Phi hành gia làm thế nào để cân được trong môi trường không trọng lực?

Khi ở trong môi trường vi trọng lực trên quỹ đạo Trái Đất thấp, cơ thể con người phải đối mặt với nhiều thách thức. Các nghiên cứu vẫn đang tiếp tục để hiểu rõ hơn về tác động của môi trường này, đồng thời các phi hành gia cần đảm bảo duy trì thể lực tốt khi sống và làm việc trên ISS.

Trên Trái Đất, trọng lượng cơ thể thường là yếu tố quan trọng trong các chương trình tập luyện. Nhưng khi ở ngoài không gian, các phi hành gia gần như không trọng lượng. Vậy họ làm cách nào để đo cân nặng? Trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), hai thiết bị hỗ trợ việc này: Thiết bị đo khối lượng gia tốc tuyến tính không gian (SLAMMD) của NASA và Thiết bị đo khối lượng cơ thể (BMMD) do Nga chế tạo. Cả hai thiết bị này đều dựa trên nguyên lý hoạt động của lò xo để đo khối lượng cơ thể thay vì trọng lượng.

Trọng lượng là kết quả của khối lượng nhân với gia tốc trọng trường. Ví dụ, trên Mặt Trăng, trọng lực nhỏ hơn Trái Đất nên phi hành gia Apollo cảm thấy nhẹ hơn khi di chuyển trên bề mặt. Tuy nhiên, khối lượng của họ vẫn không đổi. Đó là lý do tại sao các phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) xác định khối lượng cơ thể thay vì đo trọng lượng.

Khối lượng, như trọng lượng, được đo bằng kilogram nhưng không bị ảnh hưởng bởi trọng lực. Điều này dễ gây nhầm lẫn. Khối lượng là tổng lượng vật chất mà cơ thể sở hữu, không phụ thuộc vào lực hấp dẫn.

SLAMMD sử dụng định luật thứ hai của Newton: Lực bằng khối lượng nhân với gia tốc (F = ma). Thiết bị này được đặt trong phòng thí nghiệm Columbus trên ISS và thuộc về Giá đỡ Cơ sở Nghiên cứu Con người. SLAMMD có một "cánh tay dẫn hướng" giúp đo lường.

Khi sử dụng SLAMMD, phi hành gia quấn chân quanh bộ phận đỡ chân, đặt bụng vào phần đệm và để cằm lên phần tựa đầu. Hai lò xo trong một ngăn kéo được kích hoạt, đẩy cánh tay dẫn hướng vào phi hành gia, khiến họ bị đẩy lùi về phía sau.

Lực tác dụng của lò xo đã được biết trước nhờ thiết kế chuẩn. Gia tốc của phi hành gia khi bị lò xo đẩy được đo bằng dụng cụ quang học theo dõi chuyển động của cánh tay dẫn hướng. Gia tốc được xác định bằng cách chia sự thay đổi về vận tốc cho khoảng thời gian diễn ra. Máy tính kết nối với SLAMMD sau đó tính toán khối lượng cơ thể với độ chính xác 0,2 kg.

Thiết bị BMMD của Nga nằm trong module Zvezda trên ISS. Cũng sử dụng lò xo, nhưng thay vì đẩy một lần, phi hành gia ngồi xổm lên thiết bị và di chuyển như sử dụng gậy nhảy pogo. Tần số dao động của thiết bị phụ thuộc vào khối lượng của phi hành gia: khi không có người ngồi lên, thiết bị BMMD dao động nhanh hơn nhiều. Bằng cách tính toán thời gian dao động, ta có thể ước lượng khối lượng cơ thể của phi hành gia.

Việc đo khối lượng cơ thể là rất quan trọng trong không gian, giúp đảm bảo phi hành gia không bị mất khối lượng cơ thể quá nhiều. Môi trường vi trọng lực khiến con người mất trung bình 1% mật độ xương mỗi tháng, cơ teo nhỏ và tim yếu đi vì không phải bơm máu nhiều.

Để đối phó với tác động của vi trọng lực, các phi hành gia trên ISS thực hiện các bài tập thể dục hàng ngày trong hai giờ tại phòng gym của trạm để bảo toàn khối lượng cơ, duy trì mật độ xương và giữ gìn sức khỏe tim mạch. Việc đo khối lượng cơ thể giúp đánh giá tình trạng sức khỏe và đảm bảo các phi hành gia duy trì sự cân bằng thể chất.

Tác giả: Trần Thu Thủy