Course horizontale sur la paroi intérieure circulaire d’un habitat lunaire
(royalsocietypublishing.org)- Pour les séjours de longue durée sur la Lune, l’atrophie musculaire, la baisse de densité osseuse et la dégradation du contrôle cardiopulmonaire et neuromoteur posent problème ; une méthode d’exercice consistant à courir horizontalement sur la face intérieure d’un cylindre statique afin de générer soi-même une gravité artificielle est étudiée comme alternative
- L’expérience a utilisé une structure de type Wall of Death d’environ 10 m de diamètre et des sangles élastiques suspendues à une grue de 36 m, déchargeant 83 % du poids corporel pour simuler la gravité lunaire ; 2 participants ont effectué une course sur paroi circulaire
- Après 5 à 8 tentatives, les participants ont pu démarrer sans assistance ; sur les 14 courses analysées, ils ont parcouru au moins un tour, avec une vitesse sur la paroi de 5,38 à 6,45 m/s, soit 5,93 ± 0,45 m/s en moyenne
- Cette vitesse correspondait à un facteur de sécurité de 1,48 à 1,78 vis-à-vis du risque de chute ; la force maximale de réaction du sol estimée au contact du pied était de 1,67 à 2,42 fois le poids terrestre, un niveau calculé comme suffisant pour prévenir la résorption du calcium osseux
- Seulement 8 à 9 tours par jour, soit 40 à 45 secondes de course au total, pourraient fournir simultanément des stimuli au squelette, aux muscles, au système cardiopulmonaire et au système nerveux, mais l’échantillon est réduit et des études dédiées de repos au lit sont nécessaires
Le problème de l’exercice en faible gravité lunaire et la course sur paroi circulaire
- Dans le cadre d’un établissement et de séjours prolongés sur la Lune, l’exposition à une faible gravité peut nuire à la capacité cardiopulmonaire, au système musculosquelettique et au contrôle postural et neuromoteur
- En gravité lunaire, la marche est limitée à une plage de vitesses réduite, car l’équilibre entre énergie cinétique et énergie potentielle du centre de masse du corps est perturbé, ce qui réduit aussi l’effet d’entraînement
- Les allures rebondissantes comme la course, le skipping ou les sauts sur un pied sont plus rapides que la marche, mais en faible gravité elles peuvent entraîner un désalignement mécanique du complexe muscle-tendon et une baisse de la vitesse verticale de décollage
- Les alternatives existantes ont chacune leurs limites
- L’exercice continu à faible intensité ou l’entraînement fractionné à haute intensité peuvent servir à maintenir la capacité cardiopulmonaire, mais leur effet sur la masse musculaire et osseuse est limité
- Les exercices pliométriques de type traîneau ont montré un potentiel pour maintenir les fonctions cardiopulmonaires et musculosquelettiques, mais ils diffèrent de la locomotion terrestre et peuvent manquer de stimulation de l’équilibre et du contrôle moteur
- La simulation de gravité par centrifugeuse a un effet positif sur la fonction musculaire, mais une centrifugeuse permettant la marche sur la Lune présente de grandes difficultés techniques et d’importants besoins en énergie
- La méthode proposée consiste, pour un habitant lunaire, à courir sur la face intérieure d’une paroi circulaire verticale, parallèlement à la surface lunaire, afin d’obtenir une gravité artificielle plus élevée grâce à l’accélération centrifuge
Conception expérimentale basée sur le Wall of Death
- L’expérience a utilisé un Wall of Death de type fête foraine
- Rayon de 4,73 m, circonférence de 29,7 m
- Structure murale en bois
- Au sol, une rampe d’accélération de 0,8 m de large inclinée à 30°
- Sur Terre, il est difficile pour un humain de parcourir cette structure de façon stable en courant uniquement grâce aux muscles des deux jambes, mais en gravité lunaire la vitesse minimale requise diminue, ce qui rend l’exercice théoriquement possible
- Pour simuler la gravité lunaire, le toit a été retiré et deux élastiques de saut à l’élastique ont été reliés en série à une grue de 36 m de haut
- Le poids des participants a été réduit de 83 %, pour atteindre 1/6 de leur poids terrestre, et vérifié à l’aide d’une balance numérique en position couchée sur le côté
- Il y avait 2 participants
- Homme de 36 ans, 1,78 m, 60 kg
- Femme de 33 ans, 1,70 m, 62 kg
- En raison du harnais et des lignes d’attache, le mouvement du bras situé vers le haut était limité en position horizontale ; ce bras ne se balançait pas et tenait la ligne de suspension
Vitesse requise et conditions physiques
- Dans un Wall of Death, la force centrifuge générée par le mouvement circulaire le long de la paroi et la friction de la paroi empêchent de glisser vers le bas
- Sur Terre, avec un rayon de 4,7 m et un coefficient de frottement statique de 0,8, la vitesse minimale pour une masse ponctuelle est de 7,59 m/s, soit 27,3 km/h
- Les vrais coureurs et les motos ne sont pas des masses ponctuelles ; en tenant compte de la position du centre de masse, la vitesse nécessaire pour un coureur sur Terre est estimée à environ 30,4 km/h, considérée comme difficilement atteignable par la course humaine
- Sur la Lune, la gravité étant égale à 1/6 de celle de la Terre, la vitesse minimale théorique dans la même structure descend à 12,5 km/h, soit 3,5 m/s ou plus
- Dans le dispositif terrestre simulant la gravité lunaire, les élastiques tirent le corps vers le haut tout en générant une petite force dirigée vers le centre ; la vitesse requise dans l’expérience réelle est donc corrigée à 13,1 km/h, soit 3,63 m/s
- Pendant la course horizontale, le corps doit être légèrement incliné vers le haut ; cette posture sert à équilibrer le couple dû à la répartition de la masse corporelle avec le couple opposé dû à la force centrifuge
Résultats réels des courses
- Au début de la session expérimentale d’une journée, les participants se sont rapidement habitués à cette course horizontale inhabituelle après seulement 5 à 8 tentatives
- Ensuite, les deux participants ont chacun effectué 7 courses exploitables, soit 14 courses analysables au total
- Chaque course comprenait, après l’accélération initiale et avant la décélération, au moins un tour, c’est-à-dire 29,7 m ou plus
- Ils accéléraient à l’aide de la rampe puis, à la fin de la course, ralentissaient pour revenir en sécurité de la posture horizontale sur la paroi à la posture debout au sol
- Aucune blessure n’a été constatée
- La vitesse moyenne de course sur la paroi était de 5,93 ± 0,45 m/s, avec une plage de 5,38 à 6,45 m/s
- Cette vitesse correspond à un facteur de sécurité de 1,48 à 1,78 par rapport au seuil minimal évitant le risque de chute, une plage comparable aux facteurs de sécurité observés pour les motos dans un Wall of Death terrestre
- La longueur moyenne des pas et les indicateurs de locomotion étaient les suivants
- Longueur de pas : 3,78 ± 0,29 m
- Fréquence de pas : 1,58 ± 0,17 Hz
- Temps de contact : 0,176 ± 0,017 s
- Facteur de duty cycle : 0,27 ± 0,01
- En combinant les 194 pas, la plage de vitesses s’élargissait à 4,60 à 7,50 m/s
- Comme dans la course terrestre ordinaire, les vitesses élevées étaient principalement obtenues par une fréquence de pas plus élevée, tandis que la longueur de pas restait relativement constante ; le temps de contact et le facteur de duty cycle diminuaient à mesure que la vitesse augmentait
Dynamique de course et force de réaction du sol
- Aux vitesses observées, l’angle d’inclinaison prévu était en moyenne de 12,4° ± 1,9°, avec une plage de 10,4° à 14,9°
- La force verticale moyenne de réaction du sol lors de la course horizontale sur paroi était de 1,13 ± 0,16 fois le poids terrestre, et la valeur maximale estimée de 2,04 ± 0,29 fois
- Plage moyenne : 0,93 à 1,34 fois
- Plage maximale : 1,67 à 2,42 fois
- Lors d’une session séparée dans le laboratoire LOOP, les mêmes participants ont couru sur tapis roulant avec un dispositif de suspension du poids corporel dans des conditions de 1g, 0,8g, 0,5g et 0,17g
- Les vitesses maximales étaient de 5,28 m/s à 0,17g, 5,75 m/s à 0,5g, 6,25 m/s à 0,8g et 6,94 m/s à 1g
- Aux vitesses maximales, les forces verticales moyenne et maximale de réaction du sol étaient de 0,85 et 1,54 fois à 0,17g, 1,44 et 2,60 fois à 0,5g, 1,94 et 3,51 fois à 0,8g, et 2,09 et 3,79 fois à 1g
- La course sur tapis roulant simulant verticalement la gravité lunaire présentait une cinématique nettement différente de la course horizontale dans le Wall of Death
- La course verticale en gravité lunaire avait une longueur de pas beaucoup plus grande et un facteur de duty cycle fortement réduit
- Les conditions à 0,5g et 0,8g étaient plus proches de la course à 1g et des données de pas du Wall of Death
- L’indicateur adimensionnel de Strouhal a montré que la course horizontale dans le Wall of Death est dynamiquement similaire à une course terrestre ordinaire
- La valeur de Strouhal pour la course horizontale dans le Wall of Death lunaire était d’environ 0,80 à 1,10
- Dans LOOP, cette même plage n’apparaissait qu’à partir de 0,50g
- La course verticale rapide à 0,17g montrait une dynamique atypique, autour de 0,55 à 0,65
Stimulation des muscles, des os et du système nerveux
- La course dans le Wall of Death a été effectuée dans une plage de 5 à 7 m/s, bien au-dessus de la vitesse minimale empêchant de glisser, avec une cadence de pas élevée de 2,5 à 4 Hz
- À ces vitesses, le travail mécanique total que l’unité muscle-tendon doit fournir peut être supérieur à celui d’une course debout sur la surface lunaire
- La stimulation osseuse a été calculée par comparaison avec les résultats d’entraînements par sauts dans des études antérieures de repos au lit
- Dans une étude de repos au lit de 60 jours, 48 séances d’entraînement par sauts, à raison de 0,8 séance par jour en moyenne, ont empêché plusieurs détériorations, dont les pertes de densité osseuse et de contenu en calcium
- Ces séances comprenaient en moyenne 78 sauts, avec une force maximale moyenne de réaction du sol de 3,6 kN, correspondant à 4,8 fois le poids corporel total, ou 2,4 fois par jambe
- En supposant, dans le Wall of Death, une force maximale de réaction du sol de 2,2 fois par pas à 6 m/s, le nombre de pas nécessaire pour obtenir la même force de réaction du sol cumulée est calculé à 170
- Avec une circonférence de 30 m et une fréquence de pas de 3,2 Hz, un tour dure 5 secondes et comprend 16 pas
- 10 à 11 tours tous les 1,25 jour
- Ou 8 à 9 tours par jour
- Le temps total d’exercice est de 40 à 45 secondes
- Cette méthode est envisagée avec des charges dynamiques à fort impact, des phases de contact de l’ordre de 40 à 60 par jour, et en évitant les longues séances
- Du point de vue du système nerveux, le schéma de locomotion ressemble à la course terrestre ordinaire et mobilise plusieurs articulations, exigeant à la fois propulsion et maintien de la posture
- Les exercices pliométriques de type traîneau ou les ergomètres cyclistes fournissent des stimuli différents de la locomotion façon Wall of Death, en raison des contraintes sur le tronc ou de l’absence de tâche d’équilibre dynamique
Intensité cardiopulmonaire et métabolique, et application aux habitats lunaires
- La consommation d’oxygène n’a pas été mesurée directement, mais les besoins métaboliques minimaux de la course dans le Wall of Death ont été estimés à partir du coût métabolique de la course terrestre et de régressions pour la course en faible gravité
- En appliquant une plage de 5,5 à 6,5 m/s et la gravité artificielle correspondante de 0,5g à 0,73g, la consommation d’oxygène est estimée à 54 à 74 mlO₂/kg/min
- Les équipages du programme Artemis devraient être entraînés pour atteindre sur Terre une consommation maximale d’oxygène d’environ 40 mlO₂/kg/min
- L’intensité estimée de la course dans le Wall of Death pourrait donc être compatible avec un niveau capable d’induire des adaptations cardiopulmonaires dans le cadre d’un entraînement fractionné à haute intensité
- Ces valeurs ne sont toutefois pas des mesures directes et devront être évaluées par des expériences supplémentaires dans un véritable Wall of Death
- Sur la Lune, les biais de simulation de l’expérience terrestre pourraient disparaître
- Le fait que la composante dirigée vers le centre produite par les élastiques nécessitait une vitesse tangentielle plus élevée
- Le fait que les membres subissaient encore la gravité terrestre résiduelle pendant le balancement
- Le fait qu’il fallait accélérer une masse supplémentaire d’environ 9 kg due au harnais, aux lignes et à l’équipement de suspension
- Un entraînement préalable dédié à l’habituation au déplacement horizontal pourrait aider à se déplacer à vitesse plus lente même dans un Wall of Death lunaire plus petit
- Compte tenu des contraintes liées au transport ou à la construction d’équipements d’exercice dédiés sur la Lune, cette méthode pourrait être mise en œuvre comme une installation passive utilisant les parois de structures circulaires habitables, sans alimentation électrique supplémentaire
- Les conclusions sont limitées
- L’échantillon est réduit, avec 2 participants
- L’expérience de terrain était atypique, et les mesures cinématiques n’étaient pas très précises
- De futures études dédiées de repos au lit sont nécessaires
- Lorsque la course verticale sur la Lune est limitée par la faible gravité, la course horizontale sur paroi circulaire permettrait d’effectuer de façon stable une locomotion impossible sur Terre et, avec une brève course quotidienne, de produire une gravité artificielle suffisante pour maintenir les capacités cardiopulmonaires et motrices ainsi que l’état minéral osseux
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Il faut cliquer plusieurs fois pour arriver jusqu’à la vidéo des données supplémentaires : https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Il vaudrait probablement mieux changer souvent de direction
Je me demande si c’est dû à la direction de la gravité, au fait que l’angle du corps ne paraît pas complètement horizontal et que le pied touche donc le sol sous un angle bizarre, ou bien aux caractéristiques physiologiques de la personne
Je n’ai pas vu de mention d’une surface en rotation
Une salle de sport gravitationnelle en cylindre conique, avec des parois à angle réglable et une vitesse de rotation variable, permettrait de produire en douceur une “gravité” bien plus forte
La gravité par rotation permettrait des exercices au poids du corps, du gainage, du cardio fixe ou sur petite surface comme le vélo d’intérieur, des jeux VR, du yoga, voire même le sommeil
Modification : j’avais manqué le passage disant que “mais une centrifugeuse lunaire permettant de marcher à l’intérieur créerait des défis techniques”
Je pense tout de même qu’on ne pourra pas l’éviter à terme. C’est beaucoup plus utile, physiquement comme psychologiquement. Une “surface en rotation” est un problème simple comparé à la “dégradation de la santé en faible gravité” ou au fait de “mourir d’ennui à force de courir en rond”
Ce type d’équipement pourrait même résoudre le problème de l’accouchement hors de la Terre. Faisons un peu “monter en régime” des lapins de l’espace et voyons ce que ça donne ! Espérons que ce ne soient pas des tribules
Dans les colonies à faible gravité, des zones en rotation deviendront clairement courantes. Quelqu’un veut lancer une startup ?
Si l’on y séjourne longtemps, les muscles et les os se renforceraient, donc les amateurs de fitness ou les athlètes professionnels pourraient s’y intéresser
Ce serait aussi une bonne répétition générale avant de construire et d’exploiter cela sur Mars ou sur la Lune. Si on parvient à le faire fonctionner sur Terre, ce sera plus facile en faible gravité, puisque l’accélération nécessaire y est moindre
Cela pourrait aussi se faire avec un train ou des montagnes russes sur une voie circulaire légèrement inclinée. Une légère inclinaison ne fait que déplacer le vecteur de gravité dans la direction perpendiculaire au sol
Il y a probablement une raison pour laquelle cela ne s’est pas généralisé
Bien sûr, on pourrait aussi simplement arrêter la rotation chaque fois qu’il faut ouvrir le sas
Ou alors, si on le met en orbite, ce genre de problème devient plus simple, et il y a aussi moins à se soucier du blindage contre les radiations jour/nuit ou du chauffage
L’inconvénient selon lequel “une centrifugeuse lunaire permettant de marcher à l’intérieur créerait des défis techniques et exigerait une puissance considérable” est assez amusant
Les “défis techniques”, n’est-ce pas justement le signe qu’on est sur la Lune ?
Un système de rotation stable me semble faire partie des problèmes lunaires les plus simples possibles. S’il est mis en œuvre dans une enveloppe environnementale existante, cela pourrait même rester assez low-tech
Maintenir une rotation en faible gravité devrait avoir une consommation électrique très faible. Les pertes se limiteraient au frottement au point de rotation et à des masses de contrôle de position pour maintenir l’équilibre en fonction des mouvements humains, et les deux devraient être faibles
Cela dit, la solution sans technologie proposée offre un bon rendement pour l’investissement, et elle est réaliste pour les premières étapes ou pour des avant-postes rarement occupés
Enfin, je suis devenu quelqu’un ayant une expérience étrangement pertinente. En 2012, j’ai construit une grande plateforme circulaire rotative d’environ 6 m de diamètre, autrement dit la plus grande roue de hamster du monde[1]
C’était amusant et original pour courir un peu, mais la plupart des gens avaient le tournis après quelques minutes de jogging. La plateforme courbe présentait aussi un risque de chute
En pratique, elle a été utilisée plus souvent comme une sorte de balançoire, mais je ne sais pas si ce serait possible sur la Lune
Je suis sceptique quant au fait que l’expérience soit bien meilleure sur la Lune. Surtout que le diamètre proposé est encore plus petit
Y a-t-il une raison pour laquelle quelque chose comme un rameur à eau ne fonctionnerait pas sur la Lune ? On pourrait aussi ajouter un gilet lesté ou un siège lesté
Le rameur fait travailler presque tout le corps, et il ne me semble pas dépendre tant que ça de la gravité
En théorie, les grands exercices polyarticulaires comme le squat ou le soulevé de terre sollicitent presque tous les muscles du corps et pourraient donc être très utiles. Même seulement 2 à 3 séances de gros mouvements par semaine peuvent produire une croissance musculaire continue assez importante
Bien sûr, dans l’espace, il n’y a pas de poids, donc on ne peut pas littéralement soulever des haltères. Mais on peut créer de la résistance avec des bandes, des dispositifs pneumatiques, etc.
Le rameur est très bien parce qu’il combine entraînement en résistance et cardio
Sur la Lune, il y a bien une gravité, elle est simplement faible. Personne n’envisage de faire des squats et des soulevés de terre avec d’énormes rochers ? Si l’on remplit un grand panier de roches lunaires, il finira bien par devenir lourd
“L’exercice continu de faible intensité ou l’entraînement fractionné de haute intensité sur ergomètre peut aider à préserver la condition cardiorespiratoire, mais son effet sur la masse musculaire et la masse osseuse est faible”
Dans Imperial Earth d’Arthur C. Clarke, il y a une piste cyclable circulaire dans un vaisseau spatial à faible gravité.
Le protagoniste y pédale très vite, jusqu’à ressentir 1G, afin de s’entraîner en vue de la gravité terrestre.
Cela m’a rappelé la course sur paroi circulaire de 2001 Space Odyssey, il y a plus de 50 ans : https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Je me demande si les deux directions donneraient respectivement l’impression de courir « en montée » et « en descente ». Pour l’entraînement, la montée serait sans doute préférable.
Je ne sais pas si le film fournit assez d’informations pour déterminer dans quel sens tourne la section en rotation.
Tourner en rond semble être un excellent moyen de combattre l’ennui.
À côté de l’engin au nom parfaitement approprié, Wheel-of-Death, il y a aussi une salle dédiée à regarder la peinture sécher, et d’après le matériel promotionnel, c’est comparable à l’observation des oiseaux.
Je ne comprends pas pourquoi la marche avec tout le corps serait le meilleur moyen de prévenir l’atrophie musculaire et la déminéralisation osseuse. Même sur Terre, ce n’est pas ce qu’il y a de mieux.
Une meilleure approche serait sans doute de faire de la musculation avec des bandes ou des roches lunaires.
On pourrait établir de nouveaux records lunaires en deadlift, squat, etc.
Plus précisément, toutes les méthodes essayées sur Terre, comme les bandes ou l’haltérophilie, incluaient aussi une quantité importante de marche avec tout le corps dans un champ gravitationnel fort.
Faire des squats et des deadlifts à la salle une heure, trois fois par semaine, peut donner d’excellents résultats. Mais ce mode de vie inclut aussi une exposition à une gravité de 1G vingt-quatre heures sur vingt-quatre.
Faire du skateboard sur la Lune, ça doit être incroyable.
https://what-if.xkcd.com/124/