A novel human-powered centrifuge approach for pilots

A novel human-powered centrifuge approach for pilots training
based on the ground
Marcelo Possamai Albuquerque1
, Marcelo José Anghinoni Nava 2
Michele dos Santos Gomes da Rosa 3
Thais Rusomano4
RESUMO: O ser humano está adaptado a viver com uma aceleração gravitacional
aproximada de 9,81 m/s², caso ele sofra o efeito de alguma aceleração maior ou
menor, ele pode apresentar problemas fisiológicos. As centrífugas são utilizadas
para treinar o corpo humano e torná-lo mais resistente à Força G, sendo muito
úteis para a simulação do aumento da força gravitacional. Poucos estudos com
enfoque fisiológicos foram realizados, por isso uma centrífuga está sendo
desenvolvida junto a PUCRS, com o diferencial de ser tracionada por força
humana, o que possibilitará o estudo do efeito de uma gravidade simulada com a
aplicação de exercícios.
ABSTRACT: Human-powered machines that can be operated as centrifuges or as
stationary exercise stations have been invented. These machines are suitable for a
variety of terrestrial and outer-space applications that involve physical therapy,
maintenance of physical fitness, centrifugal simulation of gravitation or acceleration,
and/or measurement of physiological responses to exercise and centrifugation. A
machine of this type can be operated in any of several selectable modes, in which
one or more human participant(s) can be active or passive and in which the speed
of rotation (and thus the centripetal acceleration), the human-generated torque, or
the human-generated power can be regulated. Computational simulations were
conducted in order to find out possible operational problems, testing systems
integrity, turning it possible to overcome next challenges. Tests with human subjects
are going to be made as soon as possible.
Keywords: human centrifuge; G-force; hypergravity; aviation; training
1
Mdo. Engenharia Biomédica; Eng. De Controle e Automação – [email protected]
2Mdo. Engenharia Biomédica; Eng. Químico - [email protected]
3MsC. Engenharia Biomédica Aeroespacial; Fisioterapeuta- [email protected]
1Coordenadora do Centro de Microgravidade, docente PPGE, Ph.D Medicina Aeroespacialorientadora.
INTRODUÇÃO
A busca do ser humano para aperfeiçoar sua tecnologia aeroespacial, fez com
que ele descobrisse as barreiras impostas pela sua anatomia adaptada aos efeitos
da gravidade terrestre. Ao tentar permanecer em ambientes sujeitos a uma
aceleração diferente a que estamos habituados, como aviões de combate durante
manobras ou ambientes fora da terra, o corpo não responde corretamente. Existem
diversos equipamentos no mundo com o objetivo de realizar treinamentos e
preparar o corpo para enfrentar esse tipo de variação. A centrífuga humana é um
dos equipamentos mais eficazes para cumprir esse tipo de tarefa. O Centro de
Microgravidade desenvolve pesquisas nessa área, porém não possui um
equipamento para treinar e estudar os seres humanos.
OBJETIVOS
Desenvolver no Centro de Microgravidade/FENG, uma centrífuga humana que
seja capaz de suportar altas acelerações para simular todos os sintomas do eixo
Gz+ sobre o organismo humano. O equipamento não possuirá motor, será utilizada
tração humana, permitindo o fortalecimento muscular. O projeto será de baixo
custo e apresentará boa mobilidade para poder ser utilizado em diversos
ambientes, permitindo que um local específico não precise ser construído.
JUSTIFICATIVAS E ESTADO DA ARTE
Atualmente, existem centrífugas com o potencial de alcançar uma
aceleração de 30G no eixo Gz +, com implementos de até 7G/s. São equipamentos
com motores elétricos de alto custo e necessitam de uma infra-estrutura muito
elaborada para sua instalação e funcionamento. No Brasil não existem centrífugas
humanas em funcionamento, sendo assim, não são realizados estudos nessa área.
Para se efetuar o treinamento de pilotos sob o efeito de grandes acelerações eles
devem ser enviados para outro país que possua uma centrífuga, tendo um alto
custo envolvido nesses treinamentos. Por isso, justifica-se a construção de uma
centrifuga nacional para suprir a carência de pesquisas e treinamentos em
simulação de hipergravidade.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Com a perspectiva do aumento crescente de missões espaciais tripuladas de
curta e longa duração, torna-se cada vez mais importante o conhecimento dos
efeitos do ambiente espacial modificado – notadamente o interior das naves
espaciais – sobre o organismo humano. Não subestimando a importância dos
outros fatores ambientais, como radiações cósmicas, a atmosfera artificial das
espaçonaves (e das vestimentas para atividades extra-veiculares), a ausência de
ciclo claro/escuro natural, o confinamento, a virtual ausência de gravidade é
certamente a maior causa de alterações fisiológicas e doenças reconhecidas até
hoje nos astronautas e animais de experimentação lançados ao espaço.
Neste contexto, não é demais lembrar a presença de outros fenômenos, como
o +Gz, que corresponde ao aumento da gravidade no eixo z, cabeça – pés,
estimulando o sistema cardiorespiratório a atuar de forma diferenciada. Estes
sistemas ficam expostos ao +Gz durante a fase de decolagem e de retorno à Terra,
bem como em manobras realizadas por pilotos militares em situação de combate .
Através de centrífugas humanas, consegue-se simular o aumento da Força
Gravitacional terrestre, ou seja, simular a hipergravidade. Com treinamento em
centrífugas humanas é possível postergar a perda de consciência causada pela
hipergravidade, tornando o corpo humano mais tolerante à Força G.
Gravidade
O matemático inglês Sir Isaac Newton postulou a Lei da Gravitação
Universal onde afirmava que dois sistemas quaisquer se atraem com uma força
proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado
da distância entre eles. Por sua vez o planeta Terra exerce uma força de atração
(aceleração gravitacional) que pode ser considerada constante para qualquer corpo
em sua superfície, possuindo o valor aproximado de 9,81 m/s² no qual é utilizado
como padrão de gravidade e conhecido também como Força G. Em situações que
existem
acelerações
acima
de
G,
denominamos
essas
acelerações
de
Hipergravidade, e quando as acelerações tendem a 0 são denominadas de
Microgravidade.
Hipergravidade
A hipergravidade caracteriza-se por um peso aparente maior do que seu peso
real. O princípio da Equivalência de EINSTEIN afirma que a aceleração produzida
por uma força qualquer causa os mesmos efeitos sobre um corpo do que uma força
de origem gravitacional o faria. Quando um corpo é acelerado com uma
intensidade maior que g, ele é considerado, para efeito de cálculo, como estando
submetido a uma força gravitacional maior que a força gravitacional terrestre.
No meio aeroespacial, estas situações são freqüentemente encontradas nos
vôos orbitais, em suas fases de lançamento e re-entrada, assim como nos vôos de
aeronaves acrobáticas e de alta performance, como os caças de combate. As
forças que geram ambientes de hipergravidade e que são encontradas durante vôo
também podem ser criadas em solo, através de centrífugas, cujo objetivo é
exatamente treinar e condicionar pilotos e astronautas.
Efeitos da simulação de Hipergravidade em pilotos
Quando em movimento, um piloto de avião possui a influência de acelerações em
diversos sentidos, sendo assim, a fisiologia aeroespacial separou essas
acelerações em eixos para melhor identificar seus efeitos, “figura 1”. Por possuir
alguns dos efeitos mais importantes que grandes acelerações podem causar no ser
humano, e o único no qual podemos atuar com contramedidas para minimizar o
desgaste no sistema fisiológico, o eixo Gz+ é primordial para o desenvolvimento
deste projeto.
Figura 1 Descrição dos eixos das acelerações
As principais conseqüências fisiológicas desta aceleração no eixo Gz+ é o
deslocamento dos fluídos corporais para a parte inferior do corpo, principalmente o
pooling de sangue para as pernas e baixo abdome, reduzindo assim a pressão
arterial na cabeça e no tórax. A baixa pressão arterial ocasiona por sua vez uma
hipóxia do tipo estagnante, levando à deterioração funcional do sistema nervoso
central por baixa perfusão, ocasionando o aparecimento dos sintomas visuais
conhecidos como Gray-out e Black-out, podendo levar a perda de consciência
denominada de G-LOC. A aparição desses sintomas pode variar com a quantidade
de aceleração aplicada, e a duração dessas aplicações, “figura 2” (Ernisting, 1999).
Figura 2 Efeitos da Gz+
Sintomas visuais da Gz+
A exposição à condição de hipergravidade pode levar a deterioração da
visão, caso a pressão arterial na retina caia para abaixo da pressão normal,
impedindo o correto fluxo sangüíneo.
Quando a pressão arterial do olho cai para 50mmHg, ocorre a perda da acuidade
visual, diminuição da visão periférica e perda da capacidade de distinguir cores,
fenômeno conhecido como grey-out. Em níveis de aceleração mais altos que
ocasionam a queda dessa pressão para aproximadamente 20 mmHg, igualando-se
a pressãointra-ocular, ocorre a perda completa da visão que é o fenômeno
conhecido como Black-out.
Perda da consciência induzida através da Gz+
A exposição a forças Gz+ mais elevadas do que aquelas que produzem
black-out levam ao fenômeno conhecido como G-LOC que é a perda da
consciência, devido à perfusão sanguínea insuficiente do sistema nervoso central.
A recuperação da consciência após a normalização da força G é normalmente
lenta, possuindo em média 15 segundos de completa incapacitação, seguidos por
um período semelhante de confusão mental até a efetiva recuperação. Devido ao
fato de que o G-LOC pode ser sucedido por um breve período de amnésia, ele
pode passar despercebido. Alguns estudos mostram que aproximadamente 50%
das pessoas que sofrem G-LOC em centrífugas humanas não se lembram do fato.
Força Centrípeta e Força Centrífuga
A ocorrência de um ambiente que simula a hipergravidade é devido ao
aparecimento de uma força centrípeta. No solo, esta força é realizada pela tensão
do braço da centrífuga, enquanto que em um vôo de trajetória circular, a força
centrípeta é a própria força de sustentação gerada pelas asas das aeronaves. Em
vôos espaciais, a força que cria a hipergravidade não é de origem centrípeta, mas
origina-se da aceleração ou desaceleração da espaçonave no sentido de sua
trajetória.
Para analisar aspectos físicos envolvidos em uma situação de hipergravidade,
deve-se observá-la através de um referencial inercial, para que as leis de
movimento de Newton sejam válidas e não seja preciso criar forças fictícias para
validá-las. Para observar-se o fenômeno do ponto de vista biomédico e fisiológico,
pode-se compreender a partir de um referencial acelerado, onde as reais forças
atuantes no sistema são desprezadas e substituídas por uma simples força
gravitacional mais levada, a fim de explicar os acontecimentos decorrentes de tal
situação (GOMES, M.S 2008)
Têm-se uma centrífuga, “figura 3”, com raio r, centro em O e com uma
massa B em sua extremidade. Quando o sistema entra em Movimento Circular
Uniforme, existirá uma força de atração em B sempre perpendicular ao vetor
velocidade v e orientada para o centro da curva, chamada de Força Centrípeta. A
tendência da massa B de manter seu estado de inércia é conhecida como Força
Centrífuga.
Figura 3 Representação dinâmica de uma centrífuga
A teoria da máxima energia de distorção de Von Mises-Hencky
Materiais dúcteis como o aço e o alumínio, quando estão sob o efeito de uma
tensão de cisalhamento, sofrem um deslizamento relativo de seus átomos dentro
da sua estrutura cristalina. A energia acumulada na peça devido a esse
deslizamento é um indicador da magnitude da tensão de cisalhamento presente. A
tensão equivalente de Von Mises é definida como a tensão de tração uniaxial que
criaria a mesma energia de distorção que é criada pela combinação atual das
tensões aplicadas. Esse procedimento permite tratar casos de tensão multiaxial
combinando as tensões de cisalhamento como se fossem devidos a um
carregamento de tração pura.
PROPOSTA
A centrífuga deverá possuir um braço desenvolvido com um material que tenha
uma boa relação entre peso, resistência e preço. Em sua extremidade externa será
fixado um apoio triangular com uma roda central, de modo que a mesma fique em
contato com o chão e sirva de apoio para o braço.
Um assento será inserido nesse braço para que o usuário consiga ficar
posicionado com as costas paralelas ao chão, a barriga para cima e os pés em
direção a extremidade, de maneira que a força centrípeta represente a aceleração
do eixo Gz+.
Um sistema de pedal será inserido no local onde ficaram os pés do usuário, para
que ele possa mover o sistema através de pedaladas. Esse pedal será ligado a
uma correia que transmitirá o movimento dos pedais para um redutor de
engrenagens cônicas localizado no eixo de rotação da centrífuga. Esse redutor
será o responsável por mudar em 90° a direção do torque aplicado pelo voluntario
e transferi-lo para o eixo de rotação do sistema. Um rolamento será fixado entre o
eixo e um mancal que estará conectado a uma base piramidal.
Para se escolher a menor aceleração capaz de gerar os 3 principais sintomas da
Gz+, foi analisado o gráfico que demonstra as acelerações em Gz+ e a ocorrência
dos sintomas conforme o tempo de exposição e o valor encontrado foi de 5Gs.
Projeto do braço da centrífuga
Devido ao baixo custo e boa resistência, o material escolhido para se construir o
braço é o aço carbono 1020 que possui módulo de elasticidade de 200 GPa,
coeficiente de Poissons de 0.290, dureza de 66 RB e tensão de escoamento de
165 MPa(Sociedade Engenharia, 2009). As barras de aço serão de perfil retangular
com 30mm de largura, 60mm de altura e espessura de 1.5mm.
O comprimento do braço foi escolhido pensando-se na mobilidade e espaço para
sua locação, tendo como sua limitação de valor mínimo o fato de que quanto maior
o braço menor a velocidade que ele deve girar para se obter a mesma aceleração.
As dimensões escolhidas para se testar foram: largura de 800mm, comprimento
total 2700mm, raio 2400mm, extremo do voluntario na qual será localizada a força
Centrifuga de 2200mm até o centro de rotação. Com essas dimensões foi
calculado, “equação 1”, que a velocidade necessária para se obter os 5Gs é de 45
rpm, e por ser um valor de velocidade que o sistema é capaz de alcançar, as
dimensões foram validadas.
ϖ=
a
l
(1)(1)
Onde w é velocidade angular, a é aceleração e l o comprimento.
Como suporte para a locação dos equipamentos e voluntario, serão utilizados um
modelo comercial de perfis de alumínio estrudado, com dimensões de 40mm de
largura por 40mm de altura.
Para validar a estrutura quanto a carga que ela suporta sem realizar grandes
deformações ou até mesmo romper, foi desenvolvido um modelo computacional no
Software Pro EngineerWildfire 4.0, e utilizando a ferramenta de analises mecânicas
ProMechanica para realizar os testes estáticos, “figura 4”. Esse software foi
escolhido devido sua eficiência e disponibilidade.
Figura 4 Projeto Computacional da estrutura da centrífuga movida à tração humana
Devido à alta complexidade da estrutura dos perfis de alumínio, o software não
conseguiu bons resultados quanto a esse modelo, por isso, um modelo simplificado
para os testes foi desenvolvido, “figura 5”, na qual as barras de alumínio foram
desprezadas e substituídas por quadrados de 40mm x 40mm com altura de 1mm,
feita com o aço 1020. (figura). Esses quadrados foram feitos apenas para se ter o
local exato onde as forças sob as barras de alumínio estão sendo aplicadas. Essas
forças foram dividas simetricamente entre cada ponto de junção com a estrutura de
aço, sendo que nos locais onde se fixa o voluntario foi considerado um peso de
120Kg para o voluntario, 20Kg como sendo o banco e eventuais materiais para se
depositar na região e 8Kg sendo o peso da barra. Tendo um total de 140Kg, se
multiplica pela Gravidade para se obter a força aplicada. Por serem 4 pontos de
ligação nessa parte da estrutura, cada um deles terá uma força de 362.97N.
Na região na qual está localizado o pedal, estipulou-se um peso de 5Kg em
equipamentos e 8Kg sendo o peso das barras de alumínio, divido em quatro
pontos, sendo de 31.88N a força em cada um deles.
O sistema foi engastado no eixo de rotação e na extremidade onde fica localizado
o apoio com o chão.
Figura 4 Projeto Computacional da estrutura da centrífuga movida à tração humana
RESULTADOS ESPERADOS
Com o modelo computacional foram realizados dois testes para se validar o
material, teste de deformação e o teste da máxima energia de distorção de Von
Mises-Hencky. No primeiro teste os resultados são vistos na “figura 5”, no qual o
sistema respondeu muito bem, com pequenas deformações, tendo a região central
chegado no valor máximo de aproximadamente 5mm de deformação. Vale lembrar
que esse modelo é o simplificado, que não possui as barras de alumínio que
ajudam a diminuir esse valor de deformação, sendo assim, as deformações reais
tendem a ser menores que a do sistema simulado.
Figura 5 Teste de deformação feito no Pro EngineerWildfire 4.0
O teste de Von Mises, demonstrado na “figura 6”, obteve ótimos resultados, pois
o acumulo de tensões é mínimo, abaixo de 1 N/mm². Na “figura 7”, temos um zoom
da extremidade que apresentou o maior acumulo de tensões, porém esses altos
valores não preocupam, pois assim como no caso da deformação, os testes foram
feitos com o sistema simplificado, que não possui a sustentação das barras de
alumínio, que no caso das tensões, reduziria drasticamente os valores.
Figura 6 Teste de Von Mises feito no Pro EngineerWildfire 4.0
Figura 7 Zoom no ponto crítico do teste de Von Mises feito no Pro EngineerWildfire 4.0
Com isso, o modelo foi aprovado,e está pronto para ser construído, tendo agora
como resultado esperado o seu bom funcionamento como demonstra as
simulações, e que se consiga obter a aceleração de 5Gs para poder realizar os
treinamentos e pesquisas com grande efetividade.
REFERÊNCIAS
[1]
GOMES,M.S
Desenvolvimento
de
uma
gôndola
para
realização
de
experimentos em uma centrífuga. Dissertação (Mestrado) – Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2008.
[2]
BROILO,T. Implementação de uma centrífuga humana. Dissertação (Mestrado)
– Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2008.
[3]
ERNSTING, J.; NICHOLSON, A; RAINFORD, D. Aviation Medicine [S1.: s.n.],
1999
[4]
Society of Automotive Engineers, http://www.sae.org