Tolerancia biológica a la aceleración
La tolerancia biológica a la aceleración es la capacidad que tiene un organismo para resistir y aceptar los efectos de aceleración aplicada sobre el mismo, bien por efecto de fuerzas o por variaciones de la velocidad.
El efecto producido sobre un objeto debido a la aplicación de una fuerza sobre el mismo es indistinguible del producido por aplicar una cierta aceleración equivalente (segunda ley de Newton). Es decir, cuando aceleramos un cuerpo, éste experimenta un efecto equivalente al de aplicar una cierta fuerza sobre el mismo cuya magnitud es la resultante de multiplicar la aceleración experimentada por la masa del cuerpo.
Por otra parte, la aceleración es la variación del vector velocidad, tanto en magnitud como en dirección y sentido. Por ello, podemos distinguir dos casos base de aceleración. Aceleración en un movimiento rectilíneo -aceleración lineal- y aceleración en un movimiento curvilíneo que resulta en una aceleración centrípeta que tiende a empujar al objeto fuera de la trayectoria circular.
Tabla de contenidos
Movimiento rectilíneo:
La aceleración depende de la variación de la velocidad lineal. Así, para experimentar una aceleración de 1g, equivalente a la que se experimenta en la superficie de la Tierra, el incremento de velocidad debe ser de 9,8 m/s por cada segundo que pase. Es decir, partiendo del reposo, al cabo de un segundo el cuerpo sometido a esta aceleración irá a 9,8 m/s (unos 35 km/h), al cabo de dos segundos irá a 70 km/h, al cabo de tres segundos ya irá a 105 km/h...
Una hipotética nave espacial que desarrollara esta cómoda aceleración tardaría casi un año en alcanzar la velocidad de la luz, lo que ha sido tomado como un método muy conveniente para obtener gravedad artificial en algunas novelas de ciencia ficción dura. En ese tiempo habría recorrido aproximadamente medio año luz. Así, para viajar hasta la estrella más cercana a nuestro sol, Próxima Centauri, situada a 4,22 años luz, deberíamos acelerar la nave durante un año a 1g de gravedad, luego mantener la nave a velocidad constante (aceleración nula) durante algo más de tres años y luego decelerarla durante otro año más, más de cinco años en total.
Como se ve, que se tarde un año en alcanzar esta velocidad máxima, aunque cómodo para los tripulantes, tiene el inconveniente de que alarga la duración del viaje, aunque esto queda relativizado si tenemos en cuenta las distancias interestelares. Acelerar la nave a sólo 2g (es decir, 19,6 m/s) reduciría a la mitad el tiempo que se tarda en alcanzar esta velocidad, y consecuentemente, reduciría también el tiempo de travesía. En el ejemplo anterior, se alcanzaría la velocidad de la luz en apenas tres meses y el tiempo total de singladura hasta Próxima Centauri se recortaría en medio año. Considerando el viaje a estrellas más lejanas, el recorte en tiempo que se consigue por desarrollar mayores aceleraciones resulta en un porcentaje realmente reducido, por lo que no parece interesante reducir drásticamente la comodidad de los tripulantes para ganar un poco de tiempo.
En distancias más reducidas, por ejemplo, dentro del propio Sistema Solar, ganar la velocidad de crucero lo antes posible sí parece una ventaja táctica deseable.
Tierra y Marte están separados por una distancia de unos 225 millones de kilómetros. Acelerar a 1g la mitad del recorrido y decelerar a 1g la otra mitad arroja un tiempo de singladura de poco más de 84 horas, con una velocidad máxima en el ecuador del viaje de 1.484 kilómetros por segundo. Poder acelerar al doble de velocidad permite a la nave llegar un día antes. A 3g se recorta otro medio día. A 4g se recortan seis horas más...
Este recorte, cada vez menor, tiene un precio evidente: los tripulantes deben soportar de manera continuada, durante días, aceleraciones varias veces la de la Tierra a la que están acostumbrados, punto en el que entra en juego la resistencia de nuestro cuerpo a tales esfuerzos.
Movimiento circular:
Al estudiar el movimiento circular, es decir, al girar en la trayectoria, los resultados son mucho más dramáticos y pueden llegar a escapar a las escalas de comparación que nos son familiares.
La aceleración centrípeta es aquella que aparece en el cuerpo cuando éste trata de modificar su trayectoria rectilínea. Esta aceleración es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad lineal que lleva el cuerpo e inversamente proporcional al radio con el que está girando. A mayor radio, menor será la sensación de tirón que se produzca; y cuando mayor sea la velocidad del objeto, mucho mayor será la fuerza que perciba.
Hagamos algunos números:
Siguiendo el ejemplo del viaje a Marte, pongamos que nuestra nave lleva un día acelerando a 1g, ha alcanzado la velocidad de 1400 kilómetros por segundo y, en ese momento, se ve forzada a realizar una maniobra evasiva para evitar chocar con un pequeño asteroide. Pongamos que lo ha visto con poca antelación, tiene que maniobrar rápido, y que necesita girar en una curva con un radio de un buen millón kilómetros. A esa velocidad, es el radio mínimo para separarse 1000 metros a un lado en un segundo de tiempo. Bien, en el momento que empiece a girar y durante el segundo que dura la maniobra, la nave y todos sus tripulantes experimentarán una aceleración de unas 200g. Suficiente para destrozar a todo ser vivo si es que la nave no se ha desintegrado antes.
Evidentemente, un ser humano no puede soportar 200g pero, ¿cuál es el limite que podemos soportar?
Intensidad, dirección, duración:
La tolerancia humana a las fuertes aceleraciones depende de tres factores fundamentales. Aparte de la intensidad de la aceleración experimentada es también muy importante la dirección en la que se experimenta y, especialmente la duración durante la cual se experimenta.
En lo relativo a la dirección en la que se experimenta la aceleración hay que señalar que el ser humano soporta mucho mejor aceleraciones en el sentido de avance (digamos tumbados de espaldas y avanzando en la dirección de la mirada) que en el sentido contrario debido a que la retina y los vasos sanguíneos parecen más sensibles en esta posición. Se resisten peor las aceleraciones verticales (en la dirección de la espina dorsal), pero también en este caso influye enormemente el sentido de la fuerza percibida, ya que afecta al suministro sanguíneo al cerebro.
En cuanto al tiempo de exposición a la aceleración, la variación es muy acusada, pudiendo resistir aceleraciones ultracortas de 20 ó 30g (dependiendo de la orientación), resistencia que decae enormemente con el tiempo.
Algunos ejemplos de resistencia:
Se ha comprobado que el ser humano puede resistir aceleraciones horizontales (en las que la fuerza experimentada parece ir del pecho hacia la espalda) de 12 a 20g por espacio de diez segundos sin daños aparentes para el organismo, llegando a soportar 8-9g por espacio de 30 segundos. En tiempos ultracortos, de menos de una décima de segundo, puede llegar a soportar más de 30g.
En sentido vertical, si la aceleración produce que la sangre no fluya al cerebro (se habla de aceleraciones negativas), se puede llegar a perder la conciencia cuando se mantiene durante varios segundos una aceleración superior a 3 ó 4g, aunque se puede soportar aceleraciones instantáneas de más de 10g. En el sentido opuesto (acelerando de arriba hacia abajo) la intensidad que se puede resistir se duplica. En sentido lateral (acelerando a izquierda o derecha) los desempeños son intermedios entre las anteriores.
La capacidad de resistir la aceleración se puede entrenar hasta cierto punto. Los pilotos profesionales pueden llegar a soportar aceleraciones positivas sostenidas de más de 9g.
Se han registrado casos excepcionales como accidentes en competiciones de alta velocidad en el que los pilotos se han visto sometidos a picos de aceleración decenas de veces la de la gravedad con diversas consecuencias menores como rotura de huesos o aplastamiento de vértebras.
Efectos en el organismos:
La aceleración produce variaciones en la presión sanguínea. Mantener aceleraciones inusuales durante varios segundos puede producir que la sangre se concentre en algunas partes del cuerpo dejando sin riego a otras, por ejemplo, el cerebro. Típicamente, las aceleraciones verticales producen un cuadro progresivo: primero la visión se oscurece, luego se produce un efecto túnel (pérdida de visión periférica), perdida de visión total (aunque aún se mantiene la conciencia) y finalmente, la perdida de conciencia. Si la aceleración se mantiene tras la pérdida de conciencia, puede sobrevenir la muerte.
El aumento de la presión sanguínea en aceleraciones moderadas de 2 o 3g durante periodos de tiempo prolongados puede conducir a roturas de vasos sanguíneos y lesiones oculares. El aumento del esfuerzo cardíaco puede contribuir a desarrollar cardiopatías y producir arritmias e incluso la parada cardiorrespiratoria.
Trajes antigravedad:
Los trajes antigravedad forman parte del equipamiento real de los pilotos de combate. Son prendas que operan sobra las extremidades inferiores, es decir, pantalones. Un sistema de cámaras se hinchan al aumentar la aceleración vertical, lo que oprime las piernas y el abdomen del piloto dificultando que la sangre se desplace a esta parte del cuerpo y favoreciendo la irrigación de la parte superior, especialmente el cerebro.
Son útiles, por lo tanto, en maniobras con fuertes ascensos verticales en los que la sangre huye del cerebro hacia los pies. Pero no son de ayuda en descensos verticales (aceleraciones negativas) en los que ocurre lo contrario.
En la ciencia ficción:
Muchas obras que tratan de abordar la space opera desde un punto de vista científico riguroso han tenido en cuenta estos efectos perniciosos de la gravedad, especialmente cuando se describen maniobras evasivas propias de batallas espaciales.
La guerra interminable (Joe Haldeman, 1975) es un buen ejemplo del abanico de condiciones a tener en cuenta cuando se trata de las velocidades astronómicas e incluso relativistas de estas naves espaciales. Al principio de la novela, por ejemplo, los reclutas carecen de equipamiento específico para soportar grandes aceleraciones y cuentan únicamente con el entrenamiento físico y unas rudimentarias "literas antigravedad" para soportar la moderada aceleración de la nave cuando está ganando velocidades cercanas a la de la luz. En misiones sucesivas, a medida que la tecnología progresa y la contienda se recrudece, asistimos a las primeras batallas espaciales en las que las aceleraciones centrípetas toman el protagonismo. Durante las mismas, los tripulantes no pueden hacer otra cosa salvo esperar inmersos en "cápsulas de aceleración" que permiten aguantar aceleraciones de varias decenas de g mientras el ordenador de a bordo de la nave tiene el control. Hadelman describe mecanismos cada vez más sofisticados que conducen a aumentar la presión interior del organismo. Primero sumergiéndose en estas cápsulas utilizando trajes que se pegan al cuerpo y más adelante sustituyendo el aire por otros fluidos capaces de trasportar oxígeno.
Un mecanismo similar se describe en The Expanse (2015). Cuando se aproximan momentos en los que las naves deben acelerar para ganar velocidad o se prevén maniobras bruscas, los tripulantes se inmovilizan en los asientos y se les inyectan un coctel de fluidos (denominado en la serie, "el zumo") con anticogulantes, reforzadores de vasos sanguíneos, adrenalina... que protegen el sistema cardiovascular de las altas aceleraciones preservando la agudeza mental. Como se refleja en la serie, la protección no es perfecta y es usual la aparición de derrames cerebrales en los pilotos que lo usan.
En Galáctica (2003) la táctica empleada es muy diferente. La nave permanece en movimiento inercial durante el combate y la defensa de la misma recae por completo en las baterías de fuego de supresión y en los cazas espaciales Viper. Las maniobras se realizan con extremada lentitud y la única maniobra evasiva es activar el salto FTL. Queda sin atender en la serie cómo los pilotos de los Viper son capaces de resistir las enormes aceleraciones a los que sin duda se verán sometidos durante la batalla. Algo, por otra parte, habitual en casi toda la space opera.
| Velocidad: | Baja (Velocidades no comparables a c) | Alta (Velocidades superiores a un décimo de c) | Supralumínica (Velocidades superiores a c) |
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