宇航员在月亮上为什么跳着走?(登上月球的宇航员)


看了所有的回答,都太笼统了,而且忽略了一个重要原因:宇航服太硬。

如果仅仅是因为重力加速度为地球表面重力加速度的六分之一,那么只要调整好腿部肌肉的力度,慢慢移动,并不需要像当年视频中那样一跳一跳的。

之所以要跳着走,一个很重要的原因,是舱外 EVA 宇航服下肢关节的僵硬程度。

如果你穿过铠甲,或者那种发传单的充气人偶服装,你就会体会到这一点。

隔热和防辐射层的多层材料,会让宇航服的四肢变得很硬,有点像以前冬天老人家给小娃娃扎成粽子的既视感。为了解决这一困难,会把关节处设计成像龙虾壳等可弯曲结构。但是,真空环境宇航服内外的气压差,还是会让袖管和裤管膨胀起来,并像打了气的轮胎似的硬挺,阻止弯曲。(还记得我之前讲过的,太空行走第一人阿列克谢·列昂诺夫因航天服膨胀差点回不去舱的故事么?可以试着找一副乳胶手套,吹足气并扎起来,再尝试去弯曲手指)如果弯曲肘部和膝关节,会不可避免地要进一步压缩宇航服内的空气,这就好比用打气筒往已经打足气的自行车轮胎中继续打气,困难可想而知。

跳着走会大幅减少膝关节弯曲,也就不用花费太多力气去压缩空气,更轻松一些。

阿姆斯特朗备用 EVA 服的右膝

钟摆与每单位前行距离的能量消耗

在生物学中,有一个和连续体力学中的“福禄数”类似的量,大致等于

,v 是速度,g 就不说了,l 是腿长。当这个值大于 1 时(甚至大于 0.5)[1],就意味着会导致双脚同时离开地面,人会切换到双脚离地的状态(比如跑步)。

通过计算可知,在地球上,当人类移动速度不超过每秒 2 米的时候,步行是首选的策略[2],因为这是身体重心的垂直位移最小的方式,可以最大限度地减少无谓的能量消耗[3][4]。超过每秒 2 米的话,成年人类常会切换到“跑步”的姿势。与跑步相比,同样双腿离地的兔子跳,重心抬得更高,在地心引力的作用下会消耗更多的能量(150%+)[5],只有身体没被氧化的精力无限的小朋友才会选择。(如果你观察地仔细,你可以从是否跳着走路来分辨一条狗的年龄)

具体地说,当我们平时在走路的时候,不会刻意地去想怎么把后面的腿收回、再像钟摆一样“甩”到前方去[6],这一切都依靠重力和肌肉记忆完成了。但在低重力的月表,你会发现这种“钟摆”变慢了。还记得单摆在小角度摆动时,周期公式么?对,周期的平方和重力加速度成反比。没有经过适应性训练的话,你会发现你得用力才能把后腿摆得像在地球一样自然,或者就得放慢步行速度,如果忘记了,就会像学步的宝宝一样摔跤。

说到摔跤,还有一个小知识点。月壤很松。第一批登月的奥尔德林就曾反月壤形容为“非常细的石墨粉”,如果走路时不怎么抬脚,就会在靴子前面堆出“小土堆”来[7],给前进增加阻力,再加上月表本来就凹凸不平,所以每一步都得小心,加上月壤还比较滑(想想石墨),一不小心就会摔跤。

我们换个角度:

阿波罗 12 号的宇航员康拉德就表示:

月球表面就没有“行走”这回事,不仅速度慢,而且即使正常地迈步都会比慢跑要消耗更多力气。

为了更好的前进,宇航员发现跳着走的话,就会好一点(也没好太多就是了)。康拉德的同伴艾伦尝试了兔子跳,但发现很容易会跳歪。

再具体分析下去的话,可以更细致地分析在不同的步行速度和重力加速度条件下,最省力的前行姿势。这一点已经有大量的文献了,我随便举一个吧[8]

在不同的步行速度和重力加速度条件下预测的步态类型,绿叉代表“跳”

从图中可以看出,更小的重力加速度意味着跳着走更省力,而最大的重力加速度意味着“行走”更省力[9]

当然,现在的太空服设计会显著影响上面这个步态策略的选择[10]

综上,跳着走是低重力下的自然步态选择,它比步行和跑步更不容易疲劳,效率也更高[11]

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