Как бы вы двигались в условиях низкой гравитации без костюма?

Мои ответы на очень похожие вопросы: «Как бы выглядела походка человека на Марсе?» и «Как люди с соответствующим снаряжением могли бы путешествовать пешком по поверхности Титана, спутника Сатурна?» здесь убедительны, наряду с парой других понятий. Но ответ зависит от того, что означает «значительно меньшая гравитация».

Во-первых, нахождение в среде, где вам не нужен какой-либо громоздкий костюм, чтобы остаться в живых, как вы указываете, имеет огромное значение. Такие костюмы, особенно скафандры и особенно тазобедренные суставы, гораздо менее гибки, чем обычная одежда, и делают некоторые альтернативные походки меньшими усилиями, чем традиционная ходьба. Астронавты Аполлона обнаружили это во время своих прогулок по Луне, приняв на вооружение «прыжок». Только с обычной одеждой более важными становятся другие соображения, помимо гибкости.

Обычная двуногая походка на Земле — довольно эффективный вид транспорта, если у вас нет колес. Он использует маятникоподобное движение (наряду с мышечными сокращениями) одной ноги, чтобы вывести ее из-за ходячего вперед, а затем мышечные сокращения, чтобы отвести ее назад. В условиях земного притяжения и в «комфортном» темпе это маятниковое движение обеспечивает значительную часть энергии, необходимой для перемещения ноги впереди. Если вы идете быстрее, чем этот комфортный темп, ваши мышцы включаются в работу больше, двигая ногой быстрее, чем естественная скорость маятника, поэтому вы тратите больше энергии.

Величина гравитационного ускорения напрямую влияет на период маятника:

$$\tau = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$$ где$\tau$- период маятника, l - расстояние от точки вращения маятника до его центра масс, а g - величина ускорения свободного падения. Вы можете рассматривать время, необходимое для перемещения ноги назад вперед, как половину периода маятника, так что время увеличивается по мере уменьшения g . Если вы хотите двигать ногой быстрее, чем это будет делать сила тяжести естественным образом, вы должны снабжать энергией мышцы. Вот почему на ответ влияет «значительно меньшая гравитация».

Как говорит @Uwe, если гравитация очень, очень низкая, вы двигаетесь почти так же, как люди в свободном падении. Несмотря на определенные «вверх» и «вниз», низкая гравитация делает естественный период маятника ноги настолько длинным, что никто не смирится с медлительностью земной походки. А вес настолько мал, что и ноги, и руки могут обеспечить силы, необходимые для его преодоления. Вес также настолько мал, что кто-то, кто пытается использовать мышечную силу для ускорения движения ног, скорее всего, оторвется от пола на некоторое расстояние, вероятно, вращаясь. За то время, которое потребуется, чтобы вернуться на пол при такой низкой гравитации, вращение заставит их под каким-то неудобным углом. Возможно, они ударятся о потолок. Движение, подобное свободному падению, более контролируемо.

Если «низкая гравитация» больше похожа на половину g , то она будет более марсианской, более медленной версией земной: период естественного маятника увеличивается примерно на 40%, поэтому «удобная» походка примерно на столько же медленнее. — не так уж плохо! — и более быстрая ходьба не заставит вас упасть или удариться о потолок.

В промежутке, скажем, 1/6 (лунный) или 1/7 (титан) г , земная походка становится довольно медленной, но если вы не торопитесь, это нормально. Если вы спешите , то быстрая походка, вероятно, все еще в порядке, до определенного момента: чем больше силы вы прилагаете мышцами, тем больше вероятность того, что вы попадете в ситуацию, подобную упомянутому случаю «очень низкой g » . выше. После этой точки и за исключением бега (см. ниже) может быть полезен прыжок Аполлона, потому что он требует меньше раскачивания ног. Но...

Запуск и остановка, вероятно, требуют некоторой корректировки. У вас все еще есть 100% инерционной массы, но с уменьшенным g сила трения, доступная для стартов и остановок, уменьшается, что требует более предварительного планирования, особенно при быстрой ходьбе или беге.

Бег немного сложнее, потому что он требует времени без контакта с полом. На Земле это время очень короткое, поэтому небольшие ошибки в мышечных сокращениях, которые придают телу легкое вращение, не приводят к повороту тела в явно неоптимальную ориентацию (приземление, приседание или падение набок). . Но при низкой g это время больше, поэтому ошибки множатся. И теперь силы инерции намного больше, чем силы трения, поэтому исправить эти ошибки не так быстро.

Измененные отношения инерционных сил к силам тяжести или силам трения вызывают другие проблемы управления. Например, если кто-то идет, и небольшие ошибки вызывают наклон вправо, на Земле, помещая правую ногу немного дальше вправо на следующем шаге, эта нога ставится справа от линии прямо вниз от центра масс, в результате корректирующая сила влево. Не нужно двигать эту ногу очень далеко вправо, чтобы получить значительную корректирующую силу. Если угол между линией от центра масс тела (ЦМ) до центра стопы и вертикалью от ЦМ равен$\alpha$, то в статическом случае результирующая горизонтальная составляющая силы, связанная с гравитацией, равна

$$F_h = mg \sin{\alpha}$$ поэтому корректирующая сила пропорциональна g . При низкой g отношение корректирующих сил, связанных с гравитацией, к силам инерции уменьшается, что дает пешеходу (или бегуну) меньше возможностей для контроля. Без практики это, вероятно, приведет к тому, что мы бы назвали преувеличенным наклоном и раскачиванием во время ходьбы или бега.

Аналогично ведут себя силы трения. Чем больше g , тем большую силу трения вы можете создать без проскальзывания. При малом g попытка внезапного изменения направления, учитывая импульс полной инерционной массы, может потребовать горизонтальной силы, превышающей доступную силу трения, и ступня соскользнет. результат этого , вероятно , явно неоптимален!

Силы инерции, возникающие при вертикальных движениях ЦМ при ходьбе и особенно при беге, несколько усложняют это, но не меняют результата: контроль движений при ходьбе или беге при малых перегрузках потребует некоторой практики.

Видео @KimHolder в лунном свете прекрасно объясняет несколько аспектов...

(если у вас есть время, посмотрите также «Виртуальную лунную колонию в кратере Лаланд» — «Всё» )

выше: шаги в низкой гравитации Луны будут выглядеть совсем по-другому. Поступательное (боковое) движение не является необходимым и на самом деле может привести к тому, что вы очень быстро потеряете равновесие (как это видно на видео с астронавтами, падающими на Луну ). Вместо того, чтобы двигаться вверх или вниз, можно подниматься или опускаться по простой вертикальной шахте с эти модифицированные шаги с помощью захвата шеста.Есть несколько вариантов использования этой системы в зависимости от того, насколько вы спешите или насколько игриво себя чувствуете.

выше: Еще одна разновидность шагов с низкой перегрузкой:

вверху: при низкой гравитации игра будет действительно трехмерной. Зачем использовать ценное пространство на полу, если вы можете почти так же легко передвигаться по вертикали!