La loi de Newton stipule que deux corps ponctuels, de masse  respective « m » et  « m’ » distants de « d » exercent l’un sur l’autre une force attractive de même valeur, de même direction, mais de sens opposé. Cette force notée F « m » / « m’ » se calcul avec la formule suivante : F= (G x m x m') / d²  avec G une constante de valeur 6,67.10^-11unité du système international, « m » et « m' » en Kg , « d » en mètre et Fm /m’ en newton.

Déterminons cette force d’attraction entre la planète terre dont la masse vaut 5,97.10²⁴ kg et un astronaute d’une masse de 100 kg  éloigné de différentes distances :

      - Pour un astronaute situé sur terre soit à 6371 km du centre de notre planète :

                 F terre / astronaute = (6,67.10^-11*5,97.10⁺²⁴*100)/(6371.10³)² = 9,81.10⁺² N

- Pour un astronaute situé à 174 000 km de la Terre soit la distance Terre-lune / 2 :

- Pour un astronaute situé sur la Lune, soit à 384 000 km de la « planète bleu »:

                F terre / astronaute = (6,67.10^-11*5,97.10⁺²⁴*100)/(3,84.10⁺⁸)²= 2,70.10^-1 N

- Pour un astronaute situé à 2,96.10⁷ Km de la planète terre soit la longeur Terre-Mars / 8 :

D'après la courbe représentant la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur un astronaute en Newton, en fonction de la distance qui les sépare, on observe que la force d’attraction gravitationnelle entre les deux corps diminue lorsque la distance qui les sépare augmente. Cette force se rapproche continuellement de 0 sans jamais l’atteindre. On en déduit que plus notre astronaute s’éloigne de la planète Terre plus la force gravitationnelle faiblit.

      On peut donc dire qu’une fois dans l’espace, les astronautes sont donc soumis à une force d’attraction gravitationnelle très faible que l’on peut qualifier de nulle ou presque. Ces hommes se  trouvent alors en condition de chute libre.

Cette absence de force gravitationnelle peut affecter le corps humain si elle est supportée trop longtemps. Quelles peuvent-être les dysfonctionnements de notre corps liés à cette absence de force et donc à l’apesanteur ?

B - Conséquence de l'apesanteur sur l'astronaute


1 - L'influence sur les os

    Dans un premier temps, il faut savoir que sur Terre, le calcium, dont le but est de reconstituer les os, ne se fixe pas de façon immuable (durable). Les os ont la capacité de se remodeler à l'aide de sels minéraux présents notamment dans l'alimentation. Un apport de calcium au quotidien est donc nécessaire pour la construction et le maintien d’un squelette solide et en bonne santé.
    Une fois dans l'espace, le calcium quitte les os et passe dans le sang des astronautes.  Ces derniers les évacuent par l'intermédiaire de l'urine. Ce phénomène est appelé l'ostéoporose. L’ostéoporose, parfois appelée décalcification, est une affection chronique du squelette qui rend les os de plus en plus fragiles. Lors de la mission Skylab, lancée en 1973, la quantité de calcium présente dans l'urine des astronautes s'est accrue de 60% à 100%. De cette façon, les astronautes perdent 100 grammes de calcium par jour en sachant que le corps humain possède une réserve d'environ un kilogramme. L'ostéoporose expose à un risque plus important de fractures, notamment du col du fémur, du poignet et des vertèbres.

D'après l'étude d'un os sain (image de droite) et d'un os ostéoporotique (image de gauche) observés au microscope optique, on observe que les tissus osseux des os ostéoporotiques sont présents en moins grande quantité que pour les os sains. On en déduit  qu'il y a une fragilisation des os lorsqu'il y a perte de calcium d'où le risque  de fractures.   

     






     De plus, en apesanteur, les os du corps humain ne sont plus sollicités par l'Homme. La colonne vertébrale n'est plus compressée par la force de gravité, les vertèbres se séparent légèrement les unes des autres et le corps de l'astronaute s'allonge. Ainsi, les astronautes gagnent quelques centimètres et ressentent des maux de dos dans l'espace.

   Sur terre, 60% des 639 muscles qui composent notre corps, s'opposent continuellement à la gravité terrestre. Ce sont les muscles anti-gravifiques : les muscles du mollet (gastrocnémiens), les quadriceps, les muscles du dos et du cou. Or, dans l'espace, les muscles sont très peu sollicités car la force gravitationnelle est faible. Lorsque nous laissons nos muscles au repos (les muscles sont inactifs), Ils s'affaiblissent, perdent de la masse musculaire et du tonus, et donc,  rétrécissent. On appelle ce phénomène : l'atrophie musculaire. Lors d'un voyage d'une dizaine de jours dans l'espace, la masse musculaire diminue en moyenne de 20 %. Les astronautes sont alors sujets à une atrophie musculaire. Cette perte de masse musculaire peut s'avérer dangereuse pour l'astronaute.

                     
                  

     Des coupes transversales de muscles de rats montrent les effets de l'apesanteur  sur les muscles (les muscles d'un rat sur Terre sur l'image de gauche et les muscles d'un rat dans l'espace sur l'image de droite). On peut se rendre compte que les muscles diminuent de taille dans l'espace, c'est l'atrophie musculaire. 
                                    

3 - L'influence sur la circulation sanguine

   

      Sur terre, le coeur répartit le sang dans tout le corps. Le sang est naturellement attiré vers les membres inférieurs. Cela est provoqué par la gravité terrestre. Ainsi pour alimenter les organes supérieurs le corps doit fournir un travail plus important afin d'avoir une masse sanguine similaire dans chaque membre de notre corps.
       Une fois dans l'espace, le sang ne retombe plus vers les membres inférieurs et se déplace aussi facilement vers le haut que vers le bas du corps à cause de l'apesanteur. Or, le coeur continue à repartir le sang vers les organes supérieurs. En effet, le coeur est toujours disposé à fonctionner comme sur terre. Ainsi on retrouve une accumulation de sang dans les membres supérieurs. C'est le syndrome de la "tête pleine". De la même façon, les jambes d'un Homme dans l'espace deviennent plus minces.
    


      Sur ce schéma, on peut voir un astronaute sur Terre (on earth) :  son sang est également réparti dans son corps, lui donnant l'allure de tout être humain sur notre planète. On y voit de plus un astronaute voyageant dans l'espace (in space) : son sang se concentre au niveau de la partie supérieure de son corps et délaisse les membres inférieurs, donnant à notre astronaute un effet de " tête pleine " et des jambes excessivement minces.








     Après cette étude, on peut constater que la force gravitationnelle s'exerçant sur les astronautes a un effet néfaste sur eux. Les os et les muscles s'affaiblissent et le sang ne retombe pas vers les organes inférieurs. Tous ces éléments constituent des énormes dangers pour la santé de l'astronaute. Mais pour arriver à son objectif : Mars, l'astronaute ne doit pas seulement régler le problème de l'apesanteur. Il doit  également lutter contre les problèmes des radiations.