零重力运动模拟跑台_平抛运动5个不同的例题

时间：2020-03-05 07:42:59　来源：雅意学习网本文已影响人

　　失重环境下，人体产生力量的肌肉和骨架失去用武之地，肌肉会逐渐萎缩，钙、磷、镁等元素流失；重新回到重力环境后，人容易发生骨折，这些都可归入“航天运动病”。这些生理病症如同达摩克利斯宝剑，时刻悬在太空旅行者的头顶。
　　在“天上”锻炼：跑步最有效
　　对抗“航天运动病”最有效的办法是加强体育锻炼。然而弹丸之地，能开展的活动非常有限。目前，一两天的短期航行只能做徒手体操进行锻炼。长期的空间站都设有“小型体育场”，专门放置了一些特殊锻炼器材供航天员使用：如自行车功量计、微型跑道、弹簧拉力器等。
　　美国航天员在“天空实验室”任务之前主要的耐力锻炼设备是自行车功量计。随着飞行任务时间的延长，“天空实验室2号”任务后，美国航天科学家认为应采用在与地球重力相等的力量下走或跑，来提供更费力的锻炼，才能达到更好的失重防护效果，从此开始研制跑台。空间飞行中第一次使用跑台是在“天空实验室4号”任务。由于飞行重量的限制，“天空实验室4号”的跑台设备重量只有3.5磅，它通过固定在航天员肩部和腰部的橡胶弹力绳提供相当于80千克的重量。随着科学技术的发展，空间飞行中使用的跑台已经经过4、5代的升级换代。2010年进入国际空间站的“T2”跑台更为先进和专业，其中跑步机自重159千克，加上安装架其总重量达到了1000千克。
　　利用跑台进行锻炼被认为是当前太空飞行中航天员最有效的一种锻炼方法。因为跑步是一种全身性的运动，运动量较大，能够有效提高人体运动心肺功能，维持抗重力肌群的力量和耐力，同时跑步运动对骨产生一种冲击性的力学刺激，能够有效改善空间骨丢失。此外，它还可以促使神经一肌肉功能的协调。减轻航天员返回地面后行走的困难。美国和苏联／俄罗斯的空间站以及当前运行的国际空间站中都安装有跑台装置。它通过一力加载机构结合背带束缚装置将航天员固定在跑台上，并向下施加一定的拉力作用在肩部或腰部，让航天员在失重环境下得以利用跑台进行静立、行走、跑、跳等动作。
　　模拟跑台给力地面研究
　　毋庸质疑，跑台锻炼已成为空间飞行的常规防护措施。虽然跑台在太空应用已有近30年的时间，但是有关其在失重或模拟失重下的防护效果却一直未见报道。由于在太空开展跑步锻炼效果的研究非常困难，因此人们不得不在地面建立一种能够模拟太空跑步状态的装置。这就是零重力运动模拟系统。利用该系统人们能够系统研究验证跑台装置设计的可行性和可靠性等；研究人体在模拟失重下的跑步动力学和运动学；研究跑步锻炼在对抗失重生理效应方面的综合防护作用，制定在轨运动处方。
　　零重力运动锻炼系统主要由以下部分组成：①竖直跑台，②上半身吊蓝系统，③肢体悬吊系统，④人体纵轴向力负荷系统，⑤固定框架，⑥附件。
　　零重力运动模拟系统工作时，用上身吊篮平衡人体躯干重量，采用动态悬吊系统平衡四肢在运动过程中的重量，采用沿人体长轴的力加载机构和背带装置将受试者固定在垂直跑台上进行行走或跑步。事实上微重力或无重力下锻炼与地面典型重力下锻炼是完全不同的感受，受试者必须更努力地协调和平衡身体，加上脚用力使跑台向下，在地面条件下模拟防止长期飞行的肌萎缩和骨丢失的空间站跑台锻炼。其中力加载机构和背带装置是该系统研制的重点，也是天基跑台的关键部件。
　　美国先后研制了多种力加载机构，包括弹力绳力加载、线性马达力加载和气动力加载机构等，其中气动形式的力加载机构产生的力在运动状态下最为稳定。俄罗斯采用的是弹力绳力加载形式。
　　背带装置是影响航天员锻炼舒适性的重要部件。由于早期背带装置在人体上加载方式设计上的不足，航天员在锻炼时普遍感觉不舒适，肩部和髋部疼痛，局部皮肤由于压迫摩擦出现炎症反应，作用在肩部的力也通常只有自身体重的70％。NASA格林研究中心的研究人员分析认为跑台锻炼防护措施没有显示出最佳的效果是因为施加在人体上的力负荷不足所导致的，认为作用在人体上的力越大，效果会越好，理想的状态是能够施加100％体重的负荷，因此，设想通过提高施加在人体身上的负荷有可能提高跑台锻炼的效果。他们借助户外登山背负系统的设计对跑台负荷加载装置进行了改进，让8名受试者在跑步机上分别以60％、80％和100％体重的负荷以6km／h的速度运动3min。结果发现受试者能够耐受100％体重负荷，同时还发现在100％体重的负荷下，受试者在地面零重力运动系统中运动时足底受力的峰值和变化率与在直立状态下没有明显区别，并且表现出较好的舒适性，此结果还需在太空中进一步验证。目前以此为依据改进背带装置已在空间站开始使用，与原有的相比更加舒适。
　　美国先后研发了多种以悬吊为主要技术的零重力运动模拟系统，历经了多次设计的更新和升级，时间跨度在30年之久。
　　目前美国在用的有3种零重力运动锻炼模拟系统。包括克里夫兰医学中心的零重力运动模拟系统、NASA格林研究中心的增强零重力运动锻炼模拟系统和NASA约翰逊航天中心安装在德州医学院的独立零重力运动模拟系统。
　　其中克里夫兰医学中心的零重力运动模拟系统采用受试者气动加载装置，在锻炼过程中为受试者提供近似稳定的重力替代负荷，现在与普通临床研究中心联合使用来评价卧床模拟锻炼方案。
　　NASA格林研究中心的增强零重力运动模拟系统主要作为新型防护措施设备设计的有效性验证系统，如2010年第二代空间站跑台就曾在该系统上进行过验证。
　　NASA约翰逊航天中心的零重力运动锻炼模拟系统，采用力反馈闭环控制系统为受试者在运动过程中提供相对稳定的力负荷刺激，在每次测试前进行调试以保证受试者的安全。
　　此外，美国科学家通过零重力运动模拟系统及抛物线飞行，研究了真实和模拟微重力运动的相似性和差别。研究发现，在抛物线飞行时行走和跑步过程中受试者保持更大的髋关节屈曲量，跑步时受试者具有更大的髋关节运动范围。在零重力运动模拟系统上躯干运动比在抛物线飞行中显著减少，低外加负荷行走和高外加负荷跑步过程中峰值冲击力、加载率以及对跑台的推动力在零重力运动模拟系统上均大于抛物线飞行。除股直肌外，运动过程中所有其它肌群存在激活的时间差，胫前肌和臀大肌在抛物线飞行行走过程中激活需要较长时间。在零重力运动模拟系统上运动时线性运动加载装置比弹力绳加载对地面作用力更大。因此，零重力运动模拟系统作为地基模拟，研究人员应该考虑到这些微小但可测量的动力学以及腿部肌肉活动的差异。
　　除航天应用外，零重力运动模拟器还可以帮助医学研究人员研发受伤或病患的康复或治疗方案。该系统作为将来飞行任务的地基测试支持平台，最终可用于模拟包括月球和火星在内的低重力环境和星际运动锻炼模拟。

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