¿Cómo te moverías en baja gravedad sin un traje?

Mis respuestas a preguntas muy similares, "¿Cómo sería la marcha humana en Marte?" y "¿Cómo viajarían a pie los humanos con el equipo apropiado por la superficie de Titán, la luna de Saturno?" son convincentes aquí, junto con un par de otros conceptos. Pero la respuesta depende de lo que signifique "significativamente menos gravedad".

En primer lugar, estar en un entorno en el que no necesitas ningún tipo de traje voluminoso para seguir con vida, como especificas, marca una gran diferencia. Dichos trajes, especialmente los trajes de presión y especialmente las articulaciones de la cadera, son mucho menos flexibles que la ropa normal y hacen que algunos modos de andar alternativos requieran menos esfuerzo que el andar tradicional. Los astronautas del Apolo encontraron esto durante sus caminatas en la luna, adoptando el "salto". Con solo ropa normal, las consideraciones distintas a la flexibilidad se vuelven más importantes.

El andar bípedo normal en la Tierra es un medio de transporte bastante eficiente si no tienes ruedas. Hace uso de un movimiento similar al de un péndulo (junto con las contracciones musculares) de una pierna para llevarla desde detrás del andador hasta el frente del andador, y luego las contracciones musculares para tirar de ella hacia atrás. En la gravedad de la Tierra, ya un ritmo "cómodo", ese movimiento de péndulo proporciona una parte sustancial de la energía necesaria para mover la pierna de adelante. Si camina más rápido que ese ritmo cómodo, sus músculos entran más en juego, moviendo la pierna más rápido que el ritmo natural del péndulo, por lo que gasta más energía.

La magnitud de la aceleración gravitacional tiene un efecto directo sobre el período del péndulo:

$$\tau = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$$ dónde$\tau$es el período del péndulo, l es la distancia desde el punto de pivote del péndulo hasta su centro de masa y g es la magnitud de la aceleración gravitacional. Puedes considerar el tiempo que lleva mover la pierna de atrás hacia adelante como medio período de péndulo, de modo que el tiempo aumenta a medida que g disminuye. Si desea mover la pierna más rápido de lo que la gravedad lo hará naturalmente, debe suministrar energía con los músculos. Es por eso que "significativamente menos gravedad" afecta la respuesta.

Como dice @Uwe, si la gravedad es muy, muy baja, te mueves más o menos como las personas en caída libre. A pesar de tener un "arriba" y un "abajo" definidos, la baja gravedad hace que el período de péndulo natural de una pierna sea tan largo que nadie aguantaría la lentitud de una marcha similar a la de la Tierra. Y el peso es tan pequeño que tanto las piernas como los brazos pueden proporcionar las fuerzas necesarias para superarlo. El peso también es tan pequeño que es probable que alguien que intente usar la fuerza muscular para acelerar el movimiento de las piernas se lance del piso a cierta distancia, probablemente girando. En el tiempo que se tarda en volver al suelo en esa baja gravedad, la rotación los tendría en un ángulo incómodo. Es posible que lleguen a un techo. El movimiento de caída libre es más controlable.

Si la "gravedad baja" es más como media g , entonces sería más como Marte, una versión más lenta de la Tierra: el período de péndulo natural aumenta en ~40%, por lo que la marcha "cómoda" es mucho más lenta. —¡No está tan mal!— y una caminata razonablemente más rápida no hará que se caiga o golpee el techo.

En el medio, digamos 1/6 (lunar) o 1/7 (Titán) g , la marcha similar a la de la Tierra se está volviendo bastante lenta, pero si no tienes prisa, está bien. Si tiene prisa, es probable que la marcha rápida siga estando bien, hasta cierto punto: cuanta más fuerza aplique con los músculos, más probable es que se encuentre en una situación como la del caso "g muy bajo" mencionado . arriba. Más allá de ese punto, y sin correr (ver más abajo), el salto de Apolo podría ser útil, porque implica menos balanceo de las piernas. Pero...

Arrancar y parar probablemente requiera algún ajuste. Todavía tiene el 100% de su masa de inercia, pero con g reducida , la fuerza de fricción disponible para arranques y paradas se reduce, lo que requiere una planificación más anticipada, especialmente en caminatas o carreras rápidas.

Las carreras son un poco más desafiantes porque implican tiempo sin contacto con el suelo. En la Tierra, ese tiempo es muy corto, por lo que los errores leves en las contracciones musculares que imparten una ligera rotación al cuerpo no dan como resultado que el cuerpo gire a una orientación claramente subóptima (caída prat, planta a tope o caída hacia un lado) . Pero en g baja ese tiempo es mayor por lo que se multiplican los errores. Y ahora las fuerzas de inercia son mucho mayores que las fuerzas de fricción, por lo que corregir esos errores no se puede hacer tan rápido.

Las proporciones modificadas de las fuerzas de inercia a las fuerzas de fricción o relacionadas con la gravedad provocan otros problemas de control. Por ejemplo, si uno está caminando y los errores leves causan una inclinación hacia la derecha, en la Tierra, colocar el pie derecho un poco más hacia la derecha en su próximo paso coloca ese pie a la derecha de la línea recta hacia abajo desde el centro de masa, resultando en una fuerza correctora hacia la izquierda. No hace falta mover ese pie muy hacia la derecha para obtener una fuerza de corrección significativa. Si el ángulo entre la línea desde el centro de masa (CM) del cuerpo hasta el centro del pie y la vertical desde el CM es$\alpha$, entonces, en el caso estático, la componente horizontal resultante de la fuerza relacionada con la gravedad es

$$F_h = mg \sin{\alpha}$$ por lo que la fuerza correctora es proporcional a g . A una g baja , la relación entre las fuerzas de corrección relacionadas con la gravedad y las fuerzas de inercia disminuye, lo que le da al caminante (o corredor) menos autoridad de control. Sin práctica, esto probablemente resultará en lo que consideraríamos inclinaciones y oscilaciones exageradas al caminar o correr.

Las fuerzas de fricción se comportan de manera similar. Cuanto mayor sea g , mayores serán las fuerzas de fricción que puede producir sin resbalar. Con una g baja , un intento de cambio repentino de dirección, dado el impulso de la masa de inercia completa, podría requerir una fuerza horizontal mayor que la fuerza de fricción disponible, y el pie resbalaría. ¡el resultado de eso es claramente subóptimo!

Las fuerzas de inercia que surgen de los movimientos verticales del CM al caminar y especialmente al correr hacen que esto sea un poco más complicado, pero no altera el resultado: el control de los movimientos de caminar o correr con una g baja requerirá algo de práctica.

El video hacia la luna de @KimHolder explica muy bien varios aspectos...

(si tiene tiempo, también vea Virtual Moon Colony en Lalande Crater - the Whole Thing )

arriba: Los pasos en la baja gravedad de la Luna se verán muy diferentes. El movimiento hacia adelante (lateral) no es necesario y, de hecho, puede hacer que pierda el equilibrio muy rápidamente (como se puede ver en esos videos de astronautas que caen en la luna ). En lugar de moverse hacia arriba o hacia abajo, se puede ascender o descender un eje vertical simple con estos pasos modificados, asistidos por agarrar un poste.Hay varias opciones para usar este sistema dependiendo de la prisa que tenga o de lo juguetón que se sienta.

arriba: Otra variedad de pasos de gravedad baja:

arriba: En baja gravedad, la recreación será verdaderamente 3D. ¿Por qué usar un valioso espacio en el piso cuando puede moverse verticalmente casi con la misma facilidad?