A novel human-powered centrifuge approach for pilots
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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