Corrida horizontal na face interna de uma parede circular em um assentamento lunar
(royalsocietypublishing.org)- Na habitação de longo prazo na Lua, atrofia muscular, perda de densidade óssea e piora do controle cardiorrespiratório e neuromotor são problemas relevantes, e uma alternativa em estudo é correr horizontalmente pela face interna de uma parede cilíndrica estática para gerar gravidade artificial por conta própria
- O experimento usou uma estrutura Wall of Death com cerca de 10 m de diâmetro e bandas elásticas de bungee presas a um guindaste de 36 m para aliviar 83% do peso corporal e simular a gravidade lunar; 2 participantes realizaram a corrida na parede circular
- Os participantes conseguiram largar sem ajuda após 5–8 tentativas e, nas 14 corridas analisadas, completaram pelo menos 1 volta; a velocidade na parede ficou em 5,38–6,45 m/s, com média de 5,93±0,45 m/s
- Essa velocidade correspondeu a um fator de segurança de 1,48–1,78 contra o risco de queda, e a força máxima de reação do solo estimada no contato do pé foi calculada como 1,67–2,42 vezes o peso corporal na Terra, nível suficiente para ajudar a evitar a reabsorção de cálcio nos ossos
- Apenas 8–9 voltas por dia, totalizando cerca de 40–45 segundos de corrida, podem estimular ao mesmo tempo os sistemas esquelético, muscular, cardiorrespiratório e nervoso, embora a amostra seja pequena e ainda sejam necessários estudos específicos de repouso prolongado no leito
O problema do exercício em baixa gravidade lunar e a corrida em parede circular
- No assentamento lunar e em estadias prolongadas, a exposição à baixa gravidade pode afetar negativamente a aptidão cardiorrespiratória, o sistema musculoesquelético e o controle neural da postura e do movimento
- Na gravidade lunar, a caminhada tem sua faixa de velocidade limitada porque o equilíbrio entre energia cinética e energia potencial do centro de massa do corpo se altera, reduzindo também o efeito de treinamento
- Modos de locomoção com impulsão, como corrida, skipping e hopping, são mais rápidos que caminhar, mas em baixa gravidade podem surgir incompatibilidades mecânicas no complexo músculo-tendão e redução da velocidade vertical de decolagem
- As alternativas existentes têm limitações próprias
- Exercícios contínuos de baixa intensidade ou intervalados de alta intensidade podem ajudar a manter a capacidade cardiorrespiratória, mas têm pouco efeito sobre massa muscular e óssea
- Exercícios pliométricos em trenó mostraram potencial para preservar funções cardiorrespiratórias e musculoesqueléticas, mas diferem da locomoção terrestre e podem oferecer pouco estímulo de equilíbrio e controle motor
- A simulação de gravidade com centrífugas tem efeitos positivos sobre a função muscular, mas centrífugas caminháveis na Lua apresentam dificuldades técnicas e alta demanda de energia
- A proposta é que moradores lunares corram paralelamente à superfície da Lua na face interna de uma parede circular vertical, obtendo maior gravidade artificial por aceleração centrífuga
Projeto experimental baseado em Wall of Death
- O experimento usou um Wall of Death de estilo parque de diversões
- raio de 4,73 m, circunferência de 29,7 m
- estrutura de parede de madeira
- no chão havia uma rampa de aceleração com 0,8 m de largura e inclinação de 30°
- Na Terra, é difícil correr de forma estável nessa estrutura usando apenas a força muscular das duas pernas, mas na gravidade lunar a velocidade mínima necessária cai e isso se torna teoricamente viável
- Para simular a gravidade lunar, o teto foi removido e duas bandas de borracha de bungee jump foram conectadas em série a um guindaste de 36 m de altura
- O peso dos participantes foi aliviado em 83%, para que ficasse em 1/6 do peso terrestre, com verificação em balança digital na posição deitada de lado
- Participaram 2 pessoas
- homem de 36 anos, 1,78 m, 60 kg
- mulher de 33 anos, 1,70 m, 62 kg
- Por causa do arnês e do cabo de ligação, o movimento do braço superior na postura horizontal ficou limitado; esse braço não era balançado e segurava o cabo suspenso
Velocidade necessária e condições físicas
- No Wall of Death, a força centrífuga gerada pelo movimento circular ao longo da parede, junto com o atrito da parede, impede que a pessoa escorregue para baixo
- Na Terra, com raio de 4,7 m e coeficiente de atrito estático de 0,8, a velocidade mínima para uma massa pontual seria 7,59 m/s, ou 27,3 km/h
- Corredores reais e motocicletas não são massas pontuais; considerando a posição do centro de massa, a velocidade necessária para um corredor na Terra foi calculada em cerca de 30,4 km/h, algo considerado difícil para corrida humana
- Na Lua, como a gravidade é 1/6 da terrestre, a velocidade mínima teórica na mesma estrutura cai para 12,5 km/h, ou 3,5 m/s
- No experimento terrestre de simulação lunar, como as bandas de bungee puxavam o corpo para cima e também geravam uma pequena força em direção ao centro, a velocidade necessária foi corrigida para 13,1 km/h, ou 3,63 m/s
- Durante a corrida horizontal, o corpo precisa se inclinar levemente para cima; essa postura equilibra o torque gerado pela distribuição de massa corporal com o torque oposto produzido pela força centrífuga
Resultados reais da corrida
- Os participantes se adaptaram rapidamente à corrida horizontal incomum, precisando de apenas 5–8 tentativas no início de uma sessão experimental de um dia
- Depois disso, os dois participantes realizaram 7 corridas cada, totalizando 14 corridas analisáveis
- Cada corrida incluiu pelo menos uma volta completa após a aceleração inicial e antes da desaceleração, ou seja, mais de 29,7 m
- A aceleração foi feita usando a rampa e, ao final, eles reduziam a velocidade e desciam com segurança da postura horizontal na parede para a postura ereta no chão
- Não houve lesões
- A velocidade média na parede foi de 5,93±0,45 m/s, com faixa de 5,38–6,45 m/s
- Essa velocidade correspondeu a um fator de segurança de 1,48–1,78 em relação à condição mínima para evitar queda, semelhante à faixa de segurança observada em motos de Wall of Death na Terra
- A passada média e outros indicadores de marcha foram os seguintes
- comprimento da passada: 3,78±0,29 m
- frequência da passada: 1,58±0,17 Hz
- tempo de contato: 0,176±0,017 s
- duty factor: 0,27±0,01
- Somando todos os 194 passos, a faixa de velocidade se ampliou para 4,60–7,50 m/s
- Como na corrida terrestre comum, velocidades maiores foram alcançadas principalmente por maior frequência de passada; o comprimento da passada permaneceu relativamente constante, enquanto o tempo de contato e o duty factor diminuíram com o aumento da velocidade
Dinâmica da corrida e força de reação do solo
- Nas velocidades observadas, o ângulo de inclinação previsto foi em média 12,4°±1,9°, com faixa de 10,4°–14,9°
- Na corrida horizontal na parede, a força vertical média de reação do solo foi de 1,13±0,16 vezes o peso corporal terrestre, e o pico estimado médio foi de 2,04±0,29 vezes
- faixa média: 0,93–1,34 vezes
- faixa máxima: 1,67–2,42 vezes
- Em uma sessão separada no laboratório LOOP, os mesmos participantes correram em esteira com sistema de suspensão de peso corporal sob condições de 1g, 0,8g, 0,5g e 0,17g
- a velocidade máxima foi de 5,28 m/s em 0,17g, 5,75 m/s em 0,5g, 6,25 m/s em 0,8g e 6,94 m/s em 1g
- nas velocidades máximas, as forças verticais média e máxima de reação do solo foram 0,85 e 1,54 vezes em 0,17g, 1,44 e 2,60 vezes em 0,5g, 1,94 e 3,51 vezes em 0,8g, e 2,09 e 3,79 vezes em 1g
- A corrida em esteira com simulação vertical da gravidade lunar mostrou cinemática claramente diferente da corrida horizontal no Wall of Death
- Na corrida vertical em gravidade lunar, o comprimento da passada era muito maior e o duty factor diminuía bastante
- As condições de 0,5g e 0,8g ficaram mais próximas da corrida em 1g e dos dados de passo do Wall of Death
- O índice adimensional de Strouhal mostrou que a corrida horizontal no Wall of Death era dinamicamente semelhante à corrida terrestre comum
- O valor de Strouhal na corrida horizontal lunar no Wall of Death ficou em cerca de 0,80–1,10
- No LOOP, essa mesma faixa apareceu apenas em 0,50g ou mais
- A corrida vertical rápida em 0,17g mostrou valores anormais, em torno de 0,55–0,65
Estímulo para músculos, ossos e sistema nervoso
- A corrida no Wall of Death foi realizada na faixa de 5–7 m/s, muito acima da velocidade mínima para evitar escorregamento, e acompanhada de alta frequência de passos, de 2,5–4 Hz
- Nessa corrida rápida, o trabalho mecânico total exigido da unidade músculo-tendão pode ser maior do que ao correr em pé na superfície lunar
- O estímulo ósseo foi estimado por comparação com resultados de treinamento com saltos em estudos anteriores de repouso no leito
- Em um estudo de 60 dias de repouso no leito, sessões de treino com 48 saltos, em média 0,8 vez por dia, evitaram várias perdas, incluindo a de densidade mineral óssea e conteúdo de cálcio
- Essas sessões tinham em média 78 saltos, força máxima média de reação do solo de 3,6 kN, equivalente a 4,8 vezes o peso corporal total ou 2,4 vezes por perna
- Assumindo força máxima de reação do solo de 2,2 vezes o peso corporal por passo ao correr a 6 m/s no Wall of Death, o número de passos necessário para atingir a mesma carga acumulada no solo foi calculado em 170 passos
- Com circunferência de 30 m e frequência de passo de 3,2 Hz, uma volta leva 5 segundos e inclui 16 passos
- 10–11 voltas a cada 1,25 dia
- ou 8–9 voltas por dia
- tempo total de exercício de 40–45 segundos
- Essa abordagem foi considerada em conjunto com carga dinâmica de alto impacto, cerca de 40–60 fases de contato por dia e a vantagem de evitar sessões longas
- Do ponto de vista neural, o padrão de locomoção se parece com a corrida normal na Terra e envolve várias articulações, exigindo ao mesmo tempo propulsão e manutenção da postura
- Exercícios pliométricos em trenó ou cicloergômetros oferecem estímulos diferentes do padrão Wall of Death, seja por restrições do tronco, seja pela falta de tarefa de equilíbrio dinâmico
Intensidade cardiorrespiratória e aplicação em assentamentos lunares
- O consumo de oxigênio não foi medido diretamente, mas os autores estimaram a demanda metabólica mínima da corrida no Wall of Death com base no custo metabólico da corrida na Terra e em equações de regressão para corrida em baixa gravidade
- Aplicando a faixa de 5,5–6,5 m/s e a gravidade artificial correspondente de 0,5g–0,73g, o consumo de oxigênio foi estimado em 54–74 mlO₂/kg/min
- Espera-se que tripulantes do Artemis Program treinem na Terra para atingir algo em torno de 40 mlO₂/kg/min de VO₂máx
- Portanto, a intensidade estimada da corrida no Wall of Death é compatível com níveis capazes de induzir adaptações cardiorrespiratórias em exercícios intervalados de alta intensidade
- Ainda assim, esses valores não são medições diretas e precisam ser avaliados em experimentos adicionais no próprio Wall of Death
- Na Lua, alguns vieses da simulação feita na Terra podem desaparecer
- a componente em direção ao centro gerada pelas bandas de bungee exigia maior velocidade tangencial
- braços e pernas ainda experimentavam gravidade residual da Terra durante a fase de balanço
- era preciso acelerar a massa adicional de cerca de 9 kg do arnês, cabos e equipamento de suspensão
- Com treinamento prévio específico para se acostumar ao deslocamento horizontal, isso também pode ajudar no uso de um Wall of Death menor na Lua e em velocidades mais baixas
- Considerando as limitações de transportar ou construir equipamentos dedicados de exercício na Lua, essa abordagem poderia ser implementada como uma instalação passiva que usa a parede de uma estrutura circular habitável e não exige fornecimento adicional de energia
- A conclusão, porém, é limitada
- a amostra é pequena, com 2 participantes
- por se tratar de um experimento de campo incomum, a medição cinemática não foi muito precisa
- no futuro, serão necessários estudos específicos de repouso prolongado no leito
- Quando a corrida vertical na Lua for limitada pela baixa gravidade, a corrida horizontal em parede circular pode permitir de forma estável um tipo de locomoção impossível na Terra, gerando com curtas corridas diárias gravidade artificial suficiente para ajudar a manter a aptidão cardiorrespiratória, a capacidade motora e o estado mineral ósseo
1 comentários
Opiniões no Hacker News
É preciso clicar algumas vezes até chegar ao vídeo dos dados suplementares: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Talvez seja melhor mudar de direção com frequência
Fico curioso se isso é por causa da direção da gravidade, porque o ângulo do corpo não parece totalmente horizontal e faz o pé tocar o piso em um ângulo estranho, ou se é alguma característica fisiológica da pessoa
Não vi menção a uma superfície em rotação
Um ginásio de gravidade em forma de cilindro cônico, com paredes de ângulo ajustável e velocidade de rotação variável, poderia gerar uma “gravidade” muito maior de forma suave
A gravidade rotacional permitiria exercícios com peso corporal, treino de core, aeróbicos estacionários ou de pequena área como bicicleta ergométrica, jogos em VR, yoga e até dormir
Edit: deixei passar a parte que diz “mas centrífugas lunares transitáveis gerariam desafios técnicos”
Ainda assim, acho que no fim isso será inevitável. É muito mais útil, tanto física quanto psicologicamente. Uma “superfície em rotação” é uma tarefa simples comparada a “deterioração da saúde em baixa gravidade” ou “morrer de tédio correndo em círculos”
Esse tipo de equipamento talvez também resolva o problema do parto fora da Terra. Vamos dar uma “acelerada por rotação” em alguns coelhos espaciais e ver o resultado! Espero que não virem tribbles
Áreas rotativas claramente devem se tornar comuns em colônias de baixa gravidade. Alguém quer fazer uma startup?
Ficar lá por bastante tempo fortaleceria músculos e ossos, então é bem possível que o público fitness ou atletas profissionais se interessem
Também serviria como um bom ensaio antes de construir e operar algo assim em Marte ou na Lua. Se der para fazer funcionar na Terra, em gravidade menor deve ser mais fácil, já que a aceleração necessária seria menor
Talvez isso também seja possível com um trem ou montanha-russa em uma pista circular levemente inclinada. Uma leve inclinação apenas desloca o vetor da gravidade para a direção perpendicular ao piso
Provavelmente há um motivo para ela não ter se popularizado
Claro que também dá simplesmente para parar a rotação sempre que for preciso abrir a eclusa de ar
Ou, se isso for colocado em órbita, esses problemas ficam mais fáceis, e também dá para se preocupar menos com blindagem contra radiação durante o dia/noite ou aquecimento
A desvantagem de que “centrífugas lunares transitáveis gerariam desafios técnicos e exigiriam bastante energia” é bem engraçada
“Desafios técnicos” não é justamente o sinal de que você está na Lua?
Um sistema de rotação estável parece estar entre os problemas lunares mais simples. Se for implementado dentro de uma cápsula ambiental já existente, poderia ser algo de tecnologia relativamente baixa
Manter a rotação em baixa gravidade deveria ter consumo de energia muito baixo. As perdas seriam basicamente o atrito nos pontos de rotação e talvez pesos de controle de posição para manter o equilíbrio conforme os movimentos humanos, e ambos devem ser pequenos
Dito isso, a solução sem tecnologia proposta tem ótimo custo-benefício e é realista para os estágios iniciais ou para postos avançados ocupados só ocasionalmente
Finalmente virei alguém com uma experiência estranhamente relevante. Em 2012, construí uma grande plataforma circular giratória com cerca de 6 m de diâmetro, ou seja, a maior roda de hamster do mundo[1]
Era divertido e peculiar para correr por pouco tempo, mas a maioria das pessoas ficava tonta depois de alguns minutos trotando. A plataforma curva também trazia risco de queda
Na prática, ela acabou sendo usada mais como uma espécie de balanço, mas não sei se isso funcionaria na Lua
Sou cético de que a experiência na Lua seria muito melhor. Especialmente porque o diâmetro proposto é ainda menor
Há algum motivo para algo como uma máquina de remo com água não funcionar na Lua? Também daria para acrescentar um colete com peso ou um assento pesado
Remo é um exercício de quase corpo inteiro, e não parece depender tanto assim da gravidade
Em teoria, exercícios compostos importantes como agachamento ou levantamento terra estimulam quase todos os músculos do corpo, então poderiam ajudar bastante. Fazer levantamentos pesados 2 ou 3 vezes por semana já pode gerar bastante crescimento muscular contínuo
Claro que no espaço não há peso, então não dá para levantar pesos literalmente. Mas é possível criar resistência com elásticos, dispositivos pneumáticos etc.
Remo é excelente porque combina treino resistido e aeróbico ao mesmo tempo
Na Lua existe gravidade, só que fraca. Ninguém considera simplesmente agachar e fazer levantamento terra com pedras enormes? Se você encher uma grande cesta com rochas lunares, uma hora ela vai ficar pesada
“Exercícios contínuos de baixa intensidade ou treinos intervalados de alta intensidade no ergômetro podem ajudar a preservar a aptidão cardiorrespiratória, mas têm pouco efeito sobre a massa muscular e a massa óssea”
Em Imperial Earth, de Arthur C. Clarke, aparece uma pista circular de bicicleta dentro de uma nave espacial de baixa gravidade.
O protagonista pedala muito rápido nessa pista para treinar para a gravidade da Terra, até sentir 1G.
Lembrei da corrida na parede circular de 2001 Space Odyssey, de mais de 50 anos atrás: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Fico curioso se as duas direções seriam percebidas como “subida” e “descida”, respectivamente. Para fins de treino, provavelmente a subida seria melhor.
Não sei se o filme fornece informações suficientes para calcular em que direção o trecho giratório está rodando.
Ficar dando voltas em círculo parece uma ótima maneira de vencer o tédio.
Ao lado do dispositivo de nome bem apropriado Wheel-of-Death, há também uma sala dedicada a observar tinta secar e, segundo o material promocional, isso é parecido com observar pássaros.
Não entendo por que a caminhada de corpo inteiro seria a melhor forma de evitar atrofia muscular e desmineralização óssea. Mesmo na Terra, ela não é a melhor.
Uma abordagem melhor provavelmente seria fazer musculação com faixas elásticas ou rochas lunares.
Bastaria estabelecer novos recordes lunares em exercícios como levantamento terra e agachamento.
Mais precisamente, qualquer método testado na Terra, como faixas elásticas ou levantamento de peso, também incluía uma quantidade considerável de caminhada de corpo inteiro dentro de um campo gravitacional forte.
Fazer agachamento e levantamento terra na academia por uma hora, três vezes por semana, pode trazer excelentes resultados. Mas esse estilo de vida também inclui exposição à gravidade de 1G 24 horas por dia.
Andar de skate na Lua deve ser incrível.
https://what-if.xkcd.com/124/