Berlari Horizontal di Sisi Dalam Dinding Melingkar di Permukiman Bulan
(royalsocietypublishing.org)- Dalam hunian jangka panjang di Bulan, atrofi otot, penurunan kepadatan tulang, serta penurunan kontrol kardiopulmoner dan saraf menjadi masalah, sehingga metode olahraga dengan berlari horizontal di sisi dalam dinding silinder statis untuk menciptakan gravitasi buatan sendiri dipertimbangkan sebagai alternatif
- Eksperimen menggunakan struktur Wall of Death berdiameter sekitar 10 m dan pita bungee yang digantung pada derek setinggi 36 m untuk mengurangi 83% berat badan sehingga meniru gravitasi Bulan, dan 2 peserta menjalankan lari dinding melingkar
- Setelah 5–8 kali percobaan, para peserta dapat mulai tanpa bantuan, dan dalam 14 kali lari yang dianalisis mereka berlari setidaknya 1 putaran penuh, dengan kecepatan di dinding 5.38–6.45m/s, rata-rata 5.93±0.45m/s
- Kecepatan ini setara dengan faktor keamanan 1.48–1.78 terhadap risiko jatuh, dan gaya reaksi tanah maksimum saat kontak kaki diperkirakan sebesar 1.67–2.42 kali berat badan di Bumi, yang dihitung cukup untuk mencegah resorpsi kalsium tulang
- Hanya dengan 8–9 putaran per hari, total sekitar 40–45 detik lari singkat, ada kemungkinan memberi rangsangan sekaligus pada sistem rangka, otot, kardiopulmoner, dan saraf, tetapi ukuran sampelnya kecil dan masih diperlukan studi bed rest khusus
Masalah olahraga gravitasi rendah di Bulan dan lari dinding melingkar
- Dalam permukiman dan tinggal jangka panjang di Bulan, paparan gravitasi rendah dapat berdampak buruk pada kebugaran kardiopulmoner, sistem muskuloskeletal, serta kontrol saraf postur dan gerak
- Berjalan di gravitasi Bulan membuat keseimbangan energi kinetik dan energi potensial pusat massa tubuh terganggu, sehingga rentang kecepatannya terbatas dan efek latihannya juga berkurang
- Gaya berjalan memantul seperti berlari, skipping, dan hopping memang lebih cepat daripada berjalan, tetapi dalam gravitasi rendah dapat muncul ketidakcocokan mekanis pada kompleks otot-tendon dan berkurangnya kecepatan lepas landas vertikal
- Berbagai alternatif yang ada masing-masing memiliki keterbatasan
- Olahraga kontinu intensitas rendah atau interval intensitas tinggi dapat dipakai untuk mempertahankan kebugaran kardiopulmoner, tetapi pengaruhnya terhadap massa otot dan tulang kecil
- Latihan pliometrik berbasis sled menunjukkan potensi untuk mempertahankan fungsi kardiopulmoner dan muskuloskeletal, tetapi berbeda dari lokomosi ala Bumi dan mungkin kurang memberi rangsangan keseimbangan serta kontrol gerak
- Simulasi gravitasi berbasis sentrifus memberi dampak positif pada fungsi otot, tetapi sentrifus yang memungkinkan berjalan di Bulan memiliki kendala teknis dan kebutuhan daya yang besar
- Metode yang diusulkan adalah penghuni Bulan berlari sejajar dengan permukaan Bulan di sisi dalam dinding melingkar vertikal, sehingga memperoleh gravitasi buatan yang lebih tinggi melalui percepatan sentrifugal
Desain eksperimen berbasis Wall of Death
- Eksperimen menggunakan Wall of Death ala taman hiburan
- Jari-jari 4.73m, keliling 29.7m
- Struktur dinding kayu
- Di lantai terdapat ramp percepatan selebar 0.8m dengan kemiringan 30°
- Di Bumi, struktur ini sulit dijalani secara stabil dengan lari berbasis otot kedua kaki manusia, tetapi dalam gravitasi Bulan kecepatan minimum yang dibutuhkan menjadi lebih rendah sehingga secara teoretis memungkinkan
- Untuk meniru gravitasi Bulan, atap dilepas dan dua pita karet bungee jump dihubungkan seri pada derek setinggi 36m
- Berat peserta dikurangi 83% agar menjadi 1/6 dari berat di Bumi, dan diverifikasi dengan timbangan digital dalam posisi berbaring menyamping
- Pesertanya ada 2 orang
- Pria 36 tahun, 1.78m, 60kg
- Perempuan 33 tahun, 1.70m, 62kg
- Karena harness dan tali penghubung, gerakan lengan atas dalam posisi horizontal terbatas, sehingga lengan tersebut tidak diayunkan dan digunakan untuk memegang tali gantung
Kecepatan yang dibutuhkan dan kondisi fisik
- Dalam Wall of Death, gaya sentrifugal yang timbul saat bergerak melingkar di sepanjang dinding dan gesekan dinding mencegah tubuh meluncur ke bawah
- Di Bumi, dengan jari-jari 4.7m dan koefisien gesek statis 0.8, kecepatan minimum untuk massa titik adalah 7.59m/s, yakni 27.3km/h
- Pelari dan sepeda motor nyata bukan massa titik, dan dengan mempertimbangkan posisi pusat massa, kecepatan yang dibutuhkan pelari di Bumi dihitung sekitar 30.4km/h, sehingga dianggap sulit dicapai dengan lari manusia
- Di Bulan, karena gravitasi hanya 1/6 dari Bumi, kecepatan minimum teoretis pada struktur yang sama turun menjadi 12.5km/h, yakni di atas 3.5m/s
- Dalam perangkat simulasi gravitasi Bulan pada eksperimen di Bumi, pita bungee tidak hanya menarik tubuh ke atas tetapi juga menghasilkan gaya kecil ke arah pusat, sehingga kecepatan yang dibutuhkan dalam eksperimen sebenarnya dikoreksi menjadi 13.1km/h, yakni 3.63m/s
- Saat berlari horizontal, tubuh perlu sedikit condong ke atas, dan postur ini diperlukan untuk menyeimbangkan torsi dari distribusi massa seluruh tubuh dengan torsi lawan akibat gaya sentrifugal
Hasil lari aktual
- Pada awal sesi eksperimen satu hari, para peserta cepat beradaptasi dengan lari horizontal yang tidak biasa ini hanya dalam 5–8 kali percobaan
- Setelah itu, kedua peserta masing-masing melakukan 7 kali lari, total 14 kali lari yang dapat dianalisis
- Setiap lari mencakup setidaknya satu putaran penuh setelah akselerasi awal dan sebelum deselerasi, yakni lebih dari 29.7m
- Mereka berakselerasi menggunakan ramp, lalu saat mengakhiri lari menurunkan kecepatan dan turun dengan aman dari posisi horizontal di dinding ke posisi tegak di lantai
- Tidak ada cedera
- Kecepatan lari di dinding rata-rata 5.93±0.45m/s dengan rentang 5.38–6.45m/s
- Kecepatan ini setara dengan faktor keamanan 1.48–1.78 dibanding syarat minimum untuk menghindari risiko jatuh, mirip dengan kisaran faktor keamanan pada Wall of Death sepeda motor di Bumi
- Rata-rata panjang langkah dan indikator gait adalah sebagai berikut
- Panjang langkah: 3.78±0.29m
- Frekuensi langkah: 1.58±0.17Hz
- Waktu kontak: 0.176±0.017 detik
- Duty factor: 0.27±0.01
- Jika seluruh 194 langkah digabung, rentang kecepatannya melebar hingga 4.60–7.50m/s
- Seperti lari biasa di Bumi, kecepatan tinggi terutama dicapai dengan frekuensi langkah yang lebih tinggi, sementara panjang langkah relatif konstan, dan waktu kontak serta duty factor menurun saat kecepatan meningkat
Dinamika lari dan gaya reaksi tanah
- Pada kecepatan yang diamati, sudut kemiringan yang diprediksi rata-rata 12.4°±1.9°, dengan rentang 10.4°–14.9°
- Gaya reaksi tanah vertikal rata-rata pada lari horizontal di dinding adalah 1.13±0.16 kali berat badan di Bumi, dengan estimasi puncak 2.04±0.29 kali
- Rentang rata-rata: 0.93–1.34 kali
- Rentang puncak: 1.67–2.42 kali
- Dalam sesi laboratorium LOOP terpisah, peserta yang sama berlari di treadmill dengan alat penyangga berat badan pada kondisi 1g, 0.8g, 0.5g, dan 0.17g
- Kecepatan maksimum adalah 5.28m/s pada 0.17g, 5.75m/s pada 0.5g, 6.25m/s pada 0.8g, dan 6.94m/s pada 1g
- Gaya reaksi tanah vertikal rata-rata dan puncak pada kecepatan maksimum masing-masing adalah 0.85 dan 1.54 kali pada 0.17g, 1.44 dan 2.60 kali pada 0.5g, 1.94 dan 3.51 kali pada 0.8g, serta 2.09 dan 3.79 kali pada 1g
- Lari treadmill vertikal dengan simulasi gravitasi Bulan menunjukkan kinematika yang jelas berbeda dari lari horizontal Wall of Death
- Lari vertikal dalam gravitasi Bulan memiliki langkah yang jauh lebih panjang dan duty factor yang jauh lebih kecil
- Kondisi 0.5g dan 0.8g lebih dekat dengan data lari 1g dan data langkah Wall of Death
- Indikator tak berdimensi Strouhal menunjukkan bahwa lari horizontal Wall of Death secara dinamis mirip dengan lari normal di Bumi
- Nilai Strouhal untuk lari horizontal Wall of Death di Bulan sekitar 0.80–1.10
- Di LOOP, rentang yang sama hanya muncul pada 0.50g atau lebih
- Lari vertikal cepat pada 0.17g menunjukkan dinamika yang tidak normal, sekitar 0.55–0.65
Rangsangan pada otot, tulang, dan sistem saraf
- Lari Wall of Death dilakukan pada rentang 5–7m/s, jauh di atas kecepatan minimum agar tidak tergelincir, dan disertai frekuensi langkah tinggi 2.5–4Hz
- Dalam lari cepat seperti ini, total kerja mekanis yang harus dilakukan unit otot-tendon bisa lebih besar daripada saat berlari tegak di permukaan Bulan
- Rangsangan tulang dihitung dengan membandingkannya dengan hasil latihan lompat dalam studi bed rest sebelumnya
- Dalam studi bed rest 60 hari, sesi latihan 48 kali lompatan dengan rata-rata 0.8 kali per hari mencegah berbagai penurunan, termasuk hilangnya kepadatan tulang dan kandungan kalsium
- Sesi tersebut rata-rata terdiri dari 78 lompatan, dengan gaya reaksi tanah puncak rata-rata 3.6kN, setara 4.8 kali berat badan total atau 2.4 kali per kaki
- Jika pada Wall of Death saat 6m/s diasumsikan gaya reaksi tanah puncak per langkah sebesar 2.2 kali, maka jumlah langkah yang dibutuhkan untuk memperoleh akumulasi gaya reaksi tanah yang sama dihitung sebanyak 170 langkah
- Pada kondisi keliling 30m dan frekuensi langkah 3.2Hz, satu putaran berlangsung 5 detik dan terdiri dari 16 langkah
- 10–11 putaran setiap 1.25 hari
- atau 8–9 putaran setiap hari
- total waktu olahraga 40–45 detik
- Metode ini dipertimbangkan bersama syarat berupa beban dinamis benturan tinggi, 40–60 fase kontak per hari, dan menghindari sesi yang panjang
- Dari sisi saraf, pola lokomosi mirip lari normal di Bumi dan melibatkan banyak sendi, sehingga dorongan maju dan pemeliharaan postur dibutuhkan secara bersamaan
- Latihan pliometrik berbasis sled atau cycle ergometer memberi rangsangan yang berbeda dari lokomosi ala Wall of Death karena adanya keterbatasan batang tubuh atau kurangnya tugas keseimbangan dinamis
Intensitas metabolik kardiopulmoner dan penerapan di permukiman Bulan
- Konsumsi oksigen tidak diukur secara langsung, tetapi kebutuhan metabolik minimum lari Wall of Death diperkirakan berdasarkan biaya metabolik lari di Bumi dan persamaan regresi lari gravitasi rendah
- Dengan rentang 5.5–6.5m/s dan gravitasi buatan terkait sebesar 0.5g–0.73g, konsumsi oksigen diperkirakan 54–74mlO₂/kg/min
- Awak Artemis Program diperkirakan akan dilatih hingga mencapai VO₂max sekitar 40mlO₂/kg/min di Bumi
- Karena itu, intensitas perkiraan lari Wall of Death dinilai sejalan dengan tingkat yang dapat memicu adaptasi kardiopulmoner pada latihan interval intensitas tinggi
- Namun nilai-nilai ini bukan hasil pengukuran langsung, dan perlu dievaluasi lewat eksperimen tambahan pada Wall of Death yang sebenarnya
- Di Bulan, bias simulasi dalam eksperimen Bumi ini bisa hilang
- adanya komponen arah pusat dari pita bungee yang membuat kecepatan tangensial yang dibutuhkan lebih tinggi
- lengan dan kaki mengalami sisa gravitasi Bumi saat berayun
- adanya massa tambahan sekitar 9kg dari harness, tali, dan peralatan gantung yang harus ikut dipercepat
- Jika dibiasakan dengan gerakan horizontal melalui pelatihan khusus sebelumnya, orang mungkin dapat bergerak lebih lambat bahkan pada Wall of Death yang lebih kecil di Bulan
- Mengingat keterbatasan membawa atau membangun alat olahraga khusus di Bulan, metode ini dapat diwujudkan sebagai fasilitas pasif yang memanfaatkan dinding struktur melingkar tempat tinggal dan tidak memerlukan pasokan daya tambahan
- Kesimpulannya tetap terbatas
- ukuran sampel hanya 2 orang
- eksperimen lapangan ini sangat tidak biasa sehingga pengukuran kinematiknya tidak presisi tinggi
- ke depan diperlukan studi bed rest khusus
- Ketika lari vertikal di Bulan dibatasi oleh gravitasi rendah, lari horizontal di dinding melingkar dapat memungkinkan lokomosi yang mustahil dilakukan secara stabil di Bumi namun dapat dilakukan di Bulan, serta menghasilkan gravitasi buatan yang cukup lewat lari harian singkat untuk membantu mempertahankan kondisi kardiopulmoner, kemampuan gerak, dan status mineral tulang
1 komentar
Opini Hacker News
Perlu beberapa kali klik untuk sampai ke video data tambahan: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
Mungkin sebaiknya sering berganti arah
Saya penasaran apakah ini karena arah gravitasi, karena sudut tubuh tidak terlihat benar-benar horizontal sehingga sudut kaki menyentuh lantai jadi aneh, atau karena karakteristik fisiologis orangnya
Saya tidak melihat pembahasan tentang permukaan yang berputar
Gym gravitasi berbentuk silinder meruncing dengan dinding yang sudutnya bisa diatur dan kecepatan rotasi variabel akan bisa menghasilkan “gravitasi” yang jauh lebih besar dengan mulus
Gravitasi rotasi memungkinkan latihan beban tubuh, latihan core, kardio stasioner atau area kecil seperti sepeda statis, gim VR, yoga, bahkan tidur
Edit: Saya melewatkan bagian “Namun, sentrifus berbasis Bulan yang dapat dimasuki dan digunakan untuk berjalan di dalamnya akan menimbulkan tantangan teknis”
Tetap saja, menurut saya ini pada akhirnya tak terhindarkan. Jauh lebih berguna secara fisik maupun psikologis. “Permukaan berputar” adalah tantangan sederhana dibanding “memburuknya kesehatan akibat gravitasi rendah” atau “mati bosan karena berlari berputar-putar”
Peralatan seperti ini mungkin juga bisa memecahkan masalah persalinan di luar Bumi. Mari kita “spin up” beberapa kelinci luar angkasa dan lihat hasilnya! Semoga bukan Tribble
Di koloni gravitasi rendah, area berputar jelas tampaknya akan menjadi umum. Ada yang mau bikin startup?
Jika tinggal lama, otot dan tulang akan menguat, jadi kalangan kebugaran atau atlet profesional kemungkinan tertarik
Ini juga menjadi latihan pendahuluan yang bagus sebelum membangun dan mengoperasikan hal seperti ini di Mars atau Bulan. Jika bisa dibuat bekerja di Bumi, di gravitasi lebih rendah mestinya lebih mudah karena percepatannya lebih kecil
Sepertinya juga bisa dilakukan dengan kereta atau roller coaster di lintasan melingkar yang sedikit miring. Kemiringan kecil hanya memindahkan vektor gravitasi ke arah tegak lurus lantai
Mungkin ada alasan mengapa itu tidak menyebar luas
Tentu saja, setiap kali perlu membuka airlock, rotasinya bisa saja dihentikan
Atau jika ditempatkan di orbit, masalah seperti ini jadi lebih mudah, dan masalah perisai radiasi siang-malam maupun pemanasan juga tidak terlalu perlu dipikirkan
Kekurangan bahwa “sentrifus berbasis Bulan yang dapat dimasuki dan digunakan untuk berjalan di dalamnya akan menimbulkan tantangan teknis dan membutuhkan daya yang cukup besar” cukup lucu
Bukankah tantangan teknis justru tanda bahwa kita sedang berada di Bulan?
Sistem rotasi yang stabil tampaknya termasuk salah satu tantangan Bulan yang paling sederhana. Jika diterapkan di dalam selubung lingkungan yang sudah ada, itu bisa dilakukan dengan teknologi yang cukup rendah
Mempertahankan rotasi dalam gravitasi rendah seharusnya membutuhkan konsumsi daya yang sangat rendah. Kerugiannya mungkin hanya gesekan di titik putar dan pemberat kendali posisi untuk menjaga keseimbangan mengikuti gerakan manusia, dan keduanya kecil
Namun, solusi tanpa teknologi yang diusulkan punya efektivitas besar dibanding investasinya, dan realistis untuk tahap awal atau pos luar yang jarang dihuni manusia
Akhirnya saya menjadi orang dengan pengalaman yang anehnya relevan. Pada 2012, saya membuat platform bundar berputar besar berdiameter sekitar 6 m, alias roda hamster terbesar di dunia[1]
Untuk berlari sebentar, itu seru dan unik, tetapi kebanyakan orang pusing setelah jogging beberapa menit. Platform yang melengkung juga berisiko membuat orang jatuh
Dalam praktiknya, itu lebih sering dipakai seperti semacam ayunan, dan saya tidak tahu apakah itu mungkin di Bulan
Saya skeptis pengalaman di Bulan akan jauh lebih baik. Apalagi diameter yang diusulkan lebih kecil dari ini
Apakah ada alasan mengapa sesuatu seperti mesin rowing air tidak bisa digunakan di Bulan? Bisa juga ditambah rompi pemberat atau kursi berbobot
Rowing adalah latihan hampir seluruh tubuh dan tampaknya tidak terlalu bergantung pada gravitasi
Secara teori, gerakan compound utama seperti squat atau deadlift merangsang hampir semua otot tubuh, sehingga bisa sangat membantu. Hanya melakukan angkatan besar 2–3 kali seminggu saja sudah bisa menghasilkan pertumbuhan otot berkelanjutan yang cukup besar
Tentu saja di luar angkasa tidak ada berat, jadi tidak bisa mengangkat beban secara harfiah. Tetapi resistensi bisa dibuat dengan band, perangkat pneumatik, dan sebagainya
Rowing sangat bagus karena bisa mendapatkan latihan resistensi dan kardio sekaligus
Bulan memang punya gravitasi, hanya saja lemah. Apakah tidak ada yang mempertimbangkan untuk squat dan deadlift dengan batu raksasa saja? Kalau keranjang besar diisi batu Bulan, lama-lama pasti jadi berat
“Latihan kontinu intensitas rendah atau latihan interval intensitas tinggi pada ergometer dapat membantu mempertahankan kebugaran kardiorespirasi, tetapi dampaknya kecil pada massa otot dan massa tulang”
Dalam Imperial Earth karya Arthur C. Clarke, ada lintasan sepeda melingkar di dalam wahana antariksa gravitasi rendah
Tokoh utamanya mengayuh mengelilingi lintasan itu sangat cepat untuk berlatih menghadapi gravitasi Bumi, sampai ia merasakan 1G
Saya teringat adegan lari di dinding melingkar dari 2001 Space Odyssey lebih dari 50 tahun lalu: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
Saya penasaran apakah kedua arah itu masing-masing akan terasa seperti “menanjak” dan “menurun”. Untuk tujuan latihan, mungkin yang menanjak lebih bagus
Saya tidak tahu apakah dari film saja ada cukup informasi untuk menghitung ke arah mana bagian yang berotasi itu berputar
Berputar-putar mengelilingi lingkaran terdengar seperti cara yang hebat untuk mengalahkan kebosanan
Di samping perangkat Wheel-of-Death yang namanya sangat pas itu, ada juga ruangan khusus untuk menonton cat mengering, dan menurut materi promosinya itu mirip dengan mengamati burung
Saya tidak paham mengapa berjalan dengan seluruh tubuh dianggap cara terbaik untuk mencegah atrofi otot dan demineralisasi tulang. Di Bumi pun itu bukan yang terbaik
Pendekatan yang lebih baik sepertinya melakukan latihan beban dengan band atau batuan Bulan
Tinggal mencetak rekor Bulan baru untuk deadlift, squat, dan semacamnya
Lebih tepatnya, metode apa pun yang dicoba di Bumi, seperti band atau angkat beban, tetap mencakup cukup banyak berjalan dengan seluruh tubuh dalam medan gravitasi yang kuat
Melakukan squat dan deadlift di gym satu jam, tiga kali seminggu, bisa memberi hasil yang sangat baik. Namun gaya hidup itu juga mencakup paparan 24 jam terhadap gravitasi 1G
Bermain skateboard di Bulan sepertinya bakal luar biasa
https://what-if.xkcd.com/124/