Cara Berlari di Bulan

Di masa depan, saya yakin akan ada kota di bulan. Kita tahu cara menuju ke sana, jaraknya sangat dekat, dan bisa jadi sangat bagus untuk eksplorasi ruang angkasa lebih lanjut. Namun, ada masalah dengan tinggal di bulan untuk jangka waktu yang lama: medan gravitasi yang lemah, yang hanya seperenam dari medan gravitasi di Bumi.

Gravitasi rendah tidak baik untuk Anda. Gravitasi rendah menyebabkan tulang dan otot Anda mengecil dan melemahkan jantung Anda, karena pada dasarnya, semuanya terlalu mudah. ​​Anda perlu berolahraga untuk mengimbangi efek ini, tetapi itu tidak sesederhana itu. Anda tidak bisa keluar dan berlari-lari di sekitar Laut Ketenangan—Anda hanya akan mulai memantul dan mengambang.

Tapi keren makalah penelitian baru menyarankan bahwa penduduk bulan dapat mensimulasikan efek gravitasi dengan berlari berputar-putar di dinding vertikal silinder—Anda tahu, ke samping, seperti yang klasik Pameran sepeda motor Wall of Death dalam karnaval. (← Serius, jangan lewatkan video itu!)

Apakah ini akan berhasil? Bisakah manusia benar-benar memanjat tembok dan merasakan seperti sedang berjalan di jalanan di rumah? Ada beberapa fisika hebat yang berperan di sini, jadi mari kita mulai!

Beratnya Situasi

Sebuah gravitasi bidang didefinisikan sebagai gravitasi memaksa per satuan massa. Di Bumi, medan gravitasi (G) adalah 9,8 newton per kilogram. Jadi, benda bermassa 10 kg di Bumi akan mengalami gaya gravitasi sebesar 98 newton—yang kita maksud ketika kita berbicara tentang “beratnya.”

Ya, jika berbicara secara tepat, berat adalah gaya, dan diukur dalam newton, bukan kilogram atau pon. (Baik untuk diketahui, tetapi jangan mencoba mengoreksi orang di konter daging.) Jadi Anda akan memiliki berat yang berbeda di planet lain, meskipun massa Anda sama.

Kita dapat menghitung kekuatan medan gravitasi di permukaan planet (atau bulan) mana pun sebagai:

Di Sini, G adalah konstanta gravitasi universalBahasa Indonesia: M adalah massa planet, dan R adalah radiusnya. Perhatikan bahwa radius yang lebih kecil meningkatkan medan gravitasi; jika massanya sama, gravitasi akan lebih kuat di planet yang lebih kecil! Radius bulan sekitar seperempat dari Bumi, tetapi memiliki banyak massanya lebih rendah (hanya 1 persen dari Bumi), sehingga medan gravitasinya jauh lebih lemah.

Berat Tampak

Kita tidak dapat benar-benar membuat gravitasi buatan, tetapi menurut prinsip kesetaraan Einstein, dari teori relativitas umum, kita dapat membuat sesuatu yang tidak dapat dibedakan dari gravitasi. Izinkan saya menjelaskannya dengan situasi yang sudah dikenal.

Bayangkan Anda melangkah ke dalam lift dan menekan tombol untuk lantai 10. Lift tidak dapat mencapai lantai tersebut tanpa bergerak, dan karena dalam keadaan diam, lift harus menambah kecepatannya. Percepatan adalah laju perubahan kecepatanUcapkan tiga kali dan ingatlah.

Oke, jadi Anda berada di dalam lift yang bergerak ke atas dengan kecepatan tinggi. Bagaimana perasaan Anda? Anda merasakan sensasi aneh karena menjadi lebih berat, bukan? Anda merasakan tekanan di kaki Anda, hanya dalam waktu singkat saat lift bergerak dengan kecepatan tinggi. Setelah mencapai kecepatan konstan, perasaan itu hilang.

Apakah Anda benar-benar lebih berat? Jelas tidak, karena gaya gravitasi bersifat konstan. Namun sesuatu pasti sudah berubah. Berikut diagram gaya yang menunjukkan manusia di dalam lift yang bergerak ke atas:

Hanya ada dua gaya yang bekerja pada Anda di sini: (1) gaya gravitasi yang menarik ke bawah (m·g) dan (2) gaya dorong ke atas dari lantai, yang anehnya kita sebut gaya normal (N). (“Normal” berarti tegak lurus dalam geometri, dan di sini berarti tegak lurus terhadap lantai.) bersih gaya adalah jumlah dari kedua hal tersebut.

Ketika lift berhenti, kedua gaya tersebut sama dan berlawanan, dan gaya totalnya nol. Namun jika Anda berakselerasi ke atas, gaya totalnya juga harus ke atas. Ini berarti gaya normal melebihi gaya gravitasi (ditunjukkan oleh panjang kedua anak panah di atas). Jadi Anda merasa lebih berat ketika gaya normal meningkat. Kita dapat menyebut gaya normal sebagai “berat semu”.

Mengerti? Anda berada di dalam kotak ini dan sepertinya tidak ada yang berubah, tetapi Anda merasa diri Anda ditarik ke bawah oleh gravitasi yang lebih kuat. Itu karena kerangka acuanmobil lift yang tampak tidak bergerak, sebenarnya sedang melaju ke atas. Pada dasarnya, kita beralih dari bagaimana Anda melihatnya di dalam sistem untuk bagaimana seseorang di luar sistem melihatnya.

Bisakah Anda membangun lift di bulan dan membuatnya berakselerasi cukup cepat untuk mendapatkan kembali berat bumi Anda? Secara teori, ya. Inilah yang dinyatakan oleh prinsip kesetaraan Einstein: Tidak ada perbedaan antara medan gravitasi dan kerangka acuan yang berakselerasi.

Solusi Berputar-putar

Namun, Anda melihat masalahnya: Untuk terus melaju ke atas bahkan selama beberapa menit, poros lift harus sangat tinggi, dan Anda akan segera mencapai kecepatan yang sama konyolnya. Namun, tunggu dulu! Ada cara lain untuk menghasilkan percepatan: bergerak dalam lingkaran.

Berikut teka-teki fisika untuk Anda: Apa saja tiga kontrol pada mobil yang membuatnya berakselerasi? Jawaban: pedal gas (untuk menambah kecepatan), rem (untuk memperlambat), dan roda kemudi (untuk mengubah arah). Ya, semuanya adalah akselerasi!

Ingat, percepatan adalah laju perubahan kecepatan, dan inilah hal pentingnya: Kecepatan dalam fisika adalah sebuah vektor. Mobil memiliki besaran, yang kita sebut kecepatan, tetapi mobil juga memiliki arah tertentu. Putar mobil dan Anda akan berakselerasi, meskipun kecepatan Anda tidak berubah.

Jadi bagaimana jika Anda hanya berkendara dalam sebuah lingkaran? Maka Anda akan terus-menerus berakselerasi tanpa pergi ke mana pun. Ini disebut percepatan sentripetal (A_C), yang berarti menunjuk ke tengah: Suatu benda yang bergerak melingkar mengalami percepatan menuju pusat lingkaran, dan besarnya percepatan ini bergantung pada kecepatan (kita) dan jari-jari (R):

Karena ini adalah percepatan, mengemudi dalam lingkaran terasa seperti gaya gravitasi menyamping. Namun, Anda sudah tahu bahwa: Jika Anda sedang duduk di kursi penumpang depan mobil dan mobil itu berbelok tajam ke kiri, Anda sepertinya merasakan gaya yang menarik Anda ke luar, ke pintu. Orang-orang menyebutnya “gaya sentrifugal”—yang sayangnya bukan hal yang nyata. Itu sebenarnya gaya normal horizontal dari pintu yang mendorong Anda batintetapi rasanya seperti gaya g menarik Anda ke arah yang berlawanan, seperti di dalam lift.

Bisakah kita menggunakan gerakan melingkar untuk menciptakan gravitasi buatan di luar angkasa? Ya. Ya, kita bisa. Anda bisa memiliki pesawat ruang angkasa berbentuk silinder dan membuatnya berputar saat melaju, sehingga penumpang menempel di dinding bagian dalam. Faktanya, mereka lakukan ini di acara fiksi ilmiah Hamparandengan kapal raksasa yang disebut Navoo.

Tembok Kematian di Bulan

Kembali ke tembok kematian! Peralatan untuk aksi ini adalah silinder tegak dengan radius sekitar 5 meter. Di dalamnya, sepeda motor atau bahkan mobil kecil dapat melaju di dinding vertikal jika melaju cukup cepat, dan penonton menonton dari atas. Keren sekali.

Ngomong-ngomong, jika Anda bertanya-tanya mengapa mereka tidak membuat cincin lebih besar, lihat persamaan itu untuk A_C lagi. Jari-jari yang lebih besar pada penyebut akan mengurangi percepatan sentripetal!

Di Bumi, sebuah kendaraan harus melaju sekitar 15 meter per detik (34 mph) agar dapat tetap berada di dinding ini. Namun, dengan medan gravitasi yang lebih lemah di bulan, ada kemungkinan manusia dapat berlari cukup cepat untuk mencapainya. Berikut ini adalah tampilan penampang melintang dari apa yang akan terlihat:

Karena Anda bergerak pada bidang horizontal, gaya total pada arah vertikal harus nol. Itu berarti gaya gravitasi (m·g₂ di atas) harus diimbangi oleh gaya dorong ke atas lainnya. Gaya tersebut adalah gaya gesek (F_F) antara sepatu dan dinding.

Gaya lain dalam kasus ini adalah gaya normal yang mendorong ke dalam dari dinding, yang menyebabkan pelari melaju ke arah tengah dan dengan demikian menciptakan “gravitasi” ke samping. Gaya-gaya ini saling bergantung: Gaya gesekan sebanding dengan gaya normal—semakin banyak “berat” berarti semakin banyak gesekan. Itu masuk akal: Bayangkan betapa sulitnya mendorong mobil di Bumi.

Jadi kita punya situasi yang menyenangkan di sini: Semakin cepat Anda berlari, semakin besar percepatan masuk Anda, yang berarti gaya normal lebih besar, yang berarti lebih banyak gesekan untuk menjaga Anda tetap di dinding.

Jadi seberapa cepat Anda harus bergerak untuk tetap berada di sana? Apakah itu mungkin? Jika kita menggunakan konstanta gesekan M_S = 0,8 (untuk sepatu karet di dinding kasar), kita dapat menghitung kecepatan minimum:

Medan gravitasi bulan (G₂) sebesar 1,625 newton per kilogram memberi kita kecepatan minimum 3,2 meter per detik. Itu sekitar 7 mil per jam—sedikit lebih cepat daripada joging. Anda bisa menggunakan kecepatan yang lebih rendah dengan memperkecil ukuran cincin atau meningkatkan koefisien gesekan (meskipun 0,8 sudah cukup tinggi).

Satu Masalah Kecil

Nah, untuk penyederhanaan, saya menganggap pelari sebagai satu titik di ruang angkasa, sehingga semua gaya bekerja pada titik yang sama. Sayangnya, jika manusia berbentuk seperti manusia, ini tidak berlaku, karena gaya bekerja pada titik yang berbeda pada tubuh. Gaya normal dan gaya gesek bekerja pada titik kontak kaki, tetapi gaya gravitasi bekerja di pusat massa, dekat pinggang.

Gaya vertikal ini tetap berjumlah nol, tetapi karena gaya tersebut mengenai titik yang berbeda, gaya tersebut akan memberikan torsi. Jika Anda dalam posisi horizontal, hal ini akan menyebabkan Anda berputar dan jatuh terlentang. (Anda akan jatuh agak lambat, tetapi tetap saja …) Agar tetap berada di dinding, Anda sebenarnya perlu mencondongkan tubuh ke atas, seperti ini:

Untuk menganalisis kasus ini, sebenarnya lebih mudah jika kita menggunakan “gaya sentrifugal” imajiner yang kita abaikan sebelumnya. Fisikawan menyebutnya sebagai “gaya palsu”, tetapi terkadang gaya palsu dapat membantu kita memahami situasi nyata. Untuk melakukan ini, kita hanya perlu mengubah kerangka acuan dari silinder yang diam (seperti yang dilihat oleh penonton) ke pelari yang bergerak itu sendiri—kerangka acuan yang mengalami percepatan sekali lagi.

Agar stabil, torsi dari gaya gravitasi dan gaya sentrifugal yang digabungkan harus nol. Kita dapat menggunakan ini untuk mencari sudut benda (Saya):

Dengan kecepatan lari 3,2 meter per detik, Anda harus mencondongkan tubuh ke atas pada sudut 51,3 derajat (dari vertikal). Mungkin tidak apa-apa, tetapi Anda akan terlihat konyol jika mencoba berlari seperti ini. Maksud saya, olahraga itu penting, tetapi Anda tetap ingin terlihat keren.

Dinding Lari yang Lebih Baik

Berikut ide yang berbeda. Bagaimana jika kita membuat dinding yang tidak memerlukan gaya gesek dan gaya lari miring yang gila? Bayangkan mengganti Dinding Kematian dengan Dinding Cedera. Alih-alih dinding vertikal, dinding tersebut akan miring ke luar. Sekarang pelari akan berputar di tikungan miring, seperti lintasan Nascar kecil.

Jika dinding miring ke bawah sebesar 51,3 derajat (sama dengan sudut kemiringan di atas), maka Anda dapat berlari mengelilingi lingkaran tanpa gaya gesek. Lebih baik lagi, Anda akan berorientasi tegak lurus terhadap permukaan lari, sehingga akan terlihat normal—dalam kedua arti kata tersebut.

Ada trade-off, yaitu kita harus merancang lintasan untuk kecepatan tertentu. Jika kita melaju dengan kecepatan 3 meter per detik, lintasan dengan radius 5 meter akan miring pada sudut 48 derajat. (Saya mengukur dari horizontal sekarang.) Ini akan menghasilkan berat nyata (gaya normal) bagi pelari sebesar 2,4 kali berat mereka di Bumi (2,4 g). Jadi jika berat Anda 150 pon di Bumi, berat Anda sekarang akan menjadi 360 pon. Oke, itu berlebihan.

Jika kita menggunakan jalur yang lebih besar, kita bisa mengurangi berat yang tampak tersebut Dengan radius 20 meter, lintasan akan miring sekitar 15 derajat, jadi lintasan yang lebih besar tidak akan terlalu curam. Itu memberi kita berat semu 1,68 g. Itu tidak terlalu buruk. Detak jantung Anda pasti akan meningkat.

Diperlukan struktur yang jauh lebih besar. Namun, lintasan miring ini mungkin juga lebih mudah dibangun daripada Tembok Kematian vertikal. Karena bentuknya seperti mangkuk sereal besar, mungkin kita bisa menggalinya dari permukaan bulan dan menutupinya dengan material permukaan yang kuat.

Saya tahu, ini tidak seperti berlari di taman di rumah, tetapi ayolah, berlari di dinding cukup mengagumkan. Jika manusia ingin tinggal di bulan, ini bisa menjadi cara sederhana untuk mensimulasikan gravitasi dan menjaga mereka tetap sehat. Terkadang Anda benar-benar dapat membuat kemajuan dengan berlari berputar-putar.