宇航員在月亮上為什麼跳着走?_風聞
luse-3小时前
看了所有的回答,都太籠統了,而且忽略了一個重要原因:宇航服太硬。
如果僅僅是因為重力加速度為地球表面重力加速度的六分之一,那麼只要調整好腿部肌肉的力度,慢慢移動,並不需要像當年視頻中那樣一跳一跳的。
之所以要跳着走,一個很重要的原因,是艙外 EVA 宇航服下肢關節的僵硬程度。

如果你穿過鎧甲,或者那種發傳單的充氣人偶服裝,你就會體會到這一點。
隔熱和防輻射層的多層材料,會讓宇航服的四肢變得很硬,有點像以前冬天老人家給小娃娃紮成粽子的既視感。為了解決這一困難,會把關節處設計成像龍蝦殼等可彎曲結構。但是,真空環境宇航服內外的氣壓差,還是會讓袖管和褲管膨脹起來,並像打了氣的輪胎似的硬挺,阻止彎曲。(還記得我之前講過的,太空行走第一人阿列克謝·列昂諾夫因航天服膨脹差點回不去艙的故事麼?可以試着找一副乳膠手套,吹足氣並紮起來,再嘗試去彎曲手指)如果彎曲肘部和膝關節,會不可避免地要進一步壓縮宇航服內的空氣,這就好比用打氣筒往已經打足氣的自行車輪胎中繼續打氣,困難可想而知。
跳着走會大幅減少膝關節彎曲,也就不用花費太多力氣去壓縮空氣,更輕鬆一些。

阿姆斯特朗備用 EVA 服的右膝
鐘擺與每單位前行距離的能量消耗
在生物學中,有一個和連續體力學中的“福祿數”類似的量,大致等於

,v 是速度,g 就不説了,l 是腿長。當這個值大於 1 時(甚至大於 0.5)[1],就意味着會導致雙腳同時離開地面,人會切換到雙腳離地的狀態(比如跑步)。
通過計算可知,在地球上,當人類移動速度不超過每秒 2 米的時候,步行是首選的策略[2],因為這是身體重心的垂直位移最小的方式,可以最大限度地減少無謂的能量消耗[3][4]。超過每秒 2 米的話,成年人類常會切換到“跑步”的姿勢。與跑步相比,同樣雙腿離地的兔子跳,重心抬得更高,在地心引力的作用下會消耗更多的能量(150%+)[5],只有身體沒被氧化的精力無限的小朋友才會選擇。(如果你觀察地仔細,你可以從是否跳着走路來分辨一條狗的年齡)
具體地説,當我們平時在走路的時候,不會刻意地去想怎麼把後面的腿收回、再像鐘擺一樣“甩”到前方去[6],這一切都依靠重力和肌肉記憶完成了。但在低重力的月表,你會發現這種“鐘擺”變慢了。還記得單擺在小角度擺動時,週期公式麼?對,週期的平方和重力加速度成反比。沒有經過適應性訓練的話,你會發現你得用力才能把後腿擺得像在地球一樣自然,或者就得放慢步行速度,如果忘記了,就會像學步的寶寶一樣摔跤。
説到摔跤,還有一個小知識點。月壤很鬆。第一批登月的奧爾德林就曾反月壤形容為“非常細的石墨粉”,如果走路時不怎麼抬腳,就會在靴子前面堆出“小土堆”來[7],給前進增加阻力,再加上月表本來就凹凸不平,所以每一步都得小心,加上月壤還比較滑(想想石墨),一不小心就會摔跤。

我們換個角度:

阿波羅 12 號的宇航員康拉德就表示:
月球表面就沒有“行走”這回事,不僅速度慢,而且即使正常地邁步都會比慢跑要消耗更多力氣。
為了更好的前進,宇航員發現跳着走的話,就會好一點(也沒好太多就是了)。康拉德的同伴艾倫嘗試了兔子跳,但發現很容易會跳歪。
再具體分析下去的話,可以更細緻地分析在不同的步行速度和重力加速度條件下,最省力的前行姿勢。這一點已經有大量的文獻了,我隨便舉一個吧[8]:

在不同的步行速度和重力加速度條件下預測的步態類型,綠叉代表“跳”
從圖中可以看出,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]。
當然,現在的太空服設計會顯著影響上面這個步態策略的選擇[10]。
綜上,跳着走是低重力下的自然步態選擇,它比步行和跑步更不容易疲勞,效率也更高[11]。