Hướng dẫn toàn diện về Vật lý khi Chạy Trên Mặt Trăng

Một ngày nào đó, con người sẽ có mặt ổn định trên mặt trăng. Đúng không? Một ngày nào đó điều đó sẽ xảy ra. Vậy nên, chúng ta sẽ sống như thế nào trên mặt trăng? Và có lẽ một câu hỏi quan trọng hơn—chúng ta sẽ di chuyển như thế nào ở đó? Chuẩn bị cho thuộc địa mặt trăng của chúng ta, hãy xem xét ba cử động mà chúng ta có thể thực hiện trên mặt trăng: nhảy, chạy và quay.

Hãy chú ý rằng phân tích này lấy cảm hứng từ cuốn tiểu thuyết gần đây của Andy Weir, Artemis. Tôi sẽ không làm hỏng cốt truyện ngoại trừ việc có một cô gái di chuyển trên mặt trăng. Weir đã làm một công việc khá tốt trong việc mô tả điều gì sẽ khác biệt khi di chuyển trên mặt trăng so với Trái Đất.

Điều gì khác biệt giữa mặt trăng và Trái Đất? Sự khác biệt lớn nhất là lực trường trên bề mặt. Trên Trái Đất, trường này có độ mạnh là 9.8 N/kg (chúng ta sử dụng ký hiệu g cho điều này). Điều này có nghĩa là một vật thể tự do rơi xuống (không có sự cản trở của không khí) sẽ có gia tốc xuống là 9.8 m/s². Trên mặt trăng, trường hấp dẫn là khoảng 1.6 N/kg, vì vậy gia tốc theo chiều dọc của một vật trên mặt trăng sẽ nhỏ hơn nhiều so với Trái Đất.

Có một khác biệt quan trọng khác với mặt trăng: Nó không có bất kỳ không khí nào. Nếu bạn là một con người nhảy, có thể không quá đáng kể; một con người nhảy ở Trái Đất không di chuyển đủ nhanh để sự cản trở của không khí đóng một vai trò quan trọng. Tuy nhiên, trên mặt trăng, cùng một người có thể muốn mặc bộ áo không gian. Bộ đồ này sẽ tăng cường khối lượng hiệu quả và giảm phạm vi di chuyển cho một con người đang di chuyển. Oh, nếu có một căn cứ mặt trăng, có lẽ sẽ có không khí bên trong để bạn không phải mặc bộ áo không gian trừ khi bạn chỉ nghĩ rằng nó trông ngầu (đúng vậy).

Nhảy trên mặt trăng

Tôi sẽ bắt đầu với cử động dễ nhất—nhảy thẳng lên. Hãy nói rằng trong một cú nhảy của con người bình thường, một con người đẩy vào mặt đất với một lực tối đa qua một khoảng cách nhất định. Khoảng cách này là từ vị trí thấp nhất trong tư thế squat trước khi nhảy, lên cho đến khi chân không còn tiếp xúc với mặt đất.

Bây giờ là một số giá trị ban đầu (bạn có thể thay đổi nếu bạn muốn). Tôi sẽ nói rằng lực nhảy tối đa này là ba lần trọng lượng của người (trọng lượng trên Trái Đất) và khoảng cách nhảy là 15 centimet. Đó chỉ là một đoán. Với những giá trị này, tôi không thể mô phỏng cử động của một con người nhảy trên Trái Đất. Tôi chỉ sẽ tính toán lực tổng cộng là hoặc lực đẩy lên trên cùng trọng lực khi "tiếp xúc" với mặt đất hoặc chỉ trọng lực sau đó. Điều này nên là một tính toán số khá đơn giản.

Đối với một người nhảy trên mặt trăng, tôi sẽ thay đổi một số điều. Rõ ràng, trường hợp trọng lực sẽ thay đổi—nhưng cũng có một số điểm khác. Tôi sẽ giả định người đó đang mặc bộ áo không gian, vì vậy điều này sẽ tăng khối lượng tổng cộng (nhưng không tăng lực nhảy tối đa). Ngoài ra, vì bộ áo không gian có kích thước lớn, khoảng cách nhảy cũng sẽ nhỏ hơn. OK, hãy bắt đầu. Đây là hai người nhảy (mặt trăng và Trái Đất). Nếu bạn muốn mã cho phép tính toán này—đây là nó.

Đây là cái mà nó sẽ trông như thế (sử dụng hình cầu cho tính đơn giản).

Ngoài ra, đây là đồ thị vị trí theo chiều dọc của cả hai người nhảy.

Một vài điều cần chú ý. Trước hết, người nhảy ở Trái Đất bắt đầu với tốc độ nhanh hơn. Tại sao? Bởi vì người nhảy trên mặt trăng có khối lượng nhiều hơn (bộ áo không gian và vật dụng). Thứ hai, người nhảy trên mặt trăng nhảy cao hơn và giữ khoảng cách từ mặt đất lâu hơn rất nhiều do gia tốc thẳng đứng thấp hơn.

Nhưng đợi đã! Còn video thực sự về việc nhảy trên mặt trăng? Đây là video về "vẻ tôn kính nhảy" nổi tiếng của John Young trong nhiệm vụ Apollo 16.

Khá tuyệt phải không? Nhưng nếu không mặc bộ áo không gian, một người có thể nhảy cao hơn. Đây là một bộ phim cũ của NASA về việc một người nhảy trong điều kiện trọng lực giả định như trên mặt trăng. Phương pháp của NASA (rất sáng tạo) để mô phỏng trọng lực mặt trăng là treo một con người nằm nghiêng theo hướng trực tiếp bằng dây rồi di chuyển trên một bề mặt hầu như thẳng đứng.

Chạy trên mặt trăng

Điều này không thực sự là một bí mật, nhưng một trong những cảnh đầu tiên trong cuốn sách Artemis có nhân vật chính (Jazz) trên bề mặt mặt trăng. Vì một lý do nào đó (đọc cuốn sách), cô ấy bắt đầu chạy khá nhanh trong bộ áo không gian của mình. Vậy, việc chạy trên mặt trăng sẽ như thế nào?

Đúng vậy, có video thực tế về phi hành gia di chuyển một cách có thể coi là "chạy"—nhưng tôi vẫn muốn mô phỏng chuyển động này. Trước đó, tôi đã xây dựng một mô hình về việc chạy của con người và bây giờ tôi chỉ cần thay đổi một số điều để điều chỉnh cho mặt trăng. Đây là bài viết trước đó của tôi về một mô hình chạy của con người. Một số điểm chính của mô hình này (hãy nhớ, đó vẫn chỉ là một mô hình).

• Một con người giống như một quả bóng nảy dọc theo mặt đất. Nó bao gồm hai phần: tiếp xúc với mặt đất và di chuyển qua không khí.
• Phần mà con người không tiếp xúc với mặt đất phải kéo dài ít nhất một thời gian nhất định để con người có thể chuyển đổi giữa chân trước và chân sau.
• Trong quá trình tiếp xúc với mặt đất, con người chỉ có thể áp dụng một lực tối đa nào đó.
• Thời gian tiếp xúc với mặt đất giảm theo tốc độ chạy tuyến tính.

Tất cả những điều này cộng lại có nghĩa là khi người chạy di chuyển nhanh hơn, một thành phần lớn hơn của lực đẩy phải được áp dụng theo hướng dọc để đưa con người rời khỏi mặt đất, bởi vì thời gian tiếp xúc giảm. Cuối cùng, con người đạt tới một tốc độ tối đa nơi mà toàn bộ lực được sử dụng theo hướng dọc. Bạn có thể xem mã chạy mô hình của tôi ở đây.

Nhưng chuyện gì xảy ra khi chạy trên mặt trăng? Sự khác biệt lớn là thời gian. Vì trường hợp trọng trường nhỏ, con người sẽ ở trong không khí trong một khoảng thời gian lớn hơn với một lực đẩy dọc nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là lực cực đại có thể được sử dụng nhiều hơn trong hướng ngang để tăng tốc độ ngang.

Được rồi, nhưng còn một bản đồ sao? Đây là mô hình chạy của tôi trên cả Trái Đất và Mặt Trăng. Tôi đã tăng khối lượng của con người trên Mặt Trăng để mô phỏng một bộ đồ vũ trụ và tôi cũng đã tăng "thời gian bước" mà con người không tiếp xúc với mặt đất để tính đến một bộ đồ vũ trụ cồng kềnh sẽ đòi hỏi thời gian đánh đập chân hơn.

Đây là biểu đồ về vận tốc theo thời gian cho hai người chạy này.

Con người Trái Đất đạt được tốc độ gần 10 m/s, nhưng con người Mặt Trăng dễ dàng có thể vượt quá 15 m/s. Nhưng chờ đã! Nó còn tốt hơn nữa. Điều này giả sử cùng một phong cách chạy cho cả hai trường hợp trọng trường. Tuy nhiên, trên Mặt Trăng có thể có những phong cách chạy hiệu quả hơn sử dụng trường trọng lực thấp.

Có lẽ không ngạc nhiên khi mọi người đã nghiên cứu ý tưởng chạy trong trọng lực thấp. Chỉ cần kiểm tra thử nghiệm của NASA sử dụng cùng một hệ thống "chạy ngang" như trong video nhảy.

Ồ, còn có bài báo thú vị này về tốc độ chạy lý thuyết và mô phỏng trên Mặt Trăng - "Tốc độ chuyển tiếp đi bộ thành chạy ưa thích trong trọng lực thực sự của Mặt Trăng", từ Tạp chí Sinh học Thực nghiệm. Cho nghiên cứu đó, họ đặt con người thực sự trên máy chạy trong khi ở trên một máy bay bay theo đường bay parabol để tạo ra trọng lượng thực tế thấp hơn. Nhưng thực sự, ai biết được cách thức hoạt động thực sự như thế nào cho đến khi chúng ta nghiêm túc với việc ở trên Mặt Trăng.

Chạy và quay

Chạy thẳng có thể vui trong một thời gian ngắn đối với một số người - nhưng nếu bạn muốn di chuyển thực sự, bạn sẽ phải quay tại một số điểm nào đó. Quay trên Mặt Trăng có khác biệt so với Trái Đất không? Dĩ nhiên. Hãy xem xét một người chạy trong một vòng tròn trên bề mặt Trái Đất. Đây là một cái nhìn từ trên và bên cạnh với biểu đồ lực.

Ý tưởng chính ở đây là bạn cần một lực "bên cạnh" để thực hiện quay. Hướng của lực quay này là hướng về trung tâm của vòng tròn bạn đang quay. Ngoài ra, độ lớn của lực này phụ thuộc vào tốc độ chạy và kích thước của vòng tròn theo cách sau.

Vậy, tốc độ chạy nhanh có nghĩa là một lực lớn hơn và bán kính nhỏ hơn (quay sắc nét) cũng có nghĩa là một lực lớn hơn. Lực đẩy con người vào quỹ đạo tròn là lực ma sát giữa chân và mặt đất. Nhưng tất nhiên bạn đã biết rồi — nếu bạn cố quay trên bề mặt băng ít ma sát thì không hoạt động tốt, phải không?

Đây là điểm cuối cùng quan trọng — độ lớn của lực ma sát tỉ lệ với lực mà mặt đất đẩy lên con người. Trong trường hợp ma sát tối đa, độ lớn sẽ là:

Nhưng còn về Mặt Trăng? Có những thay đổi gì? Điều đầu tiên là lực hấp dẫn. Với lực hấp dẫn nhỏ hơn trên Mặt Trăng, cũng sẽ có lực mặt đất đẩy lên con người nhỏ hơn. Điều này tất nhiên có nghĩa là lực ma sát sẽ ít hơn được sử dụng để quay. Oh, thêm vào đó là sự thật rằng con người có thể chạy nhanh hơn và bạn sẽ gặp vấn đề quay lớn.

Vậy, việc chạy trên Mặt Trăng sẽ khác biệt so với việc chạy trên Trái Đất. Tôi có phần hào hứng xem chúng ta có thể tạo ra những thủ thuật tuyệt vời nào để di chuyển trong môi trường trọng lực thấp này. Oh, việc ở trên Mặt Trăng cũng sẽ rất thú vị.

Những Câu Chuyện Tuyệt Vời Khác Của MYTOUR

• Bên trong nhà máy tạo ra Google tiếp theo
• Thất vọng! Rạn san hô không nhận đủ phân chim
• Làm thế nào người hâm mộ âm nhạc đã xây dựng internet
• Chiếc thuyền độc đáo chạy bằng năng lượng tái tạo và hydro
• Liệu Satoshi Nakamoto đã viết đoạn trích trong cuốn sách này?
• Còn muốn khám phá sâu hơn về chủ đề yêu thích tiếp theo của bạn? Đăng ký nhận bản tin Backchannel