Wie würden Sie sich ohne Anzug in geringer Schwerkraft bewegen?

Meine Antworten auf sehr ähnliche Fragen, "Wie würde der menschliche Gang auf dem Mars aussehen?" und "Wie würden Menschen mit entsprechender Ausrüstung die Oberfläche des Saturnmondes Titan zu Fuß bereisen?" sind hier zwingend, zusammen mit ein paar anderen Konzepten. Aber die Antwort hängt davon ab, was "deutlich weniger Schwerkraft" bedeutet.

Erstens macht es einen großen Unterschied, sich in einer Umgebung zu befinden, in der Sie keinen sperrigen Anzug benötigen, um am Leben zu bleiben, wie Sie es angeben. Solche Anzüge, insbesondere Druckanzüge und insbesondere Hüftgelenke, sind weit weniger flexibel als normale Kleidung und machen einige alternative Gangarten weniger anstrengend als der traditionelle Gang. Die Apollo-Astronauten fanden dies bei ihren Spaziergängen auf dem Mond und übernahmen den "Hüpfer". Bei nur normaler Kleidung werden andere Überlegungen als die Flexibilität wichtiger.

Der normale, zweibeinige Gang auf der Erde ist ein ziemlich effizientes Transportmittel, wenn Sie keine Räder haben. Es verwendet eine pendelähnliche Bewegung (zusammen mit Muskelkontraktionen) eines Beins, um es von hinter dem Geher vor den Geher zu bringen, und dann Muskelkontraktionen, um es nach hinten zurückzuziehen. In der Schwerkraft der Erde und in einem "komfortablen" Tempo liefert diese Pendelbewegung einen wesentlichen Teil der Energie, die benötigt wird, um das vordere Bein zu bewegen. Wenn Sie schneller als in diesem angenehmen Tempo gehen, kommen Ihre Muskeln mehr ins Spiel und bewegen das Bein schneller als die natürliche Pendelgeschwindigkeit, sodass Sie mehr Energie verbrauchen.

Die Größe der Erdbeschleunigung wirkt sich direkt auf die Pendelperiode aus:

$$\tau = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$$ Wo$\tau$ist die Periode des Pendels, l ist der Abstand vom Drehpunkt des Pendels zu seinem Massenmittelpunkt und g ist die Größe der Erdbeschleunigung. Sie können die Zeit, die benötigt wird, um das Bein von hinten nach vorne zu bewegen, als eine halbe Pendelperiode betrachten, so dass die Zeit zunimmt, wenn g abnimmt. Wenn Sie Ihr Bein schneller bewegen möchten, als es die Schwerkraft auf natürliche Weise tun würde, müssen Sie Energie mit Muskeln zuführen. Aus diesem Grund wirkt sich "deutlich weniger Schwerkraft" auf die Antwort aus.

Wie @Uwe sagt, wenn die Schwerkraft sehr, sehr gering ist, bewegen Sie sich ziemlich genau wie Menschen im freien Fall. Trotz definiertem „Auf“ und „Ab“ macht die geringe Schwerkraft die natürliche Pendelzeit eines Beines so lang, dass sich niemand die Langsamkeit eines erdähnlichen Gangs gefallen lassen würde. Und das Gewicht ist so gering, dass sowohl Beine als auch Arme die zur Überwindung erforderlichen Kräfte aufbringen können. Das Gewicht ist auch so gering, dass jemand, der versucht, Muskelkraft einzusetzen, um die Beinbewegung zu beschleunigen, wahrscheinlich eine gewisse Strecke vom Boden abhebt und sich wahrscheinlich dreht. In der Zeit, die es braucht, um bei dieser geringen Schwerkraft wieder auf den Boden zu kommen, würde die Drehung sie in einen ungünstigen Winkel bringen. Sie könnten möglicherweise eine Decke treffen. Freifall-ähnliche Bewegungen sind besser kontrollierbar.

Wenn "geringe Schwerkraft" eher einem halben g entspricht, dann wäre es eher marsähnlich, eine langsamere Version von erdähnlich: Die natürliche Pendelperiode wird um ~40% erhöht, sodass der "bequeme" Gang etwa so viel langsamer ist – nicht so schlimm! – und ein einigermaßen schnelleres Gehen wird Sie nicht dazu bringen, zu stürzen oder gegen die Decke zu stoßen.

Dazwischen, sagen wir 1/6 (Mond) oder 1/7 (Titan) g , wird der erdähnliche Gang ziemlich langsam, aber wenn Sie es nicht eilig haben, ist das in Ordnung. Wenn Sie es eilig haben, dann ist der schnelle Schritt wahrscheinlich noch in Ordnung, bis zu einem gewissen Punkt: Je mehr Kraft Sie mit den Muskeln aufbringen, desto eher geraten Sie in eine Situation wie den erwähnten Fall „sehr niedriges g “ . über. Jenseits dieses Punktes und kurz vor einem Lauf (siehe unten) könnte der Apollo-Hüpfer nützlich sein, da er weniger Schwingen der Beine erfordert. Aber...

Das Starten und Stoppen erfordert wahrscheinlich eine gewisse Anpassung. Sie haben immer noch 100 % Ihrer Trägheitsmasse, aber mit reduziertem g ist die für Starts und Stopps verfügbare Reibungskraft reduziert, was eine vorausschauendere Planung erfordert, insbesondere bei schnellen Spaziergängen oder Läufen.

Läufe sind etwas anspruchsvoller, da sie Zeit ohne Bodenkontakt beinhalten. Auf der Erde ist diese Zeit sehr kurz, sodass geringfügige Fehler bei Muskelkontraktionen, die dem Körper eine leichte Rotation verleihen, nicht dazu führen, dass sich der Körper in eine deutlich suboptimale Ausrichtung dreht (Prat-Fall, Po-Plant oder Umfallen zur Seite). . Aber bei niedrigem g ist diese Zeit länger, so dass Fehler multipliziert werden. Und jetzt sind die Trägheitskräfte viel größer als die Reibungskräfte, sodass die Korrektur dieser Fehler nicht so schnell erfolgen kann.

Die veränderten Verhältnisse von Trägheitskräften zu Schwerkraft- oder Reibungskräften bringen andere Regelungsprobleme mit sich. Wenn man zum Beispiel geht und leichte Fehler dazu führen, dass man sich nach rechts lehnt, platziert man auf der Erde den rechten Fuß etwas weiter rechts bei seinem nächsten Schritt und platziert diesen Fuß rechts von der Linie direkt nach unten vom Massenmittelpunkt. was zu einer Korrekturkraft nach links führt. Es ist nicht nötig, diesen Fuß sehr weit nach rechts zu bewegen, um eine signifikante Korrekturkraft zu erzielen. Wenn der Winkel zwischen der Linie vom Körperschwerpunkt (CM) zum Fußmittelpunkt und der Vertikalen vom CM ist$\alpha$, dann ist im statischen Fall die resultierende gravitationsbedingte Horizontalkraftkomponente

$$F_h = mg \sin{\alpha}$$ also ist die korrigierende Kraft proportional zu g . Bei niedrigem g nimmt das Verhältnis der schwerkraftbedingten Korrekturkräfte zu den Trägheitskräften ab, wodurch der Geher (oder Läufer) weniger Kontrolle erhält. Ohne Übung führt dies wahrscheinlich zu dem, was wir als übertriebenes Neigen und Wedeln beim Gehen oder Laufen bezeichnen würden.

Reibungskräfte verhalten sich ähnlich. Je größer g , desto größer die Reibungskräfte, die Sie erzeugen können, ohne zu rutschen. Bei niedrigem g könnte ein Versuch einer plötzlichen Richtungsänderung angesichts des Impulses der vollen Trägheitsmasse eine horizontale Kraft erfordern, die größer ist als die verfügbare Reibungskraft, und der Fuß rutscht aus. das Ergebnis davon ist wahrscheinlich deutlich suboptimal!

Trägheitskräfte, die durch vertikale Bewegungen des CM beim Gehen und insbesondere beim Laufen entstehen, machen dies etwas komplizierter, ändern aber nichts am Ergebnis: Die Beherrschung von Geh- oder Laufbewegungen bei niedrigem g erfordert etwas Übung.

Das Moonward -Video von @KimHolder erklärt einige Aspekte gut ...

(wenn Sie Zeit haben, schauen Sie sich auch Virtual Moon Colony at Lalande Crater - the Whole Thing an )

oben: Schritte in der geringen Schwerkraft des Mondes sehen ganz anders aus. Eine (seitliche) Vorwärtsbewegung ist nicht erforderlich und kann tatsächlich dazu führen, dass Sie sehr schnell das Gleichgewicht verlieren (wie in den Astronauten zu sehen ist, die auf den Mondvideos herunterfallen . Anstatt sich nach oben oder unten zu bewegen, kann eine einfache vertikale Welle mit auf- oder abgestiegen werden diese modifizierten Schritte, unterstützt durch Ergreifen einer Stange. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses System zu verwenden, je nachdem, wie sehr Sie in Eile sind oder wie spielerisch Sie sich fühlen.

oben: Eine andere Variante von Low-g-Schritten:

oben: Bei geringer Schwerkraft wird die Erholung wirklich 3D sein. Warum wertvolle Bodenfläche verschwenden, wenn Sie sich vertikal fast genauso einfach bewegen können!