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骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天

北京时间7月26日消息,据美国《连线杂志》报道,美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗成为第一个登上月球表面的人,现在迎来了“阿波罗11号”宇航员登月50周年纪念日,尽管50年过去了,但是人类成功登陆月球仍是一件非常奇妙、充满神秘感的事情。
正如约翰·肯尼迪总统所说的那样,我们做这些事情不是因为它们非常容易,而是因为它们很难!专家们也脑洞大开提出一些很好的物理问题,比如让大家计算一下从地球骑车前往月球需要多长时间?
让我们先解决一些实际问题吧!很显然,如果从地球骑车到月球,我们需要在地球和月球之间架起一条超级缆绳,如果你选择接受这个任务,你将骑行一辆漂亮的白色NASA自行车,这辆自行车具有特殊车轮,可沿着缆绳向前行驶(假设自行车摩擦力没有能量损失),而且基于车轮和缆绳的特殊设计,车轮只朝一个方向滚动,所以如果你停下来休息时,是不会从空中摔下来。
需要说明的是,这个“月球骑行计划”并不适用于阿波罗任务,1961年,美国总统肯尼迪在国会会议上宣称,十年之内实现人类登陆月球!1969年7月,“阿波罗11号”飞船仅用了4天便成功登陆月球,但是骑自行车到达月球可能没有这么快。
从地面出发!
《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》
一位体重75公斤的骑手,大概需要267天时间抵达月球!
在月球骑行计划开始之前,我们需要一些真实数据,首先,地球距离月球有多远?由于月球环绕地球的轨道并不是完美的圆形,所以没有一个准确的答案,我们用地月平均距离24万英里(38.4万公里)进行计算。
现在,你可能会想,一个人能够每小时骑车行进15英里,这样就可以计算从地球到月球的旅行时间了,不!你可能在平坦路面上以时速15英里行驶,但骑自行车到月球却完全不同,你将会像爬坡一样,一直向上行驶。
之后距离计算是一件很复杂的事情,当你离地球越远,地球引力就会不断减小,每天同样的努力会让你行驶得更远,最终当你距离月球很近的时间,就会变成一段“下坡路”,你可以滑行。
所以我们不能用速度来计算骑行至月球的时间,阿兰是将人们的体能输出量进行计算,如果你是一位环法自行车手,你可能每天骑行6小时会产生200瓦电能。
接下来,我们要计算出骑着自行车从地球至月球的最短距离——Δy,引力场强度单位为g(牛顿/克),引力势能值(ΔUG)计算公式如下。

《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》

在这个计算公式中,m是人体体重(以公斤为单位),由于体能输出量(P)是能量除以时间变化量的相应数值,可以使用体能输出量来计算行驶所用时间(Δt),相应的计算公式如下。

《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》

为什么我要使用地月最短距离呢?很快就会搞清楚的,首先,让我们快速核对一下:假设自行车骑手平均体重为75公斤,体能输出量为200瓦,行驶过程中上升1米需要多长时间?基于这些数据,我得到的时间是3.675秒。
这个时间是不是太长了?如果你认为3.675秒时间爬上1米高的楼梯,的确有点慢,但是你换个角度来看,3.675秒的时间内人体体能输出量200瓦,的确这也是极限数值,因此采用这一计算公式是比较合理的。
挑战引力!
我们可以在月球旅行中做地球上相同的事情吗?问题在于g,由于地球和月球引力作用不同,走相同楼梯的体能消耗会完全不相同,随着人们离地心距离的增大,引力场作用将逐渐减弱,我们可以用以下公式计算出引力场值。

在这个计算公式中,如果你是空间中的那个灰点,我们可以使用右边的方程式计算出灰点的重力数值,G是万有引力常数,ME是地球质量,r是从地球核心到你的矢量。
但是你需要考虑到地球有引力作用,月球也存在引力,所以我们在方程式中添加另一项,假设月球的质量mm,从地球到月球的距离是r,可得出总引力场数值计算公式。

《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》

事实上将g数值计算为正值有失真实性,但这样就能与之前计算的地球表面数值相匹配,以下是从地球到月球引力场数值随旅行时间时间的变化曲线图。

《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》

从地球出发,引力场是9.8 N/kg,在月球表面,引力场方向相反,数值为1.6 N/kg,这也证实了月球的引力场强度大约是地球的六分之一。
在大部分月球骑行旅程中,引力数值并不是零,但是非常小,开始的时候引力数值较大,骑行较困难,但是当你骑行达到1万英里时,地球引力只是地球表面的10%,地月平均距离是24万英里,之后的骑行速度会越来越快,当接近月球表面时就是一段下坡路了。
骑自行车到月球需要多长时间?“上坡路”仅需267天!
我们有一个引力场计算公式,可以基于人体体能输出量重复计算旅行时间,但这并不能完全代表整个旅程,当自行车骑手接近月球时,相当于走一段“下坡路”,由于引力数值减小,相应的体能输出量也减少。
我们计算显示从地球骑自行车到月球的“上坡路”仅需267天!这一数据令人吃惊,骑手的平均速度是37英里每小时,当然,267天必须保持24小时不间断地高强度蹬车,相反,如果你每天踏6个小时的踏板,所需的时间将是4倍——1068天,也就是说几乎需要3年时间,这一数据并不完全包含地月旅程。
这一计算数据并不包括最后的“下坡路”旅程呢?一个选择是停止踩踏板,你基本上会以相同的速度继续前进,直到你距离月球非常近,但此时骑行速度仍然是非常快的,一旦你到达月球表面,就会像陨石一样碰撞在月球表面,“下坡路”的速度有多快呢?
《骑自行车到月球需要多长时间?24小时不停仅需267天》
接近月球表面时自行车的行速速度变化曲线图
是的,这是一辆非常快的月球自行车,在持续骑行第258天时,你的速度将达到100米/秒,大约一周左右之后,你的骑行速度将达到1000米/秒。
当引力场变得非常小的时候,骑手所有的能量都用于加速,实际上我们的计算公式存在一个错误,真实情况很可能是越来越快,我的计算公式中将所有人体的能量转化为引力势能。
但是当引力场较低时,真的不需要太多时间“向上”移动,所以你最终会以超快的速度结束旅程,这个计算公式未直接考虑到动能的变化,假设骑手每一步开始时速度为零,但是我仍然认为整体时间计算是合理的,毕竟很难做到非常精确,我认为宇航员还是尽可能选择火箭发射登陆月球,从地球骑自行车所需的时间太漫长,而且需要考虑的因素很多,这一旅程并不容易。
骑自行车到月球需要考虑的因素
在这项计算中,假设骑手体重是75公斤,这个数值非常小,因为它并不包括自行车的重量,如果你将骑手的总质量改为100公斤或者200公斤,旅行时间将是多少呢?
如果你不吃食物,就不能骑这么长时间,基于100公斤的骑乘质量,要吃多少三明治才能到达月球?
为了实际从地球骑自行车抵达月球,必须建造一根钢制缆绳,很显然,地月平均距离是24万英里,这根钢制缆绳的建造成本并不低,地月系统并非持续保持静止状态,相反,它们一直处于运行旋转,并且会自转,这些因素都会改变骑车到达月球的时间。

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