Các tác động của áp suất oxygen thấp lên cơ thể
Các tác động của lực gia tốc ly tâm lên cơ thể (G dương)
Các tác động lên hệ thống tuần hoàn. Tác động quan trọng nhất của gia tốc ly tâm là lên hệ thống tuần hoàn bởi vì máu thì di động và có thể được chuyển dịch vị trí bởi các lực ly tâm.
Khi một phi công chịu tác động của G dương, máu được ly tâm về phía phần dưới của cơ thể. Vì thế, nếu như lực gia tốc ly tâm là +5 G và người đó trong một tư thế đứng bất động thì áp suất trong các tĩnh mạch của bàn chân trở nên tăng mạnh (đến khoảng 450 mm Hg). Trong tư thế ngồi, áp suất trở thành gần 300 mm Hg. Ngoài ra, khi áp suất trong các mạch máu của phần dưới cơ thể tăng, các mạch máu này bị giãn một cách thụ động đến nỗi một phần lớn máu từ phần trên cơ thể được chuyển dịch vào trong các mạch máu bên dưới. Bởi vì tim không thể bơm máu nếu máu không thể trở về tim nên các lượng máu càng lớn được “giữ” theo cách này trong phần dưới cơ thể, càng ít cung lượng tim có sẵn.
Hình 44-3 cho thấy các sự thay đổi trong các áp suất động mạch tâm thu và tâm trương (lần lượt là các đường cong trên cùng và dưới cùng) trong phần trên cơ thể khi một lực gia tốc ly tâm là +3.3 G được đặt đột ngột lên một người đang ngồi. Chú ý là cả hai áp suất này đều giảm xuống dưới 22 mm Hg trong vài giây đầu tiên sau khi sự gia tốc bắt đầu nhưng sau đó trở về một áp suất tâm thu là khoảng 55 mm Hg và một áp suất tâm trương là 20 mm Hg trong vòng 10 đến 15 giây tiếp theo. Sự hồi phục thứ phát được gây ra chủ yếu bởi sự hoạt hóa của các phản xạ baroreceptors.
Sự gia tốc lớn hơn 4 đến 6 G gây ra mất thị lực (blackout) trong vòng một vài giây và mất ý thức nhanh chóng sau đó. Nếu như mức độ gia tốc lớn này được tiếp tục, người đó sẽ chết.
Các tác động lên các xương đốt sống. Các lực gia tốc cực kỳ cao thậm chí trong tích tắc có thể làm gãy các xương đốt sống. Mức gia tốc dương mà người trung bình có thể chịu đựng được trong tư thế ngồi trước khi gãy xương đốt sống xảy ra là khoảng 20 G.
G âm. Các tác động của G âm lên cơ thể là ít nghiêm trọng cấp tính hơn nhưng có thể gây tổn thương lâu dài hơn so với các tác động của G dương. Một phi công thường có thể đi qua các vòng ngoài (outer loops) lên đến các lực gia tốc âm là -4 đến -5 G mà không gây ra tác hại vĩnh viễn mặc dù gây ra sung huyết tạm thời nặng của vùng đầu. Đôi khi, các rối loạn tâm thần kéo dài từ 15 đến 20 phút xảy ra do phù não.
Đôi khi, lực G âm có thể rất lớn (như -20 G) và sự ly tâm của máu vào trong đầu thì lớn đến nỗi áp suất máu não đạt đến 300 đến 400 mm Hg, đôi khi làm cho các mạch máu nhỏ trên bề mặt của đầu và trong não vỡ. Tuy nhiên, các mạch máu bên trong hộp sọ cho thấy khuynh hướng ít vỡ hơn so với chúng ta nghĩ vì các lý do sau. Dịch não tủy được ly tâm về phía đầu cùng lúc mà máu được ly tâm về phía các mạch máu của sọ não và làm cho áp suất của dịch não tủy tăng mạnh, đóng vai trò như là một đệm trên phía bên ngoài của não để ngăn cản sự vỡ mạch máu trong não.
Bởi vì các mắt thì không được bảo vệ bởi hộp sọ nên sung huyết mạnh xảy ra suốt quá trình G âm lớn trong mắt. Kết quả, các mắt thường trở nên mù tạm thời, tình trạng được gọi là “redout” (đỏ thị trường).
Sự bảo vệ cơ thể khỏi các lực gia tốc ly tâm. Các thủ thuật và máy móc đã được phát triển để bảo vệ phi công khỏi trụy tuần hoàn mà có thể xảy ra trong suốt G dương. Đầu tiên, nếu như phi công gồng các cơ bụng cực kỳ mạnh và cúi người về phía trước để đè ép bụng, một ít sự tích tụ máu trong các mạch máu lớn của bụng có thể được ngăn cản, làm trì hoãn sự khởi phát của “blackout”. Ngoài ra, bộ đồ “kháng G” được phát triển để ngăn cản sự tích tụ của máu trong bụng dưới và các chân. Đơn giản nhất trong số này là đặt áp suất dương lên các chân và bụng bởi các túi đè ép căng phồng khi lực G tăng lên.
Về mặt lý thuyết, một phi công ngập trong một buồng hoặc bộ đồ chứa nước có thể trải qua ít tác động của các lực G lên hệ thống tuần hoàn bởi vì các áp suất phát triển trong nước mà đè ép lên bên ngoài cơ thể trong suốt sự gia tốc ly tâm sẽ hầu như cân bằng một cách chính xác với các lực tác động trong cơ thể. Tuy nhiên, sự có mặt của không khí bên trong các phổi vẫn sẽ cho phép sự dịch chuyển của tim, các mô phổi và cơ hoành vào trong các vị trí bất thường một cách nghiêm trọng mặc dù chìm trong nước. Vì thế, ngay cả nếu như thủ thuật này được sử dụng, giới hạn an toàn gần như chắc chắn là vẫn sẽ thấp hơn 10 G.
Các tác động của các lực gia tốc tuyến tính lên cơ thể
Các lực gia tốc trong du hành không gian. Không giống như một máy bay, một tàu vũ trụ không thể thực hiện các sự rẽ hướng nhanh, vì thế, gia tốc ly tâm thì ít có vai trò quan trọng ngoại trừ khi tàu vũ trụ đi vào chuyển động bất thường. Tuy nhiên, sự gia tốc đột ngột và sự giảm tốc hạ cánh đột ngột có thể là khổng lồ; cả hai loại gia tốc đều là gia tốc tuyến tính, với một có giá trị dương và một có giá trị âm.
Hình 44-4 cho thấy sơ lược gần đúng của sự gia tốc trong suốt quá trình phóng của một tàu vũ trụ ba giai đoạn, cho thấy rằng phóng giai đoạn đầu gây ra sự gia tốc lên đến 9G và phóng giai đoạn hai lên cao đến 8 G. Trong tư thế đứng, cơ thể người không thể đứng vững trước sự gia tốc nhiều như thế này, nhưng trong một tư thế bán tựa vuông góc so với trục gia tốc thì mức gia tốc này có thể chịu được một cách dễ dàng mặc cho các lực gia tốc liên tục trong nhiều phút. Vì thế, có thể hiểu được nguyên nhân cho việc sử dụng các ghế tựa bởi các nhà du hành vũ trụ.
Các vấn đề cũng xảy ra trong suốt quá trình giảm tốc khi tàu vũ trụ vào lại khí quyển. Một người đi ở Mach 1 (tốc độ của âm thanh và của máy bay tốc độ nhanh) có thể được giảm tốc an toàn ở một khoảng cách là khoảng 0.12 dặm, ngược lại, một người đi ở một tốc độ là Mach 100 (một tốc độ có thể có khi du hành không gian giữa các hành tinh) sẽ cần một khoảng cách là khoảng 10,000 dặm để giảm tốc an toàn. Nguyên nhân chủ yếu cho sự khác biệt này là tổng lượng năng lượng mà phải được đẩy ra trong suốt quá trình giảm tốc thì tỷ lệ với bình phương vận tốc, một mình điều này làm tăng khoảng cách cần cho sự giảm tốc giữa Mach 1 so với Mach 100 gấp 10,000 lần. Vì thế, sự giảm tốc phải được thực hiện chậm hơn nhiều từ một vận tốc cao so với từ vận tốc thấp hơn.
Các lực giảm tốc liên quan với sự nhảy dù. Khi phi công nhảy dù rời khỏi máy bay, vận tốc của sự rơi lúc đầu là 0 feet/s. Tuy nhiên, do lực gia tốc của trọng lực, trong vòng 1 giây, vận tốc của sự rơi là 32 feet/giây (nếu không có sức cản không khí), trong 2 giây, nó là 64 feet/giây và vân vân. Khi vận tốc rơi tăng lên, sức cản không khí có khuynh hướng làm chậm sự rơi cũng tăng theo. Cuối cùng, lực giảm tốc của sức cản không khí cân bằng một cách chính xác với lực gia tốc của trọng lực, vì thế, sau khi rơi khoảng 12 giây, người đó sẽ rơi ở một vận tốc cuối cùng là 109 đến 119 dặm/giờ (175 feet/giây). Nếu như người nhảy dù đã đạt đến vận tốc cuối cùng trước khi mở dù thì một “tải trọng đột ngột do mở dù” (opening shock load) lên đến 1200 pounds có thể xuất hiện trên tấm vải dù.
Kích thước dù thông thường làm chậm sự rơi của người nhảy dù xuống khoảng một phần chín vận tốc cuối cùng. Nói cách khác, tốc độ tiếp đất là khoảng 20 feet/giây, và lực của sự va chạm với mặt đất là 1/81 so với lực tác động khi không có dù. Ngay cả là như vậy, lực tác động vẫn đủ lớn để gây ra tổn thương đáng kể đối với cơ thể nếu người nhảy dù không được huấn luyện tiếp đất một cách thích hợp. Thực tế, lực tác động với mặt đất là khoảng tương đương với việc một người nhảy mà không có dù từ một độ cao khoảng 6 mét. Nếu không được cảnh báo trước, người nhảy dù sẽ bị đánh lừa bởi cảm giác và tiếp đất với các chân duỗi và tư thế này, khi tiếp đất, sẽ gây ra các lực giảm tốc khổng lồ dọc theo trục xương của cơ thể, gây ra gãy xương chậu, xương đốt sống hay cẳng chân. Do đó, những người nhảy dù được huấn luyện tiếp đất với đầu gối gấp nhưng các cơ gồng để đệm cho sự đột ngột của việc tiếp đất.
“Khí hậu nhân tạo” trong tàu vũ trụ kín
Bởi vì không có khí quyển trong khoảng không gian bên ngoài nên một khí quyển và khí hậu nhân tạo phải được tạo ra trong một tàu vũ trụ. Quan trọng nhất là nồng độ O2 phải được giữ ở mức đủ cao và nồng độ CO2 đủ thấp để ngăn cản sự ngạt thở. Trong một số sứ mệnh không gian trước đây, một buồng khí quyển chứa O2 tinh khiết ở áp suất khoảng 260 mm Hg được sử dụng nhưng trong du hành không gian hiện đại, các khí gần giống với trong không khí bình thường được sử dụng, với nitrogen nhiều hơn so với O2 gấp bốn lần và một áp suất toàn phần là 760 mm Hg. Sự có mặt của nitrogen trong hỗn hợp khí làm giảm đáng kể tỷ lệ cháy và nổ. Nó cũng bảo vệ cơ thể khỏi sự phát triển của các mảng xẹp phổi cục bộ mà thường xảy ra khi thở O2 tinh khiết bởi vì O2 được hấp thu nhanh khi các phế quản nhỏ bị tắc tạm thời bởi các nút nhầy.
Đối với du hành không gian kéo dài hơn một vài tháng thì sẽ không thực tế để đem đủ lượng O2 cung cấp. Vì lý do này, các kỹ thuật tái chế được phát minh để sử dụng cùng lượng O2 nhiều lần. Một số quá trình tái chế phụ thuộc hoàn toàn vào các thủ thuật vật lý, như điện phân nước để giải phóng O2. Các thủ thuật khác phụ thuộc vào các phương pháp sinh học, như sử dụng tảo với sự tích trữ chất diệp lục lớn của nó để giải phóng ra O2 từ CO2 bởi quá trình quang hợp. Một hệ thống phù hợp hoàn thiện để tái chế O2 thì chưa thể được tạo ra.
Không trọng lượng (vi trọng lực) trong không gian
Một người trong vệ tinh đang trong quỹ đạo hoặc một tàu vũ trụ không động cơ đẩy sẽ trải qua không trọng lượng (weightlessness), hay một trạng thái gần như không có lực G, đôi khi được gọi là vi trọng lực (microgravity). Nghĩa là, người không được kéo về đáy, về các bên hay về đỉnh của tàu vũ trụ mà chỉ đơn giản lơ lửng bên trong buồng của nó. Nguyên nhân của không trọng lượng này không phải là không có trọng lực để kéo cơ thể bởi vì trọng lực từ bất cứ thiên thể nào gần đó vẫn hoạt động. Tuy nhiên, trọng lực tác động lên tàu vũ trụ và người một cùng lúc sao cho cả hai đều được kéo với chính xác cùng lực gia tốc và theo cùng một hướng. Vì lý do này, người đó đơn giản là không được hút về phía bất cứ thành nào của tàu vũ trụ.
Các thách thức sinh lý của không trọng lượng (vi trọng lực). Các thách thức sinh lý của không trọng lượng không được chứng minh là có ý nghĩa lớn miễn là các thời gian không trọng lượng không quá dài. Hầu hết các vấn đề mà xảy ra liên quan với ba tác động của không trọng lượng: (1) say tàu trong suốt vài ngày đầu của du hành; (2) sự chuyển dịch vị trí của các dịch trong cơ thể bởi vì không có trọng lực gây ra các áp suất thủy tĩnh thông thường và (3) suy giảm hoạt động thể chất do sức co cơ không được cần đến để đối kháng lại lực của trọng lực.
Gần 50% nhà du hành vũ trụ trải qua say tàu, với buồn nôn và đôi khi nôn, trong suốt 2 giờ đến 5 ngày đầu tiên của du hành không gian. Say tàu này dường như do các tín hiệu của kiểu chuyển động không quen thuộc đến các trung tâm thăng bằng của não bộ và cùng lúc đó là thiếu các tín hiệu trọng lực.
Các tác động quan sát được của việc ở lại trong không gian kéo dài là như sau: (1) giảm trong thể tích máu; (2) giảm trong khối tế bào hồng cầu; (3) giảm trong sức cơ và khả năng làm việc; (4) giảm trong cung lượng tim tối đa; và (5) sự mất của canxi và phosphate từ xương, cũng như là sự mất của khối lượng xương. Gần như cùng các tác động này cũng xảy ra ở những người mà sống trên giường trong một thời gian dài. Vì lý do này, các chương trình rèn luyện được thực hiện bởi các nhà du hành vũ trụ trong suốt các nhiệm vụ không gian kéo dài.
Trong các chuyến thám hiểm phòng thí nghiệm không gian trước đây, trong đó chương trình rèn luyện ít được chú trọng thì các nhà thám hiểm không gian giảm khả năng làm việc nặng trong một vài ngày đầu sau khi trở về đến Trái Đất. Họ cũng có khuynh hướng ngất (và vẫn ngất, ở một mức độ nào đó) khi đứng lên trong suốt ngày đầu tiên hay lâu hơn sau khi trở về môi trường trọng lực do giảm thể tích máu và giảm các đáp ứng của các cơ chế kiểm soát áp suất động mạch.
“Suy yếu” tim mạch, cơ và xương trong suốt quá trình tiếp xúc kéo dài với không trọng lượng. Trong suốt các chuyến bay không gian rất dài và tiếp xúc kéo dài với vi trọng lực, các tác động “suy yếu” dần dần xảy ra trên hệ thống tim mạch, các cơ xương, và xương, mặc dù rèn luyện thể lực mạnh trong suốt chuyến bay. Các nghiên cứu về các nhà du hành trên các chuyến bay không gian kéo dài vài tháng cho thấy rằng họ có thể mất đến 1.0% khối lượng xương mỗi tháng, mặc dù họ liên tục rèn luyện thể chất. Sự teo các cơ tim và xương đáng kể cũng xảy ra trong suốt quá trình tiếp xúc kéo dài với một môi trường vi trọng lực.
Một trong số các tác động nghiêm trọng nhất là “suy yếu” tim mạch, mà bao gồm giảm khả năng hoạt động, giảm thể tích máu, suy giảm các phản xạ baroreceptor và giảm khả năng chịu đựng tư thế đứng. Các sự thay đổi này làm giới hạn đáng kể khả năng của nhà du hành trong việc đứng thẳng hay thực hiện các hoạt động thường ngày bình thường sau khi trở về với trọng lực đầy đủ của Trái Đất.
Các nhà du hành trở về từ các chuyến bay không gian kéo dài 4 đến 6 tháng thì cũng dễ chịu tổn thương gãy xương và có thể cần một vài tuần trước khi họ trở về thể trạng tim mạch, xương, và cơ trước khi bay. Khi các chuyến bay không gian trở nên dài hơn để chuẩn bị cho việc khám phá các hành tinh khác của con người, như sao Hỏa, các tác động kéo dài của vi trọng lực có thể tiềm tàng một mối đe dọa rất nghiêm trọng đối với các nhà du hành sau khi họ tiếp đất, đặc biệt là khi tiếp đất khẩn cấp. Vì thế, các nỗ lực nghiên cứu đáng kể đã hướng đến việc phát triển các biện pháp đối phó, ngoài rèn luyện thể chất, mà có thể ngăn cản hoặc làm giảm các sự thay đổi này một cách hiệu quả. Một biện pháp đối phó như thế đang được thử nghiệm là sự ứng dụng của “trọng lực nhân tạo” gián đoạn được tạo ra trong các giai đoạn ngắn (ví dụ, 1 giờ mỗi ngày) bởi sự gia tốc ly tâm cho các nhà du hành khi họ ngồi trong một máy ly tâm cánh tay ngắn được thiết kế đặc biệt mà tạo ra các lực lên đến 2 đến 3 G.
Các bạn có thể xem bài viết mới trên Facebook tại đây: https://www.facebook.com/61550892771585/
Các bạn có thể xem bài viết trước tại đây: https://docsachxyz.com/sinh-ly-hang-khong-do-cao-va-khong-gian-phan-2/
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
