계를 지구에 가까운 상태로 유지하기 위해 LBNP에서 하루 30분을 보낼 수 있습니다.

또한 지구로 귀환하기 직전에 잃어버린 체액을 대체하는 데 도움이 되는 다량의 물이나 전해질 용액을 마실 수 있습니다. 이렇게 하면 일어서서 셔틀에서 내릴 때 기절하는 것을 방지할 수 있습니다.

근육과 뼈의 악화

NASA와 러시아 우주국은 우주에서 근육과 골량의 손실을 최소화하는 가장 좋은 방법은 자주 운동하는 것임을 발견했습니다. 이렇게 하면 근육이 단련되고 악화되는 것을 방지하며 뼈에 스트레스를 가하여 체중과 유사한 감각을 생성합니다. 다양한 기계(런닝머신, 로잉머신, 자전거)로 매일 2시간씩 운동을 합니다. 운동 중에는 일반적으로 기계에 몸을 고정시키는 번지 코드와 같은 장력 생성 스트랩으로 제지해야 합니다.

미세 중력의 신체 변화에 대한 대응책을 개발하기 위해서는 훨씬 더 많은 연구가 수행되어야 합니다. 이 연구는 인간과 동물을 모두 사용하여 지상과 우주 공간(국제 우주 정거장 에서) 모두에서 수행되어야 합니다 . 이러한 연구의 결과는 우주인의 건강을 개선하고 화성 여행과 같은 장기 우주 탐사의 길을 닦는 데 도움이 될 것 입니다.

지구에서 미세 중력을 시뮬레이션하는 방법

다음은 지구에서 미세 중력을 시뮬레이션하고 연구하기 위한 몇 가지 인간 및 동물 모델입니다.

• 머리 아래로 기울이기 - 사람이 수평에서 약 5도 정도 머리를 기울여 침대에 눕습니다. 기울기는 미세 중력에서 직면하는 체액의 머리 방향 이동을 재현합니다. 또한 체중을 지탱하는 뼈와 근육은 사용되지 않으며 미세 중력의 우주 비행사에서 볼 수 있듯이 악화되거나 위축됩니다.
• 수영장 물에 담그기 - 뜨거운 물이 담긴 수영장에 피사체를 장기간 담그십시오. 물의 부력은 유체 이동을 생성하고 미세 중력에서와 같이 체중을 지탱하는 뼈와 근육을 완화합니다.
• 꼬리에 매달린 쥐 - 쥐는 오랜 시간 동안 우리에 꼬리가 매달려 있습니다. 기울기는 체액의 머리쪽으로의 이동을 재현하고 뒷다리의 비활성은 근육과 뼈의 퇴화를 재현합니다.
• KC-135 ''토성 혜성' - 각 피크에서 짧은 시간(각 30초)의 미세 중력을 달성하는 일련의 위아래(포물선형) 비행 경로를 통해 비행기를 타십시오. NASA는 이 기술을 우주 비행사 훈련에 사용하고 심지어 만들었습니다. 학생 연구 프로젝트에 사용할 수 있습니다.

내이의 상부에 위치한 전 정계(vestibular system )를 이용하여 방향과 움직임을 감지한다 .

여기에 전정 시스템이 감지하는 방법이다 중력에 대한 방향을 : 그것은이 otolithic 기관 포함 된 탄산 칼슘의 결정 (분필). 결정은 다른 방향(x, y 및 z축) 으로 머리카락과 같은 감각 신경 세포 에 부착됩니다 .

전정계가 움직임을 감지하는 방법은 다음과 같습니다 . 움직임, 특히 가속도 를 감지하기 위한 세 개의 반고리관 이 있습니다 . 그것들은 서로 직각으로 배향되어 있으며 각각은 세 방향(x, y 또는 z축) 중 하나에 있습니다. 내림프 라고 하는 체액 과 머리카락과 같은 감각 신경 세포가 있습니다.

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