De libélulas, Stukas y trajes anti-g

 

Existen otros "bichos" voladores no tan bellos como el gurriato, pero igualmente impresionantes. No en vano muchos de estos nombres son usados en los cazas de combate, tal es el caso del Hornet (avispón). Uno de estos "bichos" que más me llaman la atención es la libélula. Podría pasarme mucho tiempo viéndolas volar zigzagueando o en vuelo estacionario. Este insecto se mueve en casi cualquier dirección con una velocidad increíblemente rápida. Los desplazamientos laterales son súbitos y casi inimaginables para un ser vivo de mayor tamaño. En estos desplazamientos se ha calculado que la fuerzas gravitacionales podrían llegar a alcanzar los 30 G. Un humano no sobreviviría a esta aceleración, sin embargo la libélula podría hacer esto y mucho más antes de sufrir daños estructurales.

¿Se ha preguntado alguna vez, querido lector, por qué los pilotos de Fórmula 1 como Fernando Alonso tienen esos cuellos tan gruesos y trabajados? La razón son las fuerzas g que soporta la cabeza en los giros a gran velocidad en el plano horizontal. Estas fuerzas pueden llegar hasta las 8 gs en un Fórmula 1, algo parecido a lo que soportan los pilotos acrobáticos o los pilotos militares de caza. Estos últimos lo suelen hacer en otro eje y además llevan un traje anti-g.

Fuerzas g en un looping

Cuando tomamos una curva cerrada en nuestro coche sentimos la acción de la fuerza que nos despide en sentido contrario. La fuerza que nos mantiene en la curva es la fuerza centrípeta (que se dirige al centro de la curva). La fuerza centrípeta tiene una magnitud que es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de su velocidad  e inversamente proporcional al radio de la curva según la fórmula:

Como la fuerza centrípeta es proporcional al cuadrado de la velocidad, esto quier decir que cuando doblamos la velocidad necesitaremos cuatro veces más fuerza centrípeta para mantener el movimiento en una curva. La fuerza centrípeta en los vehículos la tiene que proporcionar la fricción de las ruedas con el pavimento a lo largo de la trayectoria curva. Si esta fricción es insuficiente un incremento de la velocidad nos puede llevar a que el coche derrape inesperadamente y que nos "esnafremos"... 

En este caso, la fuerza mv2/r es relativamente pequeña y si nos salimos de la carretera podemos perder la vida al estrellarnos. Sin embargo, si el movimiento sobre la curva es muy veloz, las fuerzas centrífugas puede alcanzar grandes magnitudes y pueden hacerse incluso peligrosas para la vida aún sin estrellarnos con nada. Esto es lo que puede ocurrir cuando se pilota un caza. Los pilotos suelen verse envueltos en maniobras con grandes valores de mv2/r, cuando el avión efectúa un looping por ejemplo. Cuando el avión describe una circunferencia, actúa sobre el piloto una fuerza centrífuga que le aprisiona contra el asiento. Estamos hablando de g's positivas. Cuanto menor sea la circunferencia del looping, tanto mayor será la fuerza que aprisiona al piloto. Si esta gravedad es muy grande, el hombre se puede "destrozar" literalmente ya que los tejidos de un organismo vivo poseen una resistencia limitada y no pueden aguantar cualquier cantidad de peso. 

¿Cuánto puede "aumentar el peso" de un hombre sin peligro para la vida? Eso depende de la duración de la carga y de la preparación y forma física del piloto. Si la duración es de una fracción de segundo, el hombre es capaz de aguantar cargas que sean ocho y diez veces mayores que su peso, o sea, sobrecargas de 7 a 9 g's (en una eyección incluso más). El piloto, durante diez segundos, puede aguantar sobrecargas de 4 a 6 g's según sea su forma física y su entrenamiento. Por curiosidad, vamos a calcular por gusto el radio del looping que puede describir un avión a varias velocidades, sin peligro para el piloto suponiendo una carga de 4 g's. 

Tenemos entonces que para una aceleración igual a v2/r = 4g, el radio será r= v2/4g. Si la velocidad de nuestro avión de pistones acrobático es de 360 km/h = 100 m/s, entonces el radio del looping es de 250 m; si la velocidad fuera 4 veces mayor, o sea, si es de 1.440 km/h como la de un caza de altas prestaciones, entonces el radio del looping tiene que ser incrementado 16 veces para mantener esas 4 g's. Estamos hablando de un looping de nada menos que 4 km de radio. Ahora debe de quedar claro el porqué se utilizan aviones de pistones (lentos pero muy potentes) para hacer acrobacia ;)

Los pilotos de la primera guerra mundial ya experimentaron los efectos de las aceleraciones de la gravedad, pero fueron los pilotos de la segunda guerra mundial los que empezaron a darse cuenta de las graves consecuencias en el combate cerrado. En efecto, los aviones biplanos construidos con la famosa trama y urdimbre sobre estructuras de madera no podían someterse a grandes aceleraciones debido en gran medida no a su debilidad estructural, sino a su poca potencia, peso y velocidad punta (la física manda, ya se sabe: un medio de la masa por la velocidad al cuadrado). Aún así, algunos pilotos informaron de pérdida de visión cuando efectuaban virajes muy cerrados. La falta de visión no fue estudiada en profundidad y quedó poco menos que olvidada. Después de la I GM se desarrollaron nuevos aeroplanos con mucha más capacidad de maniobra. Durante la segunda guerra mundial las cosas fueron muy diferentes.

Los Stuka, por poner un ejemplo conocido, podían alcanzar velocidades en picado de unos 600 km/h y ya pesaban unos 4.300 kg. Cuando los pilotos alemanes tiraban de la palanca para salir del picado podían llegar a alcanzar las 5 G's. Con esta aceleración sostenida en una posición sentada, los pilotos empezaban a perder la agudeza visual, aunque mantenían la consciencia. Este efecto de empezar a ver una especie de velo gris era conocido por los pilotos alemanes cono la visión de la estrellas. Si se mantenía esta fuerza gravitatoria durante mucho tiempo el piloto llegaba a perder el conocimiento.

El típico ataque en picado del Stuka. Nótese como el piloto siempre intentaba mantener un número de G's positivas, para ello hacía medio tonel antes de tirar de la palanca e iniciar el picado. Después de la suelta de bombas el piloto egectuaba la maniobra de recogida donde alcanzaba un alto número de g's. 

Las pruebas de aceleración gravitacional de los Stuka fueron llevadas a cabo en el centro de medicina aeroespacial de Dessau. En estas impresionantes instalaciones adelantadas a su tiempo, los científicos alemanes (por aquel entonces eran de los más avanzados del mundo) descubrieron muchas cosas importantes, entre ellas la eficacia de contar en los Stuka con una cabina presurizada. Si a esto se unía un traje especial para el piloto dotados de máscaras de oxígeno entonces se podía llegar a soportar aceleraciones de unas 8,5 G's durante un máximo de tres segundos al salir de un picado. Otros resultados del centro mostraron que el 50% de los pilotos perdían la visión con aceleraciones superiores a 6 G. Con 7.5 G's el 40% de los pilotos perdían totalmente la visión (visión negra) y terminaban por desvanecerse. Al cabo de unos tres segundos de estar sin conciencia, si la aceleración había decrecido por debajo de 3 G's, los pilotos empezaban a recobrar el sentido. La sensación de volver a tener control duraba también unos tres segundos. Los científicos alemanes experimentaron con máquinas centrifugadoras y diversas posiciones para el pilotaje. Para las condiciones de guerra se consideró que estos valores eran aceptables y con ellos se construyó el famoso bombardero en picado. Cuando los norteamericanos ocuparon la factoría de Junkers en Dessau el 21 de abril de 1945 se quedaron estupefactos al comprobar el altísimo nivel de los estudios en medicina aeroespacial alcanzados por los alemanes. Todos estos datos junto con muchos de los científicos (operación paper clip) fueron trasladados a los Estados Unidos, donde los norteamericanos se pusieron a la cabeza poco tiempo después.

Otro de los ejemplos típicos donde se alcanzaron grandes números de g's fue durante la famosa batalla de Inglaterra. En los combates entre los Spitfires y los Bf109. No solo rompían la barrera del sonido en las puntas de las hélices y en las puntas de plano sino que también los pilotos ses vieron sometidos a fuerzas gravitacionales inusualmente alcanzadas en vuelos de aviones de pre-guerra. Muchos de los considerados "derribos" (Kill's) de aviones en realidad fueron accidentes provocados por la gran aceleración y/o velocidad punta (efectos gravitacionales y vuelo transónico/supersónico). Los Spitfires equipados con motores atmosféricos de carburadores debían de efectuar maniobras de medio tonel como las de los Stuka para conseguir g's positivas y poder lanzarse en persecución de los Bf109. Estos últimos estaban equipadas con inyección  de agua-Metanol y podían soportar las g's negativas sin ahogar el motor. Los Mustang norteamericanos con su alta velocidad punta también llegaron a experimentar estos efectos durante combates sobre Europa. Los inexplicables accidentes llevaron al estudio de las fuerzas gravitatorias. G induced Loss Of Consciousness (G-LOC).

La física detrás de la fisiología

Cuando un cuerpo cambia de dirección, la fuerza de la inercia intenta mantener al objeto en la misma dirección en la que se estaba moviendo. En los aviones de caza ocurre lo mismo. Cuando un caza efectúa un giro brusco, el piloto es presionado en su asiento porque su cuerpo intenta mantener la dirección en la que se estaba moviendo. Es exactamente la misma sensación que uno puede experimentar en una montaña rusa cuando se alcanza a gran velocidad el punto más bajo para luego subir. Esta fuerza se mide en términos de fuerza gravitatoria. Sentado en una silla en el salón de casa experimentamos 1g. En las montañas rusas más salvajes uno puede experimentar aceleraciones momentáneas de 3g. Si nuestro peso son 75 kg con 1g, nos encontraremos que pesamos 225 kg en la montaña rusa cuando alcanzamos las 3g. Sin embargo, en los modernos aviones de combate un piloto entrenado podría aguantar unas 9g sostenidas por un corto espacio de tiempo. Esto significa que un piloto de unos 75 kg a 1g llegaría a pesar 675 kg. Y su cráneo que normalmente pesa unos 10 kg, aumentaría de peso hasta alcanzar los 90 kg. Todo este tiempo, el corazón trata de bombear sangre oxigenada hasta la cabeza (que ahora pesa nueve veces más). Obviamente, el corazón no tiene capacidad suficiente para hacer esto. Cuando el cerebro no recibe la sangre oxigenada, una serie de efectos psicofisiológicos perniciosos ocurren.

Si el cerebro no recibe una cantidad adecuada de oxígeno,entra en un estado conocido como "hipoxia estática". Un piloto de caza puede experimentar diversos grados de hipoxia asociados a diferentes estados peligrosos. Durante los estados iniciales ocurre una pérdida de agudeza visual. Los pilotos pierden la visión en una gran variedad de formas. Algunos pilotos informan de una pérdida de visión como una sensación de apagado progresivo; algunos lo describen como la pérdida de la capacidad de discriminación del color, mientras que otros aseguran experimentar una "visión de túnel". Si el cerebro sigue privado de oxígeno en la sangre, ocurre una pérdida total y absoluta de la visión. Esto es lo que comúnmente se conoce en inglés como "blackout" o ceguera. Durante el blackout, el piloto todavía conserva una cierta consciencia de su ambiente cercano. El piloto todavía puede oír, contestar las llamadas de la radio y procesar cierto tipo de información, pero se ha quedado prácticamente ciego. No puede ver nada. En los estadios extremos de la hipóxia estática, el piloto llega a desmayarse. El piloto se encuentra completamente inconsciente e incapacitado. Después de que la sangre vuelve a fluir al cerebro, el piloto comienza a recobrar el conocimiento, pero se encuentra confuso y desorientado por un periodo de tiempo que puede variar entre unos segundos hasta casi un minuto (esto es consciente, pero todavía incapacitado para tomar el control de la aeronave).

 Este fenómeno es conocido en la medicina aerospacial como "G induced loss of consciousness" en inglés o G-LOC (pérdida del conocimiento inducida por las fuerzas G). Con relativamente bajos números de g y durante los primeros estadios, el piloto experimentará una cierta pérdida de visión antes de alcanzar el G-LOC, por lo tanto, él mismo se puede dar cuenta de la situación y puede empezar a relajar la presión en la palanca de vuelo bajando el número de g's. Sin embargo, con un rápido tirón de la palanca de vuelo a gran velocidad en uno de los modernos cazas de combate, se pueden adquirir un elevado número de g's rápidamente llegando al G-LOC tan rápidamente, que el cuerpo no puede darse cuenta y pasa directamente al G-LOC sin experimentar los efectos de los primeros estadios. En estos casos la sangre oxigenada no puede llegar al cerebro porque al igual que cualquier cuerpo sufre la inercia y esta hace que la sangre tienda a apilarse en las partes bajas del cuerpo, concretamente las piernas (muslos y pantorrillas).

Si el número de g's aumenta, la sangre se va haciendo más y más pesada. Aunque el músculo del corazón tiene una gran habilidad para superar la potencia de bombeo incrementando presión y frecuencia cardiaca (más volumen de sangre por minuto), pronto (como cualquier músculo) llega a su límite. Cuando esto ocurre, el corazón es incapaz de seguir bombeando con mayor presión y volumen para poder mandar la sangre desde las piernas a la cabeza.

Las AGSM o medidas para para aguantar las g's

La tolerancia a las g's varía mucho entre personas. No solo es la forma física. Una de las cosas más importantes por ejemplo es la distancia del corazón al cerebro. Mucha gente lo desconoce, pero para aguantar bien las g's es preferible (estar entrenado, por supuesto) y ser bajito. Ser un piloto alto ayuda a ligar, pero no va nada bien para ser piloto de caza ;)

La maniobra para intentar aguantar las g's se llama técnicamente AGSM que son las siglas de Anti-G Straining Maneuver o Maniobra de esfuerzo anti-G en español. Esta maniobra se desarrolló hace muchos años. Ya a finales de la IGM se empezó a estudiar el tema. Gracias a los alemanes y los informes de los pilotos de los Stukas en la IIGM, se perfeccionó la maniobra. Con ella se pueden aguantar unas 3 g's por encima de lo que se aguanta sin ella.

En poca palabras, este ejercicio se compone de una serie de 3 o 4 ciclos de respiraciones/exhalaciones rápidas (de menos de 1 segundo). A esto hay que añadirle una serie de compresiones musculares (técnicamente contracciones isométricas) de los muslos y el abdomen. Lo que este ejercicio trata de hacer es incrementar la presión de la sangre en la aorta, haciendo que el oxígeno en sangre entre por profusión en el cerebro. La compresión muscular hace que la sangre se vaya hacia la parte alta del cuerpo y la cabeza, que es donde más la necesitamos para no perder la consciencia. Hay muchos vídeos ilustrativos y mucha literatura en Internet sobre este tema. Para estar bien preparado para aguantar las g's existen varios factores que ayudan considerablemente:

1. no fumar
2. entrenamiento físico anaeróbico diario de alto rendimiento
3. dieta equilibrada rica en glucógenos
4. tomar suplementos vitamínicos (algunos expertos recomiendan la ingesta de creatina)
5. utilizar el equipo anti-g adedcuado

Un ejemplo del cálculo del peso y número de g's en los Stuka

Un Stuka en uno de sus ataques en picado realiza un vuelo de tipo circular. Si el radio es de 1.000 metros y la velocidad es constante a unos 200 m/seg. ¿Cúal será la fuerza con la que un piloto de 80 kg empujará hacia abajo la silla de su aparato cuando el avión esté en el punto más bajo?






La fuerza hacia abajo F que el piloto ejerce en el asiento es el resultado de la reacción de la fuerza hacia arriba que el asiento efectúa sobre él. Esta reacción es la suma de ambos: peso del piloto y mantenimiento del avión en vuelo circular. La solución es:

El piloto ejerce una fuerza sobre el asiento de más de 5 veces su peso. La aceleración a o número de g's que sufre nuestro piloto son:

La evolución de los trajes anti-g

El Dr. Wilbur Franks de nacionalidad canadiense inventó el primer traje anti-g en 1942 para tratar de paliar estos efectos. Gracias a su invento las fuerzas aliadas llegaron a alcanzar una ventaja táctica muy importante a la vez que llegó a salvar la vida de muchos pilotos. El Dr. Wilbur pronto desarrolló la idea de un traje dotado de líquido. En un principio Wilbur se dio cuenta de que los experimentos con ratones requerían líquido para poder proteger al propio ratón de las fuerzas gravitacionales. El Dr. Wilbur aceleró a varios de estos ratones en diversos medios, los que sobrevivían  a las aceleraciones de la gravedad en las centrifugadoras fueron aquellos que habían sido puesto en el interior de un profiláctico relleno de agua.

Los primeros trajes anti-g fueron por o tanto rellenos de agua en una especie de tubos que recorrían el interior del traje. Con estos trajes lo pilotos pudieron efectuar maniobras acrobáticas como nunca antes se habían hecho. Después de la guerra con la llegada de los reactores estos efectos se agudizaron en tal medida que pronto se alcanzó el límite realizable en combate cerrado. Se introdujo el traje anti-g que utilizaba aire para oprimir extremidades e impedir el flujo de la sangre en dirección contraria al cerebro. Para poder paliar los efectos se introdujo el concepto de Combat Edge (límite de combate), en el cual los médicos y fisiólogos educaban a los pilotos en como estos deberían de efectuar una serie de ejercicios de respiración y contracciones musculares de gran energía para poder soportar los efectos de la aceleración. A esto se le unió el aire forzado en la máscara de oxígeno del piloto. Los médicos teorizaron que si se inflaban los pulmones con gran presión, el aire ayudaría a evitar en gran medida el flujo de la sangre hacia abajo. Para evitar que el tórax del piloto explotara se le equipó con una especie de corsé o chaleco que mantenía el torso dentro de la proporciones vitales.

Un sistema actual de traje anti-g es muy complejo e implica gran cantidad de elementos intermedios en el avión.

Recuerdo que en 1998, en uno de mis vuelos en el F-18 (Hornet) hicimos una trepada a gran altura para poder efectuar una prueba en vuelo del biplaza que acababa de ser reparado en el escuadrón de mantenimiento de la base aérea de Zaragoza. Las pruebas para comprobar el buen funcionamiento de los diferentes sistemas se sucedieron sin grandes complicaciones con aceleraciones dentro de lo que se considera el umbral de confort de un caza (2, 3 y hasta 4 G's). Llegado un punto del programa de maniobras nos tocó realizar una de las más duras. Se trataba básicamente de abrir completamente el aerofreno dorsal del caza y descender en una especie de espiral tirando de la palanca hasta aumentar las g's progresivamente y alcanzar el punto en el que el servoactuador o martinete hidráulico del aerofreno se colapsara cerrándose. Este resultado según el manual de vuelo debía de conseguirse con un número de g's de algo más de 7, lo cual es perfectamente asumible si se sufren durante un cortísimo periodo de tiempo. Una silla lanzable por ejemplo puede alcanzar muchas más, pero ocurre en una posición y durante un periodo de tiempo tan corto que son asumibles por la mayoría de los pilotos. Para una persona normal sostener por más de 5 segundos una aceleración de algo más de 7 g's (creo recordar que llegamos a las 7,3 más de 6 segundos) es algo muy duro. El tiempo se hace eterno cuando miras en el Head Up los números de la G, que va subiendo poco a poco y uno nota como se le va la cabeza.

El traje anti-g que usábamos en el ejército del aire en aquel momento era una especie de pantalón con cámaras de aire que conectado al sistema del avión se hinchaba y nos apretaba la cintura y muslos a la manera que un esfingomanómetro lo hace cuando nos toman la presión arterial. Aunque el traje ayuda mucho, es necesario estar entrenado y saber cuando y de qué manera se deben de realizar las contracciones musculares que se enseñan para aguantar estas maniobras. 

El famoso vídeo "¿Estas conmigo Steve?" en Youtube nos muestra lo que estos efectos pueden hacer en un reportero que se atrevió a volar en un F-18 sin saber hacer las maniobras AGSM. No tiene desperdicio.

Las cosas han cambiado mucho desde los primeros ensayos con los trajes anti-g. Hoy en día pilotos de todo el mundo ya prueban el llamado Libelle G- Multiplus Selfcontained Anti-G Ensemble (SAGE). Andreas Reinhard, un ingeniero suizo experto en materiales inflables, junto con los técnicos de su empresa, Life Support Systems AG, se puso a investigar el tema de los trajes "anti-G", llamados así porque la unidad de medida que se usa para medir las fuerzas inerciales es la "G", la misma que se aplica para las fuerzas gravitacionales. Reinhard descubrió, entre otras cosas, que la libélula, ese insecto de cola larga tan característica, es capaz de resistir una gran presión gracias a una bolsa de líquido que rodea su corazón y protege el órgano de fuerzas exteriores.

Retomando viejos diseños de este tipo de trajes, y basándose en lo que descubrió de ese insecto, Reinhard creó un nuevo traje anti-G al que bautizó Libelle.

Se trata de una malla pegada al cuerpo, por encima de la cual hay unos tubos flexibles llenos de líquido que corren por el pecho, la espalda y los miembros. Todo el conjunto está cubierto por una especie de mameluco de material sintético. Al aumentar las fuerzas inerciales, el líquido —menos denso que la sangre— ubicado en la parte del tórax del traje se desplaza hacia las extremidades (brazos y piernas), oprimiendo los miembros del piloto e impidiendo así que la sangre del pecho y la cabeza se desplace hacia ellos. Lo bueno de esta nueva generación de trajes anti-G es que, a diferencia de los que se usan en la actualidad, son totalmente independientes del avión. No utilizan toda la serie de elementos intermedios como la que se mostraba más arriba.

Las fuerzas aéreas de Suiza y de Alemania comenzaron a hacer pruebas y se mostraron muy interesadas en el traje, pero el proyecto tomó un impulso definitivo recién cuando las fuerzas aéreas de los Estados Unidos se hicieron cargo de las pruebas finales. Ahora el Pentágono está en el proceso de aprobación de los nuevos trajes anti-G de Reinhard para sus FFAA.