Postavte sa na kúpeľňovú váhu a tá ukazuje 160 libier. Zdá sa, že toto číslo je pevnou vlastnosťou vášho tela, ale nie je – je to výsledok gravitácie Zeme pôsobiacej na vašu hmotu. Vezmite to isté telo na Mars a váha ukazuje 61 libier. Na Jupiteri je to 405 libier. Na povrchu Slnka, ak by ste dokázali na okamih prežiť, bolo by to zhruba 4 464 libier. Vaše telo sa vôbec nezmenilo. Má iba gravitáciu.
Hmotnosť vs hmotnosť: kľúčový rozdiel
Hmotnosť je množstvo hmoty vo vašom tele, merané v kilogramoch. Je konštantná v celom vesmíre. 70 kg vážiaci človek má 70 kg hmotnosti na Zemi, na Marse, v hlbokom vesmíre a na povrchu Pluta.
Hmotnosť je sila, ktorou na túto hmotu pôsobí gravitácia. Vypočíta sa ako:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
Na Zemi je gravitačné zrýchlenie na povrchu približne 9,8 m/s² (často písané ako 1g). Osoba s hmotnosťou 70 kg váži:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Keď hovoríme, že niekto „váži 70 kg“, neformálne používame hmotnostné jednotky – čo funguje dobre na Zemi, kde je g konštantné. Vo chvíli, keď cestujete inam, rozdiel sa stáva nevyhnutným.
Povrchová gravitácia každej planéty
Povrchová gravitácia závisí od hmotnosti a polomeru planéty. Väčšia hmotnosť zvyšuje gravitáciu; väčší polomer ho zmenšuje (ste ďalej od ťažiska). To je dôvod, prečo Saturn, napriek tomu, že je takmer 100-krát hmotnejší ako Zem, má povrchovú gravitáciu len o málo vyššiu ako Zem – jeho obrovský polomer to viac než kompenzuje.
| 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 |
Poznámka: Jupiter, Saturn, Urán a Neptún sú plynní obri bez pevného povrchu. Vyššie uvedené hodnoty "povrchovej gravitácie" predstavujú gravitáciu na vrcholoch oblakov, definovanú pri atmosférickom tlaku 1 bar. Na týchto planétach ste nemohli stáť.
Vzorec: Hmotnosť na inej planéte
Konverzia je jednoduchá:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Alebo ekvivalentne, priamo použitím gravitačného pomeru:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Pracovný príklad – 70 kg osoba na Marse:
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
Pracovný príklad – 85 kg osoba na Neptúne:
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
Zábavné príklady: Výška skoku na každej planéte
Ako vysoko dokážete vyskočiť závisí nepriamo od povrchovej gravitácie. Ak dokážete na Zemi preskočiť 0,5 metra (asi 20 palcov), rovnaké svalové úsilie vás zaberie:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
Porovnanie výšky skoku (základná línia: skok z 0,5 m na Zemi):
| 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 |
Na Mesiaci 0,5 m vertikálny skok na Zemi znamená 3-metrový skok. Astronauti z Apolla túto skúsenosť zdokumentovali – napriek tomu, že mali na sebe objemné skafandre s hmotnosťou 80+ kg, mohli ľahko vyskočiť 1–2 stopy z mesačného povrchu a pristátie im trvalo niekoľko sekúnd. Beh v skafandri sa stal ohraničujúcim, spomaleným zážitkom.
Prečo by ste boli zdrvení na Jupiteri
Povrchová gravitácia Jupitera 2,53 g znie ako prežitá – napokon, športovci bežne zažívajú 2 – 3 g pri intenzívnej aktivite. Ale niekoľko zložených faktorov spôsobuje, že Jupiter je smrteľne nepriateľský:
Žiadny pevný povrch. Jupiter je plynný gigant. Pri zostupe do jeho atmosféry sa tlak exponenciálne zvyšuje. V hĺbkach dosiahnuteľných sondou dosahujú tlaky milióny atmosfér. Akákoľvek fyzická štruktúra by bola rozdrvená skôr, ako by sa dostala na akýkoľvek povrch.
** Drvivý atmosférický tlak.** Atmosféra Jupitera na úrovni vrchnej časti oblaku už má tlak 1 bar – podobný ako pri hladine mora na Zemi. Len o 100 km hlbšie tlak dosahuje 1000 barov. Materiály dostatočne pevné na to, aby prežili takéto tlaky, v inžinierskych štruktúrach neexistujú.
Účinok 2,53 g na ľudské telo. Trvalé vystavenie 2,5 g spôsobuje kardiovaskulárne napätie, pretože srdce musí pracovať oveľa tvrdšie, aby pumpovalo krv smerom nahor do mozgu. Predĺžené periódy pri 2g+ vedú k ortostatickej hypotenzii, kardiovaskulárnemu zväčšeniu a nakoniec k zlyhaniu srdca. Aj keby boli všetky ostatné faktory kontrolované, udržiavaná 2,53 g je nezlučiteľná s dlhodobým ľudským bývaním.
Žiarenie. Magnetické pole Jupitera zachytáva pásy intenzívneho žiarenia oveľa energickejšie ako pásy Van Allena na Zemi. Človek v prostredí Jupitera by v priebehu niekoľkých hodín dostal smrteľnú dávku.
Mesiac a Mars: Budúce ľudské biotopy
Mesiac a Mars sú jediné telesá v našej slnečnej sústave, kde je vedecky prijateľná krátkodobá ľudská kolonizácia. Obe majú oveľa nižšiu gravitáciu ako Zem, čo spôsobuje významné fyziologické problémy:
Svalová atrofia: Na Mesiaci (0,166 g) a Marse (0,38 g) je svalová námaha potrebná na normálny pohyb podstatne znížená. Bez protiopatrení zo zníženej nosnosti ochabujú svaly a kosti. Astronauti ISS, ktorí strávia 6 mesiacov na 0 g, stratia 1–2 % hustoty kostí za mesiac bez intenzívneho cvičenia.
Úbytok hustoty kostí: Kosti nesúce váhu (chrbtica, boky, stehenná kosť) reagujú na gravitačnú záťaž udržiavaním hustoty. Pri 0,38 g je stimul redukovaný, ale stále prítomný – očakáva sa, že Mars bude pre zdravie kostí lepší ako mikrogravitácia, ale horší ako Zem. Odhady naznačujú, že úbytok kostnej hmoty v dôsledku gravitácie Marsu môže vyžadovať dodatočné cvičenie s možnou 60% intenzitou potrebnou na ISS.
Vplyv na vývoj: Účinky čiastočnej gravitácie na vývoj plodu a detstva nie sú úplne známe. Štúdie na zvieratách v mikrogravitácii ukazujú vývojové abnormality, ale neexistujú žiadne dlhodobé štúdie čiastočnej gravitácie. Prostredie Marsu s hmotnosťou 0,38 g môže alebo nemusí podporovať normálny ľudský vývoj – to predstavuje jednu z najdôležitejších neznámych pre každú viacgeneračnú kolóniu.
Posuny tekutín: Ľudský kardiovaskulárny systém redistribuuje tekutiny vplyvom gravitácie. V prostredí s nízkou gravitáciou sa tekutiny presúvajú smerom k hornej časti tela a hlavy, čo spôsobuje opuchy tváre, upchatý nos, zmeny videnia (v dôsledku zvýšeného intrakraniálneho tlaku) a zmeny funkcie obličiek. Tieto účinky boli rozsiahle zdokumentované na ISS a boli by prítomné, ale menej závažné na úrovniach gravitácie Marsu.
Kontrast medzi 0,38 g na Marse a 1,0 g na Zemi znamená, že ľudia, ktorí strávia roky alebo desaťročia na Marse, sa môžu fyziologicky prispôsobiť gravitácii Marsu a po návrate považujú zemskú gravitáciu – domov ich predkov – za fyzicky neznesiteľnú.