Chạy ngang ở mặt trong của tường tròn trong khu định cư trên Mặt Trăng
(royalsocietypublishing.org)- Trong sinh sống dài hạn trên Mặt Trăng, các vấn đề như teo cơ, giảm mật độ xương, suy giảm chức năng tim phổi và điều khiển thần kinh là mối lo lớn, và một phương án thay thế đang được xem xét là chạy ngang trên mặt trong của một bức tường hình trụ tĩnh để tự tạo ra trọng lực nhân tạo
- Thí nghiệm sử dụng cấu trúc Wall of Death cỡ đường kính khoảng 10m và dây bungee treo từ cần cẩu cao 36m để giảm 83% trọng lượng cơ thể, mô phỏng trọng lực Mặt Trăng; 2 người tham gia đã thực hiện chạy trên tường tròn
- Sau 5–8 lần thử, những người tham gia có thể tự xuất phát mà không cần hỗ trợ, và trong 14 lượt chạy được phân tích, họ đều chạy được ít nhất 1 vòng; tốc độ trên tường là 5.38–6.45m/s, trung bình 5.93±0.45m/s
- Mức tốc độ này tương ứng với hệ số an toàn 1.48–1.78 so với nguy cơ rơi, và lực phản lực nền cực đại ước tính khi bàn chân tiếp xúc đạt 1.67–2.42 lần trọng lượng cơ thể trên Trái Đất, được tính là đủ để ngăn tái hấp thu canxi của xương
- Chỉ với 8–9 vòng mỗi ngày, tổng cộng khoảng 40–45 giây chạy ngắn, có thể đồng thời tạo kích thích cho hệ xương, cơ, tim phổi và thần kinh, dù cỡ mẫu còn nhỏ và vẫn cần nghiên cứu chuyên biệt trong điều kiện nằm bất động
Bài toán vận động trong trọng lực thấp trên Mặt Trăng và chạy trên tường tròn
- Trong định cư và lưu trú dài hạn trên Mặt Trăng, việc tiếp xúc với trọng lực thấp có thể gây tác động xấu đến thể lực tim phổi, hệ cơ xương và khả năng kiểm soát thần kinh cho tư thế - vận động
- Khi đi bộ trong trọng lực Mặt Trăng, sự cân bằng giữa động năng và thế năng của tâm khối cơ thể bị xáo trộn, khiến dải tốc độ bị giới hạn thấp và hiệu quả tập luyện cũng giảm
- Các kiểu di chuyển nảy như chạy, skipping và hopping nhanh hơn đi bộ, nhưng trong môi trường trọng lực thấp có thể xuất hiện sự không khớp cơ học của tổ hợp cơ-gân và giảm vận tốc rời đất theo phương thẳng đứng
- Các phương án thay thế hiện có đều có giới hạn riêng
- Tập bền cường độ thấp hoặc HIIT có thể giúp duy trì thể lực tim phổi nhưng ảnh hưởng đến khối lượng cơ và xương là nhỏ
- Tập plyometric kiểu xe trượt cho thấy tiềm năng duy trì chức năng tim phổi và cơ xương, nhưng khác với dáng đi kiểu Trái Đất và có thể thiếu kích thích về thăng bằng và điều khiển vận động
- Mô phỏng trọng lực bằng máy ly tâm có tác động tích cực lên chức năng cơ, nhưng máy ly tâm đủ để đi bộ trên Mặt Trăng gặp khó khăn kỹ thuật và đòi hỏi điện năng lớn
- Phương án được đề xuất là cư dân trên Mặt Trăng chạy ở mặt trong của bức tường tròn thẳng đứng, theo hướng song song với bề mặt Mặt Trăng, để tạo ra trọng lực nhân tạo cao hơn nhờ gia tốc ly tâm
Thiết kế thí nghiệm dựa trên Wall of Death
- Thí nghiệm sử dụng một Wall of Death kiểu công viên giải trí
- Bán kính 4.73m, chu vi 29.7m
- Kết cấu tường bằng gỗ
- Ở đáy có một đoạn dốc tăng tốc rộng 0.8m, nghiêng 30°
- Trên Trái Đất, con người khó có thể chạy ổn định trong cấu trúc này chỉ bằng lực cơ hai chân, nhưng trong trọng lực Mặt Trăng, tốc độ tối thiểu cần thiết giảm xuống nên về lý thuyết là khả thi
- Để mô phỏng trọng lực Mặt Trăng, nhóm nghiên cứu tháo mái và nối nối tiếp hai dây cao su nhảy bungee vào cần cẩu cao 36m
- Trọng lượng người tham gia được giảm 83% để còn 1/6 so với trên Trái Đất, và được kiểm tra bằng cân điện tử trong tư thế nằm nghiêng
- Có 2 người tham gia
- Nam, 36 tuổi, 1.78m, 60kg
- Nữ, 33 tuổi, 1.70m, 62kg
- Do dây đai và dây nối, chuyển động cánh tay phía trên bị hạn chế trong tư thế ngang; cánh tay đó không vung mà nắm dây treo
Tốc độ cần thiết và các điều kiện vật lý
- Trong Wall of Death, lực ly tâm sinh ra khi chuyển động tròn dọc theo tường, cùng với ma sát của tường, ngăn người chạy trượt xuống
- Trên Trái Đất, với bán kính 4.7m và hệ số ma sát tĩnh 0.8, tốc độ tối thiểu theo mô hình điểm khối lượng là 7.59m/s, tức 27.3km/h
- Người chạy thật và xe máy không phải điểm khối lượng; khi tính đến vị trí tâm khối, tốc độ cần thiết cho người chạy trên Trái Đất được tính là khoảng 30.4km/h, nên được xem là quá khó để đạt bằng chạy bộ của con người
- Trên Mặt Trăng, do trọng lực chỉ bằng 1/6 Trái Đất, tốc độ tối thiểu theo lý thuyết trong cùng cấu trúc giảm xuống còn 12.5km/h, tức trên 3.5m/s
- Trong thiết bị mô phỏng trọng lực Mặt Trăng trên Trái Đất, dây bungee vừa kéo cơ thể lên trên vừa tạo ra một thành phần lực nhỏ hướng vào tâm, nên tốc độ cần thiết trong thí nghiệm thực tế được hiệu chỉnh thành 13.1km/h, tức 3.63m/s
- Khi chạy ngang, cơ thể cần nghiêng nhẹ lên phía trên; tư thế này nhằm cân bằng mô-men do phân bố khối lượng toàn thân với mô-men ngược sinh ra bởi lực ly tâm
Kết quả chạy thực tế
- Ngay trong phần đầu của buổi thí nghiệm kéo dài một ngày, những người tham gia đã nhanh chóng làm quen với kiểu chạy ngang lạ lẫm chỉ sau 5–8 lần thử
- Sau đó, mỗi người thực hiện 7 lượt, tổng cộng 14 lượt chạy đủ điều kiện phân tích
- Mỗi lượt, sau khi tăng tốc ban đầu và trước khi giảm tốc, đều bao gồm ít nhất một vòng, tức hơn 29.7m
- Họ tăng tốc bằng đoạn dốc, và khi kết thúc thì giảm tốc rồi hạ an toàn từ tư thế nằm ngang trên tường xuống tư thế đứng thẳng trên sàn
- Không có chấn thương nào xảy ra
- Tốc độ chạy trên tường trung bình là 5.93±0.45m/s, với dải 5.38–6.45m/s
- Mức tốc độ này tương ứng với hệ số an toàn 1.48–1.78 so với điều kiện tối thiểu để tránh rơi, tương tự dải hệ số an toàn khi xe máy chạy Wall of Death trên Trái Đất
- Bước chạy trung bình và các chỉ số dáng chạy như sau
- Độ dài bước: 3.78±0.29m
- Tần số bước: 1.58±0.17Hz
- Thời gian tiếp xúc: 0.176±0.017 giây
- Duty factor: 0.27±0.01
- Khi gộp toàn bộ 194 bước, dải tốc độ mở rộng thành 4.60–7.50m/s
- Giống như chạy bình thường trên Trái Đất, tốc độ cao hơn chủ yếu đạt được nhờ tần số bước cao hơn; độ dài bước tương đối ổn định, còn thời gian tiếp xúc và duty factor giảm khi tốc độ tăng
Cơ học chạy và lực phản lực nền
- Ở các tốc độ quan sát được, góc nghiêng dự đoán trung bình là 12.4°±1.9°, trong khoảng 10.4°–14.9°
- Lực phản lực nền theo phương thẳng đứng trung bình khi chạy ngang trên tường đạt 1.13±0.16 lần trọng lượng cơ thể trên Trái Đất, và giá trị cực đại ước tính là 2.04±0.29 lần
- Dải trung bình: 0.93–1.34 lần
- Dải cực đại: 1.67–2.42 lần
- Trong một buổi thí nghiệm riêng tại phòng thí nghiệm LOOP, cùng những người tham gia này chạy trên máy chạy bộ với hệ treo giảm tải cơ thể ở các điều kiện 1g, 0.8g, 0.5g và 0.17g
- Tốc độ tối đa là 5.28m/s ở 0.17g, 5.75m/s ở 0.5g, 6.25m/s ở 0.8g và 6.94m/s ở 1g
- Lực phản lực nền thẳng đứng trung bình/cực đại tại tốc độ tối đa lần lượt là 0.85/1.54 lần ở 0.17g, 1.44/2.60 lần ở 0.5g, 1.94/3.51 lần ở 0.8g và 2.09/3.79 lần ở 1g
- Chạy trên máy chạy bộ theo phương thẳng đứng với mô phỏng trọng lực Mặt Trăng khác biệt rõ rệt về động học so với chạy ngang trên Wall of Death
- Chạy thẳng đứng trong trọng lực Mặt Trăng có bước dài hơn nhiều và duty factor giảm mạnh
- Các điều kiện 0.5g và 0.8g gần với dữ liệu bước chạy 1g và Wall of Death hơn
- Chỉ số vô thứ nguyên Strouhal cho thấy chạy ngang trên Wall of Death tương đồng về động lực học với chạy bình thường trên Trái Đất
- Giá trị Strouhal của chạy ngang trên Wall of Death trên Mặt Trăng vào khoảng 0.80–1.10
- Trong LOOP, cùng khoảng giá trị này chỉ xuất hiện từ 0.50g trở lên
- Chạy thẳng đứng tốc độ cao ở 0.17g cho giá trị khoảng 0.55–0.65, cho thấy cơ học bất thường
Kích thích lên cơ, xương và hệ thần kinh
- Kiểu chạy Wall of Death được thực hiện ở dải tốc độ 5–7m/s, cao hơn nhiều so với tốc độ tối thiểu để chống trượt, kèm tần số bước cao 2.5–4Hz
- Ở kiểu chạy nhanh này, tổng công cơ học mà đơn vị cơ-gân phải thực hiện có thể lớn hơn so với khi chạy thẳng đứng trên bề mặt Mặt Trăng
- Kích thích lên xương được tính toán bằng cách so sánh với kết quả tập nhảy trong các nghiên cứu nằm bất động trước đây
- Trong nghiên cứu nằm bất động 60 ngày, 48 buổi tập nhảy với tần suất trung bình 0.8 buổi/ngày đã ngăn chặn nhiều dạng suy giảm, bao gồm mất mật độ xương và hàm lượng canxi
- Mỗi buổi có trung bình 78 lần nhảy, lực phản lực nền cực đại trung bình 3.6kN, tương đương 4.8 lần trọng lượng cơ thể toàn thân hoặc 2.4 lần trên mỗi chân
- Nếu giả định lực phản lực nền cực đại khi chạy ở 6m/s trên Wall of Death là 2.2 lần, thì cần 170 bước để đạt cùng tổng lượng lực phản lực nền tích lũy
- Với chu vi 30m và tần số bước 3.2Hz, một vòng mất 5 giây và gồm 16 bước
- 10–11 vòng mỗi 1.25 ngày
- Hoặc 8–9 vòng mỗi ngày
- Tổng thời gian tập là 40–45 giây
- Phương án này được xem xét cùng các điều kiện như tải động va đập cao, số pha tiếp xúc khoảng 40–60 lần mỗi ngày và tránh các buổi tập kéo dài
- Về thần kinh, kiểu dáng chạy tương tự chạy bình thường trên Trái Đất và có sự tham gia của nhiều khớp, nên vừa đòi hỏi tạo lực đẩy vừa duy trì tư thế
- Tập plyometric kiểu xe trượt hoặc xe đạp lực kế tạo ra kích thích khác với dáng đi kiểu Wall of Death do hạn chế thân mình hoặc thiếu bài toán thăng bằng động
Cường độ chuyển hóa tim phổi và khả năng áp dụng trong khu định cư trên Mặt Trăng
- Dù không đo trực tiếp lượng oxy tiêu thụ, nhóm nghiên cứu đã ước tính nhu cầu chuyển hóa tối thiểu của chạy Wall of Death dựa trên chi phí chuyển hóa của chạy trên Trái Đất và các phương trình hồi quy cho chạy trong trọng lực thấp
- Với dải tốc độ 5.5–6.5m/s và trọng lực nhân tạo tương ứng 0.5g–0.73g, lượng oxy tiêu thụ được ước tính là 54–74mlO₂/kg/min
- Các phi hành gia của Artemis Program được kỳ vọng sẽ được huấn luyện để đạt VO₂max khoảng 40mlO₂/kg/min trên Trái Đất
- Vì vậy, cường độ ước tính của chạy Wall of Death có thể phù hợp với mức đủ để tạo ra thích nghi tim phổi trong các bài HIIT
- Tuy nhiên, đây không phải số đo trực tiếp và cần được đánh giá thêm bằng các thí nghiệm thực tế trên Wall of Death
- Trên Mặt Trăng, các sai lệch do mô phỏng trong thí nghiệm trên Trái Đất có thể biến mất
- Thành phần hướng tâm do dây bungee tạo ra khiến cần tốc độ tiếp tuyến cao hơn
- Tay chân vẫn chịu phần trọng lực còn lại của Trái Đất trong lúc vung
- Cần gia tốc thêm khoảng 9kg khối lượng của dây đai, dây nối và thiết bị treo
- Nếu được huấn luyện trước để làm quen với chuyển động ngang, con người có thể chạy chậm hơn trong các Wall of Death nhỏ hơn trên Mặt Trăng
- Xét đến hạn chế trong việc chở hoặc xây dựng thiết bị tập luyện chuyên dụng trên Mặt Trăng, phương án này có thể được triển khai như một cơ sở thụ động dùng chính tường của cấu trúc tròn để ở và không cần cấp điện bổ sung
- Kết luận vẫn còn hạn chế
- Cỡ mẫu chỉ có 2 người
- Đây là thí nghiệm hiện trường đặc biệt nên phép đo động học chưa thật tinh vi
- Trong tương lai vẫn cần các nghiên cứu chuyên biệt trong điều kiện nằm bất động
- Khi việc chạy thẳng đứng trên Mặt Trăng bị hạn chế bởi trọng lực thấp, chạy ngang trên tường tròn có thể cho phép thực hiện ổn định một kiểu vận động vốn bất khả thi trên Trái Đất, đồng thời tạo ra đủ trọng lực nhân tạo chỉ bằng những lượt chạy ngắn mỗi ngày để duy trì tim phổi, năng lực vận động và tình trạng khoáng hóa xương
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Phải bấm vài lần mới tới được video dữ liệu bổ sung: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Có lẽ thường xuyên đổi hướng sẽ tốt hơn
Tôi tò mò không biết đó là do hướng trọng lực, do góc cơ thể trông không hoàn toàn nằm ngang nên góc bàn chân chạm sàn trở nên kỳ lạ, hay do đặc điểm sinh lý của cá nhân
Tôi không thấy nhắc đến bề mặt quay
Một phòng gym trọng lực dạng trụ thuôn, có tường điều chỉnh được góc và tốc độ quay biến thiên, có thể tạo ra “trọng lực” lớn hơn nhiều một cách êm ái
Trọng lực quay cho phép tập thể dục bằng trọng lượng cơ thể, tập core, aerobic cố định hoặc diện tích nhỏ như xe đạp trong nhà, game VR, yoga, thậm chí cả ngủ
Sửa: Tôi đã bỏ sót đoạn “nhưng máy ly tâm đặt trên Mặt Trăng đủ để đi bộ bên trong sẽ tạo ra các thách thức kỹ thuật”
Dù vậy tôi nghĩ cuối cùng cũng không tránh được. Nó hữu ích hơn rất nhiều cả về thể chất lẫn tâm lý. “Bề mặt quay” là một bài toán đơn giản so với “suy giảm sức khỏe do trọng lực thấp” hay “chạy vòng tròn đến chán chết”
Thiết bị kiểu này có thể còn giải quyết được vấn đề sinh nở ngoài Trái Đất. Hãy “spin up” vài con thỏ vũ trụ rồi xem kết quả! Hy vọng không phải là tribble
Các khu vực quay chắc chắn sẽ trở nên phổ biến trong các thuộc địa trọng lực thấp. Có ai muốn làm startup không?
Nếu ở lâu, cơ bắp và xương sẽ chắc hơn, nên giới fitness hoặc vận động viên chuyên nghiệp có thể quan tâm
Đây cũng sẽ là một cuộc diễn tập tốt trước khi xây và vận hành thứ như vậy trên Sao Hỏa hay Mặt Trăng. Nếu làm cho nó hoạt động được trên Trái Đất thì trong môi trường trọng lực thấp sẽ dễ hơn, vì gia tốc cần nhỏ hơn
Có lẽ cũng làm được bằng tàu hỏa hoặc tàu lượn trên đường ray tròn hơi nghiêng. Độ nghiêng nhỏ chỉ chuyển vector trọng lực về hướng vuông góc với sàn
Hẳn là có lý do nên nó không phổ biến
Dĩ nhiên, mỗi khi cần mở airlock thì cứ dừng quay cũng được
Hoặc nếu đưa lên quỹ đạo thì các vấn đề này sẽ dễ hơn, và cũng bớt phải lo che chắn bức xạ ngày/đêm hay sưởi ấm
Nhược điểm rằng “máy ly tâm đặt trên Mặt Trăng đủ để đi bộ bên trong sẽ tạo ra thách thức kỹ thuật và đòi hỏi lượng điện đáng kể” khá buồn cười
“Thách thức kỹ thuật” chẳng phải chính là dấu hiệu cho thấy ta đang ở trên Mặt Trăng sao
Một hệ thống quay ổn định có vẻ thuộc nhóm đơn giản nhất trong các bài toán khả thi trên Mặt Trăng. Nếu triển khai bên trong lớp vỏ môi trường sẵn có thì có thể làm khá low-tech
Duy trì quay trong trọng lực thấp phải có mức tiêu thụ điện rất thấp. Tổn thất có lẽ chỉ gồm ma sát tại điểm quay và các quả đối trọng điều khiển vị trí để giữ cân bằng theo chuyển động của con người, mà cả hai đều nhỏ
Tuy nhiên giải pháp không dùng công nghệ được đề xuất có hiệu quả cao so với đầu tư, và thực tế cho giai đoạn đầu hoặc các tiền đồn hiếm khi có người ở
Cuối cùng tôi cũng trở thành người có kinh nghiệm liên quan một cách kỳ lạ. Năm 2012, tôi đã làm một bệ tròn quay lớn đường kính khoảng 6 m, tức bánh xe hamster lớn nhất thế giới[1]
Chạy thử ngắn thì vui và độc đáo, nhưng hầu hết mọi người đều chóng mặt sau vài phút chạy bộ. Bệ cong cũng có nguy cơ bị ngã
Thực tế nó được dùng như một dạng xích đu nhiều hơn, nhưng tôi không biết điều đó có khả thi trên Mặt Trăng không
Tôi hoài nghi rằng trải nghiệm trên Mặt Trăng sẽ tốt hơn nhiều. Đặc biệt là đường kính được đề xuất còn nhỏ hơn thế
Có lý do gì khiến một thứ như máy chèo nước không dùng được trên Mặt Trăng không? Cũng có thể thêm áo tạ hoặc ghế có trọng lượng
Chèo thuyền gần như là bài tập toàn thân và dường như cũng không phụ thuộc quá nhiều vào trọng lực
Về lý thuyết, các bài compound chính như squat hay deadlift kích thích gần như toàn bộ cơ bắp trong cơ thể, nên có thể giúp ích rất nhiều. Chỉ cần các bài nâng nặng 2–3 lần mỗi tuần cũng có thể duy trì mức tăng cơ khá tốt
Tất nhiên trong không gian không có trọng lượng, nên không thể nâng tạ theo nghĩa đen. Nhưng có thể tạo lực kháng bằng dây đàn hồi, thiết bị khí nén, v.v.
Chèo thuyền rất tốt vì vừa có tập kháng lực vừa có cardio
Trên Mặt Trăng vẫn có trọng lực, chỉ là yếu hơn. Không ai cân nhắc việc cứ squat và deadlift những tảng đá khổng lồ sao? Nếu đổ đá Mặt Trăng vào một cái giỏ lớn thì cuối cùng nó sẽ nặng lên thôi
“Tập liên tục cường độ thấp hoặc tập interval cường độ cao trên ergometer có thể giúp duy trì thể lực tim phổi, nhưng tác động đến khối lượng cơ và xương là nhỏ”
Trong Imperial Earth của Arthur C. Clarke có một đường đua xe đạp hình tròn bên trong tàu vũ trụ trọng lực thấp
Nhân vật chính đã đạp rất nhanh quanh đường đua đó cho đến khi cảm nhận được 1G, để luyện tập chuẩn bị cho trọng lực Trái Đất
Tôi nhớ đến cảnh chạy trên tường tròn trong 2001 Space Odyssey hơn 50 năm trước: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Tôi tự hỏi liệu hai hướng đó có lần lượt giống như “lên dốc” và “xuống dốc” không. Nếu nhằm mục đích luyện tập thì có lẽ lên dốc sẽ tốt hơn
Tôi không biết chỉ dựa vào bộ phim thì có đủ thông tin để tính đoạn quay đang xoay theo hướng nào hay không
Việc chạy vòng quanh một hình tròn nghe như một cách tuyệt vời để chống chán
Bên cạnh thiết bị có cái tên rất hợp là Wheel-of-Death còn có một phòng riêng để ngồi xem sơn khô, và theo tài liệu quảng bá thì việc đó tương tự như quan sát chim
Tôi không hiểu vì sao đi bộ toàn thân lại là cách tốt nhất để ngăn teo cơ và khử khoáng xương. Vì ngay cả trên Trái Đất, đó cũng không phải là cách tốt nhất
Cách tiếp cận tốt hơn có lẽ là tập tạ bằng dây kháng lực hoặc đá Mặt Trăng
Có thể lập các kỷ lục Mặt Trăng mới ở những bài như deadlift, squat
Nói chính xác hơn, bất kỳ phương pháp nào từng được thử trên Trái Đất, như dây kháng lực hay nâng tạ, đều bao gồm một lượng đáng kể việc đi bộ toàn thân trong trường hấp dẫn mạnh
Tập squat và deadlift một giờ mỗi buổi, ba buổi mỗi tuần ở phòng gym có thể mang lại kết quả tuyệt vời. Nhưng lối sống đó cũng bao gồm việc tiếp xúc với trọng lực 1G suốt 24 giờ
Chơi skateboard trên Mặt Trăng chắc sẽ cực đã
https://what-if.xkcd.com/124/