تحقق آرزوی پیاده‌روی روی ماه با شبیه‌سازی آن روی زمین

برای بررسی چگونگی راه رفتن روی ماه باید به بررسی روش‌هایی پرداخت که آزمایش این کار را روی زمین امکانپذیر می‌کنند. در این گذار، به بررسی برخی از این روش‌ها پرداخته‌ایم.

کد خبر: ۴۸۴۹۲۸

تاریخ: ۰۹ مرداد ۱۴۰۱ - ۱۳:۳۳

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از وایرد، اگر بخواهیم بدانیم که راه رفتن روی ماه چگونه است، باید ببینیم که آیا راهی برای شبیه‌سازی پیاده‌روی روی ماه هنگام اقامت در زمین وجود دارد یا خیر. پاسخ این پرسش، مثبت است زیرا در واقع، چندین راه وجود دارد.

اما پیش از این که به آنها بپردازیم، باید ببینیم که چرا راه رفتن روی ماه با قدم زدن روی زمین متفاوت است. همه چیز به جاذبه بستگی دارد.

در همه چیزهایی که دارای جرم هستند، نیروی گرانشی وجود دارد. از آنجا که شما و زمین هر دو جرم دارید، یک تعامل گرانشی، شما را به سمت مرکز زمین می‌کشد. انسانها و اجسام دارای جرم‌های متفاوتی هستند. این بدان معناست که آنها نیروهای گرانشی متفاوتی دارند.

ما می‌دانیم که راه رفتن روی زمین چگونه است اما اگر بخواهیم به سوی ماه حرکت کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ ماه هم کوچک‌تر از زمین است و هم جرم کمتری دارد. این بدان معناست که میدان گرانشی روی سطح ماه با زمین متفاوت است. جرم کمتر به خودی خود، میدان گرانشی را کاهش می‌دهد اما شعاع کوچک‌تر، قدرت میدان گرانشی را افزایش می‌دهد.

حال باید دید که چگونه می‌توانیم این میدان گرانشی را روی زمین شبیه‌سازی کنیم.

روش اهرم

نخستین مورد این است که شما باید کاری در مورد میدان گرانشی رو به پایین انجام دهید. به ازای هر یک کیلوگرم جرم، زمین با نیروی ۹.۸ نیوتن پایین می‌آید. این در حالی است که روی ماه فقط با نیروی ۱.۶۳ نیوتن پایین می‌آید. این موضوع بدان معناست که شما باید به یک شخص با نیروی ۸.۱۷ نیوتن بر کیلوگرم فشار وارد کنید تا احساس کند که در حال راه رفتن روی ماه است.

یکی از راه‌های تامین این نیرو، استفاده از یک اهرم دارای تعادل است. به عنوان مثال، "باستین داوس"(Bastien Dausse)، پژوهشگر فرانسوی، از دستگاهی برای تقلید حرکت یک شخص روی سطح ماه استفاده می‌کند. این همان ایده اصلی ورای ساخت الاکلنگ در زمین بازی است.

اهرم، یکی از ماشین‌های ساده کلاسیک است. اگر با نیرویی از یک طرف فشار وارد کنید، مقدار دیگری نیرو را از طرف دیگر دریافت می‌کنید. مقدار نیروی خروجی، به نیروی ورودی و همچنین، فاصله نسبی دو نیرو از نقطه محوری بستگی دارد. بنابراین، شما فقط باید سمت راست اهرم را با استفاده از نوعی وزن به سمت پایین فشار دهید و اهرم همراه با انسان به سمت چپ فشار می‌آورد.

برای این کار، به چه مقدار جرم نیاز دارید؟ این تابعی از وزن انسان، طول دو قسمت اهرم و شتاب عمودی موثر است. شتاب عمودی موثر مانند شتاب سقوط آزاد انسان در ماه خواهد بود.

اگر از وزن انسان ۷۵ کیلوگرمی و بازوهای اهرمی ۲.۰ و ۰.۵ متری استفاده کنیم، جرم نهایی باید ۲۵۰ کیلوگرم باشد اما آیا این واقعا همان راه رفتن روی ماه است؟ نتیجه از نظر ذهنی یکسان نیست. این دستگاه فقط از شخص در نقطه‌ای از اتصال پشتیبانی می‌کند. این بدان معناست که او فقط می‌تواند در یک دایره راه برود و نمی‌تواند به هر کجا که می‌خواهد برود.

آیا شتاب عمودی مانند ماه است؟ این دستگاه، نیروی خالص ثابتی را ایجاد نمی‌کند. در عوض، نیرو با افزایش زاویه کاهش می‌یابد. این کار، یک مشکل کوچک ایجاد می‌کند زیرا واضح است که این چیزی نیست که در ماه اتفاق می‌افتد.

باید دید که آیا این دستگاه، یک اهرم شتابی شبیه به شتاب ماه را ارائه می‌دهد یا خیر. می‌توانیم بگوییم که این کار درست مانند راه رفتن روی ماه است اما به شرطی که به صورت دایره‌ای راه بروید.

روش آونگ

راه دیگری نیز برای شبیه‌سازی میدان گرانشی کاهش‌ یافته وجود دارد. این روشی است که ناسا در دهه ۱۹۶۰ از آن استفاده کرد تا ببیند فضانوردان چگونه می‌توانند روی ماه حرکت کنند.

در این روش، شخص به پهلو دراز می‌کشد و با تسمه‌هایی در اطراف کمر و قفسه سینه خود که به کابل‌های بسیار طولانی متصل هستند، پشتیبانی می‌شود. پاهای شخص به جای لمس کردن زمین، در واقع دیواری را لمس می‌کنند که کمی کج شده است. بنابراین، دقیقا عمود بر زمین نیستند. این کار، یک زمین جعلی را برای تمرین راه رفتن، دویدن و پریدن بدون احساس کردن تمام نیروی گرانش زمین فراهم می‌کند.

اما این روش چگونه کار می‌کند؟ فرض کنید شخصی در یکی از این شبیه‌سازها قرار دارد. به نظر می‌رسد که در اینجا نیروهایی وجود دارند که بلافاصله پس از پریدن از روی زمین جعلی، به شخص وارد می‌شوند.

وقتی شخص می‌پرد، تنها دو نیرو وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. نخست، نیروی گرانشی رو به پایین که به دلیل تعامل با زمین وجود دارد. دوم، نیروی زاویه‌دار ناشی از کشش که در کابل‌های پشتیبانی وجود دارد.

اگر بخواهید دویدن روی ماه را تمرین کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ در این صورت، فضانوردی که در حال آموزش دیدن است باید روی زمین کج‌شده، به سمت جلو حرکت کند اما نقطه‌ای که کابل پشتیبان به آن متصل است نیز باید حرکت کند. این کار کمی مشکل است اما می‌تواند کاربرد داشته باشد. بزرگترین مشکل این روش شبیه‌سازی، این است که اگرچه انسان می‌تواند به سمت بالا و پایین یا عقب و جلو حرکت کند اما حرکت کردن به سمت چپ یا راست غیرممکن است زیرا طول کابل باید تغییر کند.

روش ربات

یک روش دیگر نیز برای شبیه‌سازی گرانش وجود دارد که در واقع کاملا شبیه به روش آونگ است. ناسا این سیستم را "سیستم تخلیه گرانشی پاسخ فعال"(ARGOS) می‌نامد.

همچنین این روش، از یک کابل برای بالا کشیدن فضانورد استفاده می‌کند اما شخص در این حالت، روی زمین صاف می‌ایستد و کابل، او را مستقیما به سمت بالا می‌کشد. کشش کابل طوری تنظیم می‌شود که نیروی خالص رو به پایین، با نیروی گرانشی رو به پایین روی ماه یکسان باشد.

اما چه اتفاقی می‌افتد که یک شخص می‌تواند حرکت کند؟ نقطه پشتیبانی کابل، مقداری از انسان بالاتر است و حرکت می‌کند تا با حرکت فرد مطابقت داشته باشد. اینجاست که ربات وارد می‌شود. این سیستم می‌تواند نه تنها موقعیت شخص، بلکه سرعت افقی او را نیز اندازه‌گیری کند و این حرکت را با نقطه تعلیق کابل‌های بالا مطابقت ‌دهد. این کار به انسان امکان می‌دهد تا درست مانند حرکت کردن روی ماه، در هر سه بعد حرکت کند و بالا رفتن از اجسامی مانند رمپ و جعبه را تمرین کند.

این بهترین راه برای شبیه‌سازی حرکت کردن روی ماه یا هر موقعیت دارای گرانش کاهش‌یافته دیگری است اما به اندازه روش آونگ خلاقانه نیست. به نظر می‌رسد که یک سیستم دارای کابل‌های بلند، چیزی است که می‌توانید در حیاط خلوت خانه خود بسازید.

روش زیر آب

این پرسش ایجاد می‌شود که آیا نمی‌توان یک نفر را زیر آب گذاشت تا شرایط ماه شبیه‌سازی شود؟ بله، این یکی از گزینه‌ها است اما محدودیت‌هایی نیز دارد. ایده اصلی این است که نیروی هل‌دهنده به سمت بالا برای کاهش نیروی خالص به سمت پایین وجود داشته باشد. این نیرو به جای کشیدن کابل به سمت بالا، نیروی شناوری است که از جابه‌جایی آب حاصل می‌شود. بزرگی این نیروی شناور، با وزن آب جابه‌جا شده برابر است. بنابراین، اگر یک نفر حجم معینی از آب را بگیرد که وزن آن با وزن شخص برابر باشد، نیروی خالص وارده بر او صفر می‌شود و شخص شناور می‌شود.

می‌توان این شبیه‌سازی را به گونه‌ای تغییر داد که شخص بتواند در بستر دریا طوری راه برود که انگار روی ماه است. بیشتر انسان‌ها وزنی دارند که کمی کمتر از وزن آبی است که جابه‌جا می‌کنند. این بدان معناست که به احتمال زیاد به سمت سطح شناور هستند اما ما نمی‌خواهیم که آنها این کار را انجام دهند؛ بلکه می‌خواهیم آنها به صورت عمودی روی زمین بایستند. برای این کار باید وزن بیشتری را به شخص اضافه کنیم.

در هر حال، مشکلاتی نیز در این تنظیمات وجود دارد. نخستین مشکل این است که انسان نفس می‌کشد. یقینا، برای اطمینان از زنده ماندن داوطلبان در زیر آب، می‌توان یک مخزن غواصی را اضافه کرد تا آنها بتوانند هوا را دریافت کنند اما تنفس در واقع، مشکل خود آنها است. هنگامی که فردی نفس می‌کشد، اندازه ریه‌های او افزایش می‌یابد و این به افزایش حجم آب جابه‌جا شده می‌انجامد. یک راه حل برای رفع این مشکل این است که انسان را در لباس فضایی بپوشانیم. در این صورت، راه رفتن طی آزمایش بیشتر شبیه راه رفتن روی ماه خواهد بود و حجم تنفس انسان را نیز نسبتا ثابت نگه می‌دارد.

اما مشکل دیگری هم وجود دارد و آن به "مرکز شناوری"(center of buoyancy) مربوط می‌شود. ممکن است چیزی در مورد "مرکز ثقل"(center of mass) شنیده باشید. این به همان موضوع شباهت دارد اما متفاوت است. مرکز ثقل، یک مکان واحد در یک جسم است که می‌توان فرض کرد که گرانش روی آن اثر می‌کند. اگرچه نیروی گرانش در واقع همه قسمت‌های بدن را می‌کشد اما اگر از این مکان استفاده کنیم، محاسبات شتاب و حرکت به خوبی انجام می‌شوند.

مکان مرکز ثقل برای انسان، به نحوه توزیع جرم بستگی دارد. پاها بزرگتر از بازوها هستند و سر در قسمت بالای بدن قرار دارد. وقتی همه این موارد را در نظر بگیریم، مرکز ثقل معمولا درست بالای کمر است؛ اگرچه می‌تواند در افراد گوناگون متفاوت باشد.

مرکز شناوری نیز یک مکان منفرد در بدن است که می‌توان نیروی شناوری را در آن قرار داد و همان نتیجه‌ای را به دست آورد که نیروی شناوری واقعی به همراه دارد اما مرکز شناوری فقط به شکل یک جسم بستگی دارد، نه توزیع جرم واقعی. هنگام محاسبه این نیرو بر یک شخص، مهم نیست که ریه‌های او فضا را اشغال می‌کنند زیرا جرم بسیار کمی دارند. این بدان معناست که مرکز ثقل و مرکز شناوری یک شخص می‌توانند در مکان‌های مختلف باشند و اغلب هم هستند.

حتی اگر بزرگی نیروی گرانشی و نیروی شناوری برابر باشد، داشتن مکان متفاوت برای مرکز ثقل و مرکز شناوری به این معناست که جسم یا انسان در حالت تعادل نخواهد بود. برای امتحان کردن این موضوع می‌توان یک آزمایش فوری را انجام داد. یک مداد بردارید و آن را روی میز قرار دهید تا از شما دور باشد. حالا انگشتان راست و چپ خود را جایی نزدیک وسط مداد قرار دهید و به سمت هم فشار دهید. اگر با هر دو انگشت و با نیروی مساوی فشار دهید، مداد فقط همانجا می‌ماند. حالا با دست راست به سمت نوک مداد و با دست چپ به سمت پاک‌کن آن فشار وارد کنید. حتی اگر نیروها یکسان باشند، مداد می‌چرخد.

این دقیقا همان چیزی است که با نیروی گرانشی و شناوری در مورد یک شخص زیر آب اتفاق می‌افتد. اگر نیروهای گرانشی و شناوری با اندازه مساوی و مخالف فشار بیاورند و اگر مرکز ثقل و مرکز شناوری در مکان‌های مختلفی باشند، شخص می‌تواند بچرخد.

راه رفتن زیر آب مشکل دیگری هم دارد. این مشکل، خود آب است. در اینجا یک آزمایش دیگر پیشنهاد می‌شود. دست خود را طوری به جلو و عقب تکان دهید که گویی هوا را حرکت می‌دهید. حالا این کار را زیر آب تکرار کنید. متوجه خواهید شد که حرکت دادن دست در آب، بسیار سخت‌تر است. دلیل این است که چگالی آب حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم در متر مکعب است اما چگالی هوا فقط به ۱.۲ کیلوگرم بر متر مکعب می‌رسد. هر زمان که حرکت می‌کنید، آب نیروی کشش قابل توجهی را ایجاد می‌کند. این موضوع چیزی نیست که روی ماه اتفاق بیفتد زیرا در آنجا هوا وجود ندارد. بنابراین، این یک شبیه‌سازی کامل نیست.

در هر حال، روش زیر آب یک مزیت دارد. می‌توان کف استخر را طوری ساخت که دقیقا شبیه به سطوح روی ماه باشد که می‌خواهیم به کاوش در آنها بپردازیم.

روش اینشتین

"آلبرت اینشتین"(Albert Einstein)، کاری بسیار بیشتر از ارائه معادله معروف E = mc2 انجام داد که رابطه بین جرم و انرژی را نشان می‌دهد. او کار مهمی در مورد نظریه نسبیت عام انجام داد و تعامل گرانشی را در نتیجه خمیدگی فضا زمان توصیف کرد.

این موضوعی پیچیده است اما از آن نظریه، "اصل هم‌ارزی"(Equivalence principle) را نیز به دست می‌آوریم. این اصل می‌گوید که شما نمی‌توانید تفاوت بین یک میدان گرانشی و یک چارچوب مرجع شتاب‌دهنده را تشخیص دهید.

برای درک بهتر این موضوع می‌توان مثالی را در نظر گرفت. فرض کنید که سوار آسانسور می‌شوید. وقتی در بسته می‌شود و دکمه طبقه بالاتر را فشار می‌دهید، چه اتفاقی می‌افتد؟ البته آسانسور در حالت استراحت است و برای شتاب گرفتن به سمت بالا باید مقداری سرعت در جهت بالا داشته باشد اما وقتی آسانسور به سمت بالا شتاب می‌گیرد، چه حسی دارد؟ معمولا احساس می‌کنیم که گویی سنگین‌تر شده‌ایم.

برعکس این موضوع زمانی اتفاق می‌افتد که آسانسور سرعت خود را کاهش دهد یا در جهت پایین شتاب بگیرد. در این صورت، احساس سبکی می‌کنیم.

اینشتین گفت که می‌توان با آن شتاب، به عنوان یک میدان گرانشی در جهت مخالف رفتار کرد. در واقع، او گفت که هیچ تفاوتی بین یک آسانسور شتاب‌دهنده و گرانش واقعی وجود ندارد. این اصل هم‌ارزی است.

در هر حال، این روش هم با مشکلاتی همراه است. شاید انداختن یک ماشین از ارتفاع یک ساختمان بلند، تنها چند ثانیه از گرانش ماه را شبیه‌سازی کند اما این خیلی سرگرم‌کننده نیست. آنچه نیاز داریم، روشی برای شبیه‌سازی شتاب به سمت پایین با اندازه ۸.۱۷ متر بر ثانیه برای مدت زمان طولانی‌تر است.

راه‌حل این مشکل، یک هواپیما است. این یک راه‌حل واقعی است که به آن "هواپیما با جاذبه کاهش‌یافته"(Reduced-gravity aircraft) گفته می‌شود. این راه‌حل حداقل به اندازه کافی طولانی است که بتوان آن را برای تمرین پیاده‌روی روی ماه انجام داد.

به طور خلاصه می‌توان گفت که شما می‌توانید گرانش ماه را در زمین شبیه‌سازی کنید اما باید دید که کدام روش بهترین است. در این مرحله می‌توان گفت که روش "ARGOS" ناسا تقریبا هر آنچه را که مورد نیاز است، فراهم می‌کند. هیچ محدودیت زمانی در مورد آن وجود ندارد و تا زمانی که زیر ربات بمانید، می‌توانید در تمام جهات اطراف یک سطح حرکت کنید.

البته این کاری نیست که بتوان در خانه انجام داد. اگر می‌خواهید این کار را در خانه امتحان کنید، شاید بهترین گزینه شما این باشد که به پارک بروید و روی الاکلنگ بازی کنید. این روش هم ارزان و هم نسبتا ایمن است.