زندگی روی کره ماه ؛ پریدن، دویدن و چرخیدن روی ماه چگونه خواهد بود؟

زندگی روی کره ماه به هیچ عنوان دیگر یک رویا نیست. به لطف پیشرفت تکنولوژی تصور زندگی کردن بر روی ماه اصلا دشوار نیست، اما انسان چگونه زندگی بر روی ماه خواهد داشت؟ فیزیک پاسخ می‌دهد.

زندگی روی کره ماه روزی رنگ و بوی واقعیت به خود خواهد گرفت. اینطور نیست؟ بالاخره دیر یا زود یک روزی اتفاق می‌افتد. پس بد نیست به سراغ این سوال برویم که چگونه زندگی روی کره ماه خواهیم داشت؟ پرسش مهم‌تر شاید این باشد که چگونه قرار است بر روی ماه حرکت کنیم؟ برای اینکه ماه را به چنگ خود درآوریم، اجازه بدهید نگاهی بیاندازم به سه نوع حرکتی که می‌توانیم روی ماه انجام دهیم: پریدن، دویدن و چرخیدن.

قبل از آن باید به این نکته اشاره کنم که این تحلیل از رمان اخیر اندی وایر (Andy Weir) به نام آرتمیس (Artemis) الهام گرفته شده است. نمی‌خواهم داستان را لو بدهیم، فقط این را بگویم که ماجرای یک دختری است که قرار است بر روی ماه حرکت کند. کار فوق‌العاده وایر در این رمان این بوده که به توصیف تفاوت‌های میان حرکت کردن بر روی زمین و ماه پرداخته است.

زندگی روی کره ماه ؛ چگونه روی ماه بپریم، بدویم و بچرخیم؟

تفاوت‌های میان ماه و زمین چه هستند؟ بزرگترین تفاوت میدان گرانشی روی سطح است. بر روی زمین این میدان 9.8 نیوتن بر کیلوگرم قدرت دارد (برای نمایش آن از نماد g استفاده می‌کنیم). این بدان معناست که اگر از مقاومت هوا صرف‌ نظر کنیم، یک جسم در حال سقوط آزاد، 9.8 متر بر ثانیه به توان دو (m/s²) شتاب خواهد گرفت. میدان گرانشی بر روی ماه 1.6 نیوتن بر کیلوگرم (N/kg) است. با این حساب شتاب عمودی یک جسم بر روی ماه به مراتب کمتر از روی زمین است.

یک تفاوت مهم دیگر میان زمین و ماه وجود دارد‌، هیچ هوایی آنجا وجود ندارد. هوا برای انسانی که بر روی زمین جهش می‌کند، موضوع مهمی نیست؛ چرا که آنقدر سریع حرکت نمی‌کند که مقاومت هوا بتواند نقش چشمگیری ایفا کند. حالا همین انسان بر روی کره ماه احتمالا می‌خواهد لباس فضانوردی بپوشد.

این لباس در عین اینکه جرم موثر را افزایش می‌دهد، منجر به کاهش محدوده حرکتی فرد می‌شود. البته یک نکته را از قلم انداختیم! اگر یک پایگاه بر روی ماه تاسیس کنیم، احتمالا آن داخل به اندازه کافی هوا باشد که نیازی به پوشیدن لباس فضانوردی نباشد، مگر اینکه فکر کنید خیلی کار باحالی است!‌

زندگی روی کره ماه ؛ پریدن در ماه چگونه است؟

برای بررسی زندگی روی کره ماه می‌خواهم با ساده‌ترین حرکت شروع کنم، پریدن به طور مستقیم رو به بالا. اول باید بگویم که در حالت عادی پریدن انسان با یک نیروی بیشینه که در نتیجه یک فاصله خیزش مشخص است، بر روی زمین فشار وارد می‌کند. فاصله خیزش از پایین‌ترین موقعیت در حالت قبل از پریدن به سمت بالا است، تا جایی که دیگر پاها با زمین تماسی ندارند.

اکنون به یک سری مقادیر اولیه نیاز داریم (در صورت تمایل می‌توانید آنها را تغییر دهید). من می‌خواهم حداکثر نیروی پریدن را سه برابر وزن شخص (بر روی زمین) و میزان پرش او را 15 سانتی‌متر در نظر بگیرم. با این مقادیر نمی‌توان پریدن انسان را بر روی زمین را مدل‌سازی کرد. نیروی کل را یا به صورت مجموع نیروی فشار رو به بالا و گرانش در حالت اتصال به زمین و یا تنها به صورت گرانش پس از اتصال محاسبه خواهم کرد. این یک محاسبه عددی نسبتا ساده خواهد بود.

بیشتر بخوانید : همه چیز در مورد تنها قمر زمین ؛ ماه از چه چیزی ساخته شده است؟

برای انسانی که می‌خواهد بر روی ماه جهش داشته باشد، چند تفاوت را باید لحاظ کنم. واضح است که میدان گرانش تغییر خواهد کرد. می‌خواهم فرض کنم که انسان لباس فصایی پوشیده است که این‌کار جرم مجموع را افزایش می‌دهد، اما ماکسیمم نیروی پرش را تغییر نمی‌دهد. همچنین از آنجایی که لباس فضایی ضخیم است، فاصله خیزش نیز کمتر می‌شود.

با این تفاسیر بیایید جهش در ماه و زمین را بیشتر مقایسه کنید. همچین اگر به محاسبات بیشتری نیاز دارید، می‌توانید این لینک را مشاهده کنید.

در تصویر زیر شمایی کلی از نحوه پرش بر روی زمین و ماه آورده شده است. گوی زرد رنگ نمایانگر انسانی است که روی ماه می‌پرد و گوی قرمز رنگ مربوط به زمین است. تفاوت، آشکار است. انسان بر روی ماه بلندتر می‌پرد و مدت زمان بیشتری روی هواست.

در نمودار زیر نیز آنجه گفتیم به زبان ریاضی بیان شده است. این نمودار موقعیت عمودی فرد (بر حسب متر) را نسبت به زمان رسم کرده است. نمودار قرمز رنگ مربوط به پرش روی ماه و نمودار آبی رنگ پرش روی زمین را نشان می‌دهد.

چند نکته در مورد این نمودار وجود دارد که باید به آنها پرداخت. اول اینکه، فردی که روی زمین می‌پرد، پرش خود را با سرعت بیشتری نسبت به پرش در ماه آغاز می‌کند. چرا؟ چون فردی که روی ماه می‌پرد، جرم بیشتری دارد (جرم شخص + لباس فضایی). دوم آنکه فردی که روی ماه می‌پرد هم فاصله بیشتری نسبت به سطح می‌گیرد (پرش بلندتری دارد)‌ و هم مدت زمان به مراتب بیشتری روی هواست؛ چرا که شتاب جاذبه (شتاب حرکت عمودی) روی ماه کمتر است.

اما صبر کنید! همه چیز در نمودار و تصویر خلاصه نمی‌شود. فیلم مربوط به پریدن در ماه را نیز برای شما آماده کرده‌ایم. ویدیو زیر مربوط به جان یانگ (John Young) فضانورد ماموریت آپولو 16 است که با پرش خود به پرچم ایالات متحده احترام می‌گذارد.

فوق‌العاده نیست؟ حالا تصور کنید فضانورد لباس فضایی هم نداشت، در این صورت به مراتب پرش بیشتری را تجربه می‌کرد. در ویدیو یوتیوب می‌توانید یک فیلم قدیمی ناسا را ببینید که مربوط به پرش در محیط شبیه‌سازی شده گرانش ماه است. این متد خلاقانه ناسا که در سال 1963 و به آزمایش ماموریت آپولو تعلق دارد، با استفاده از تعدادی طناب پرش فرد را طوری شبیه‌سازی می‌‌کنند که گویی در ماه می‌پرد.

زندگی روی کره ماه ؛ دویدن در ماه چگونه است؟

واقعا نمی‌خواهم داستان کتاب را لو بدهم، اما در یکی از صحنه‌های اولیه کتاب آرتمیس (Artemis)، شخصیت اصلی داستان، جز (Jazz) زندگی روی کره ماه را تجربه می‌کند و بنابر دلایلی مجبور می‌شود که بدود. او در حالی که لباس فضانوردی پوشیده است، با سرعت نسبتا زیادی شروع به دویدن می‌‌کند. با این تفاسیر بیایید نگاهی بیاندازیم به چگونگی دویدن بر روی سطح ماه.

درست حدس زدید! برای این مورد هم ویدیو داریم. ویدیویی واقعی از فضانوردانی که روی سطح ماه حرکتی دارند که می‌توان آن را دویدن نامید. می‌خواهیم این حرکت را مدل‌سازی کنیم، به نظر می‌رسد باید مدل دویدن انسان بر روی زمین را اندکی با تغییرات همراه سازیم تا برای سطح ماه به کار بیاید. در این لینک می‌توانید مدل‌سازی مربوط به دویدن انسان را مشاهده کنید. به برخی از نکات کلیدی در مورد این مدل توجه کنید: (یادتان باشد این تنها یک مدل است)

• انسان مانند توپی است که در امتداد زمین در حال جست و خیز است. این حرکت دو بخش دارد : بخشی که توپ در آن به زمین متصل است و بخشی که توپ در هوا حرکت می‌کند.
• بخشی که انسان با زمین تماس ندارد باید کمترین مدت زمان را به خود اختصاص دهد به طوری انسان در این مدت زمان می‌تواند پاهای خود را از عقب به جلو بیاورد.
• در طول مدت زمانی که پای انسان بر روی زمین است بیشترین میزان نیروی ممکن اعمال می‌شود.
• هرچه سرعت دویدن بیشتر باشد، مدت زمان اتصال به زمین کمتر است.

همه آنچه گفتیم مجموعا به این معناست که هرچه یک دونده سریع‌تر حرکت کند، بخش بزرگتری از نیروی فشار می‌بایست در راستای عمودی اعمال شود تا انسان را از روی زمین بلند کند، چرا که مدت زمان اتصال کاهش یافته است. در نهایت هنگامی که دونده به بیشتری سرعت ممکن برسد، همه نیروی او در راستای عمودی اعمال می‌شود.

بیشتر بخوانید : همه‌چیز در مورد تنها قمر زمین ؛ اتمسفر ماه چگونه است؟

اما برویم سراغ اصل مطلب! در مورد دویدن بر روی سطح ماه چطور؟ تفاوت بزرگ، زمان است. از آنجایی که میدان گرانشی کوچک است، انسان با نیروی عمودی وارده کوچکتر، مدت زمان به مراتب بیشتری را روی ماه خواهد بود. این بدان معناست که بخش عمده‌ای از ماکسیمم نیرو را می‌توان در راستای افقی به کار برد تا بدین وسیله سرعت افقی افزایش یاید.

اما در مورد نمودار چطور؟ چارت زیر مدل‌سازی من از دویدن بر روی ماه و زمین است. با در نظر گرفتن لبس فضانوردی من جرم انسان بر روی ماه را بیشتر در نظر گرفتم. همچنین با در نظر گرفتن بزرگ بودن لباس فضایی که منجر می‌شود مدت زمان تغییر موضع پاها افزایش یابد، تصمیم گرفتم “زمان گام” (زمان بلند شدن ار روی سطح) را افزایش دهم.

تصویر زیر نمودار سرعت افقی (متر بر ثانیه) بر حسب زمان برای دو دونده، یکی برروی زمین و دیگری بر روی ماه، است.

دونده‌ای که بر روی زمین قرار دارد،‌ به زحمت می‌تواند سرعت خود را به 10 متر بر ثانیه برساند. در حالی که همین فرد اگر به ماه برود (با لباس فضایی) به راحتی از سرعت 15 متر بر ثانیه عبور می‌کند. اما صبر کنید. اوضاع می‌تواند اندکی بهتر شود.

این مدلسازی شیوه دویدن در هر دو مورد را بدون در نظر گرفتن میدان گرانش یکسان فرض کرده است. در صورتی که احتمال زیادی وجود دارد که شیوه‌های دویدن موثرتری بر روی ماه وجود داشته باشند که از مزیت میدان گرانشی کمتر تنها قمر زمین استفاده کنند.

بیشتر بخوانید: سفر به ماه با آپولو ۱۷ دروغ یا واقعیت؟ چرا انسان دیگر به ماه نرفت؟

احتمالا زیاد شگفت‌زده نشوید اگر بدانید که تا پیش از این ایده دویدن در محیط با گرانش کم مورد کاوش قرار گرفته است. خوشبختانه ویدیوی این یک قلم را هم داریم. این آزمایش ناسا نیز از همان ابزارهایی استفاده کرده بود که در ویدیوی آزمایش پریدن استفاده شده بود.

باید به این نکته هم اشاره کنم که یک مقاله جالب وجود دارد که سرعت‌های دویدن بر روی ماه را شبیه‌سازی و از نظر تئوری بررسی می‌کند. این مقاله در ژورنال Experimental Biology به چاپ رسیده است. برای این مطالعه افراد حقیقی در حالی که سوار بر هواپیما در مسیرهای پارابولیک پرواز می‌کنند تا وزن ظاهری آنها کاهش یابد، بر روی تردمیل قرار می‌گیرند. اما حقیقتا زمانی می‌توانیم چگونگی این امر با بفهمیم که به طور جد به روی ماه برویم.

زندگی روی کره ماه ؛ دویدن و چرخیدن توامان روی ماه چگونه است؟

برای یک مدت کوتاهی دویدن بر روی یک خط مستقیم شاید جالب باشد. اما اگر بخواهیم تغییر مسیر بدهیم، لازم است تا در نقظه‌ای بچرخیم. اما آیا چرخیدن در زمین تفاوتی با انجام این عمل بر روی ماه دارد؟ البته که دارد. بیایید تصور کنید که فردی بر روی مسیر دایره‌ای روی سطح زمین درحال دویدن است. در دیاگرام زیر نماهای از بالا و از کنار مربوط به چنین حرکتی را ملاحظه می کنید.

ایده کلیدی این است که شما برای انجام چرخش به “یک نیروی کناری” نیاز دارید. راستای این نیروی چرخش به سمت مرکز دایره‌ای است که به دور آن می‌دوید. همچنین اندازه این نیرو به سرعت دویدن شما و اندازه قطر دایره‌ای که به دور آن می‌چرخید بستگی دارد. (مطابق فرمول زیر)

با این حساب، هرچه با سرعت بیشتری بدوید و یا هرچه قطر دایره کمتر باشد (به عبارتی هرچه چرخش‌هایی با زاویه بیشتری انجام دهید)، نیرو بزرگتر خواهد بود. نیرویی که دونده را به درون مسیر دایره‌ای هل می‌دهد، نیروی اصطکاک میان پاها و زمین است. اما همانطور که به احتمال زیاد شما پیش از این می‌دانستید، اگر تلاش کنید تا بر روی یک سطح یخی که اصطکاک کمتری دارد، چرخش انجام دهید، اوضاع به گونه دیگری پیش خواهد رفت.

نکته مهم پایانی این است: بزرگی نیروی اصطکاک با نیرویی که سطح زمین به دونده وارد می‌کند، متناسب است. این اصطکاک در بیشینه‌ مقدار خود باشد، این نیرو برابر است با:

اما در مورد ماه چطور؟ تغییرات چه هستند؟ اولین چیز نیروی گرانش است. از آنجایی که نیروی گرانش بر روی ماه کمتر است، نیرویی که زمین به انسان وارد می‌کند نیز کمتر خواهد بود. البته این به این معنا نیز خواهد بود که نیروی اصطکاک مورد نیاز برای چرخش نیر کمتر خواهد بود. این نکته را هم باید اضافه کرد که همانطور که اشاره شد سرعت دویدن در ماه به مراتب بیشتر است. این موضوع یک مشکل بزرگ برای چرخش بوجود می‌آورد.

بنابر آنچه گفته شد، زندگی روی کره ماه نسبت به زمین متفاوت خواهد بود. من به نوعی هیجان‌زده هستم تا ببینم چه ترفند‌هایی قرار است پیاده کنیم تا در این محیط کم‌گرانش حرکت داشته باشیم. هرچند جدا زندگی روی کره ماه ، حضور در آنجا نیز به اندازه کافی هیجان‌انگیز است.

بیشتر بخوانید :

• هیجان‌انگیزترین ماموریت های فضایی سال ۲۰۱۸ ؛ ماه و مریخ در صدر اهداف
• افسانه هایی در مورد ماه ؛ از پیام آور باران تا نشانه حمله جگوار!

.

منبع : Wired