Застанете на кантар за баня и той показва 160 паунда. Това число изглежда като фиксирано свойство на вашето тяло, но не е - то е резултат от гравитацията на Земята, която привлича вашата маса. Занесете същото това тяло на Марс и кантарът ще покаже 61 паунда. На Юпитер се чете 405 паунда. На повърхността на Слънцето, ако можехте да оцелеете за миг, това щеше да бъде приблизително 4464 паунда. Тялото ви изобщо не се е променило. Само гравитацията има.
Тегло срещу маса: Ключовата разлика
Масата е количеството материя във вашето тяло, измерено в килограми. Тя е постоянна в цялата вселена. Човек от 70 kg има 70 kg маса на Земята, на Марс, в дълбокия космос и на повърхността на Плутон.
Теглото е силата, която гравитацията упражнява върху тази маса. Изчислява се като:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
На Земята гравитационното ускорение на повърхността е приблизително 9,8 m/s² (често се записва като 1g). Човек с тегло 70 кг тежи:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Когато кажем, че някой „тежи 70 kg“, неофициално използваме единици за маса за тегло – което работи добре на Земята, където g е константа. В момента, в който пътувате другаде, разграничението става съществено.
Повърхностна гравитация на всяка планета
Повърхностната гравитация зависи от масата и радиуса на планетата. По-голямата маса увеличава гравитацията; по-големият радиус го намалява (по-далеч сте от центъра на масата). Ето защо Сатурн, въпреки че е почти 100 пъти по-масивен от Земята, има повърхностна гравитация само малко над земната - неговият огромен радиус повече от компенсира.
| Body | Surface Gravity (relative to Earth) | m/s² | Your Weight if 70 kg on Earth |
|---|---|---|---|
| Sun | 27.9g | 273.7 | 1,953 kg (19,159 N) |
| Mercury | 0.38g | 3.72 | 26.6 kg |
| Venus | 0.91g | 8.87 | 63.7 kg |
| Earth | 1.00g | 9.80 | 70.0 kg |
| Moon | 0.166g | 1.62 | 11.6 kg |
| Mars | 0.38g | 3.72 | 26.6 kg |
| Jupiter | 2.53g | 24.8 | 177.1 kg |
| Saturn | 1.07g | 10.4 | 74.9 kg |
| Uranus | 0.89g | 8.69 | 62.3 kg |
| Neptune | 1.14g | 11.15 | 79.8 kg |
| Pluto | 0.063g | 0.62 | 4.4 kg |
Забележка: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун са газови гиганти без твърда повърхност. Стойностите на "повърхностната гравитация" по-горе представляват гравитацията при върховете на облаците, дефинирана при 1 бар атмосферно налягане. Не бихте могли да стоите на тези планети.
Формулата: Тегло на друга планета
Преобразуването е просто:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Или еквивалентно, използвайки директно гравитационното съотношение:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Работен пример — 70 кг човек на Марс:
Mars gravity = 0.38g
Weight on Mars = 70 kg × 0.38 = 26.6 kg
In Newtons: 70 kg × 3.72 m/s² = 260.4 N
Работен пример — 85 кг човек на Нептун:
Neptune gravity = 1.14g
Weight on Neptune = 85 kg × 1.14 = 96.9 kg
In Newtons: 85 kg × 11.15 m/s² = 947.75 N
Забавни примери: Прескачане на височина на всяка планета
Колко високо можете да скочите зависи обратно от повърхностната гравитация. Ако можете да скочите 0,5 метра (около 20 инча) на Земята, същото мускулно усилие ще ви отведе до:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
Сравнение на височината на скок (базова линия: 0,5 м скок на Земята):
| Body | Jump Height | Notes |
|---|---|---|
| Moon | 3.0 m (9.8 ft) | Nearly 3 times your height |
| Mars | 1.32 m (4.3 ft) | Like jumping onto a high table |
| Mercury | 1.32 m (4.3 ft) | Same as Mars — identical gravity |
| Venus | 0.55 m (1.8 ft) | Nearly Earth-like |
| Jupiter | 0.20 m (7.9 in) | Barely off the ground |
| Pluto | 7.9 m (26 ft) | Higher than a 2-story building |
На Луната вертикален скок от 0,5 метра на Земята се превръща в скок от 3 метра. Астронавтите на Аполо документираха това преживяване – въпреки носенето на обемисти скафандри, добавящи 80+ kg маса, те можеха лесно да скочат на 1–2 фута от лунната повърхност и да им отнеме няколко секунди, за да кацнат. Бягането в скафандър се превърна в обвързващо, забавено изживяване.
Защо бихте били смазани на Юпитер
Повърхностната гравитация на Юпитер от 2,53 g звучи приемливо – в края на краищата, спортистите рутинно изпитват 2–3 g по време на интензивна дейност. Но няколко комбиниращи фактора правят Юпитер смъртоносно враждебен:
Няма твърда повърхност. Юпитер е газов гигант. Спускайки се в атмосферата му, налягането нараства експоненциално. На дълбочини, достъпни от сонда, налягането достига милиони атмосфери. Всяка физическа структура ще бъде смачкана, преди да достигне каквато и да е повърхност.
Смазващо атмосферно налягане. Атмосферата на Юпитер на нивото на върха на облака вече има 1 бар налягане — подобно на морското равнище на Земята. Само 100 км по-дълбоко налягането достига 1000 бара. В инженерните конструкции не съществуват достатъчно здрави материали, за да оцелеят при такъв натиск.
Ефектът от 2,53g върху човешкото тяло. Продължителното излагане на 2,5g причинява сърдечно-съдово напрежение, тъй като сърцето трябва да работи много по-усилено, за да изпомпва кръвта нагоре към мозъка. Продължителните периоди при 2g+ водят до ортостатична хипотония, сърдечно-съдово разширяване и евентуално сърдечна недостатъчност. Дори ако всички други фактори бяха контролирани, поддържаните 2,53 g са несъвместими с дългосрочното човешко обитаване.
Радиация. Магнитното поле на Юпитер улавя интензивни радиационни пояси, много по-енергични от поясите на Ван Алън на Земята. Човек в радиационната среда на Юпитер би получил смъртоносна доза в рамките на часове.
Луната и Марс: бъдещи човешки местообитания
Луната и Марс са единствените тела в нашата слънчева система, където човешката колонизация в краткосрочен план е научно правдоподобна. И двете имат много по-ниска гравитация от Земята, което създава значителни физиологични предизвикателства:
Мускулна атрофия: На Луната (0,166 g) и Марс (0,38 g) мускулното усилие, необходимо за нормално движение, е значително намалено. Без контрамерки, мускулите и костите отслабват от намаленото натоварване. Астронавтите на ISS, прекарващи 6 месеца на 0g, губят 1–2% от костната плътност на месец без интензивни режими на упражнения.
Загуба на костна плътност: Носещите тежести кости (гръбначен стълб, бедрена кост, бедрена кост) реагират на гравитационното натоварване чрез запазване на плътността. При 0,38 g стимулът е намален, но все още присъства - очаква се Марс да б��де по-добър за здравето на костите от микрогравитацията, но по-лош от Земята. Оценките предполагат, че загубата на костна маса от гравитацията на Марс може да изисква допълнителни упражнения с може би 60% от интензивността, необходима на МКС.
Ефекти върху развитието: Ефектите от частичната гравитация върху феталното и детското развитие са напълно неизвестни. Изследвания върху животни в микрогравитация показват аномалии в развитието, но не съществуват дългосрочни проучвания с частична гравитация. Околната среда от 0,38 g на Марс може или не може да поддържа нормалното човешко развитие - това представлява една от най-критичните неизвестни за всяка колония от няколко поколения.
Изместване на течности: Човешката сърдечно-съдова система преразпределя течностите под действието на гравитац��ята. В среда с ниска гравитация течностите се изместват към горната част на тялото и главата, причинявайки подпухналост на лицето, запушен нос, промени в зрението (поради повишено вътречерепно налягане) и промени в бъбречната функция. Тези ефекти са широко документирани на МКС и биха били налице, но по-малко сериозни при нивата на гравитацията на Марс.
Контрастът между 0,38 g на Марс и 1,0 g на Земята означава, че хората, които прекарват години или десетилетия на Марс, могат да станат физиологично адаптирани към марсианската гравитация и да намерят земната гравитация - техния дом на предците - физически непоносима при завръщане.