ยืนบนเครื่องชั่งน้ำหนักในห้องน้ำและอ่านได้ 160 ปอนด์ ตัวเลขนั้นดูเหมือนเป็นสมบัติคงที่ของร่างกายคุณ แต่ก็ไม่ใช่ เนื่องจากเป็นผลจากการที่แรงโน้มถ่วงของโลกดึงมวลของคุณ นำร่างเดียวกันนั้นไปยังดาวอังคารและมาตราส่วนอ่านได้ 61 ปอนด์ บนดาวพฤหัสบดีอ่านได้ 405 ปอนด์ บนพื้นผิวดวงอาทิตย์ หากคุณสามารถอยู่รอด���ด้ชั่วครู่ มันจะอ่านได้ประมาณ 4,464 ปอนด์ ร่างกายของคุณไม่เปลี่ยนแปลงเลย มีเพียงแรงโน้มถ่วงเท่านั้นที่มี

น้ำหนักกับมวล: ความแตกต่างที่สำคัญ

มวลคือปริมาณของสสารในร่างกายซึ่งมีหน่วยเป็นกิโลกรัม มีความคงที่ตลอดทั้งจักรวาล คนน้ำหนัก 70 กิโลกรัมมีมวล 70 กิโลกรัมบนโลก บนดาวอังคาร ในห้วงอวกาศ และบนพื้นผิวดาวพลูโต

น้ำหนักคือแรงที่แรงโน้มถ่วงกระทำต่อมวลนั้น คำนวณเป็น:

Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)

บนโลก ความเร่งโน้มถ่วงที่พื้นผิวอยู่ที่ประมาณ 9.8 m/s² (มักเขียนเป็น 1g) คนหนัก 70 กก. มีน้ำหนัก:

Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force

เมื่อเราพูดว่าใครบางคน "หนัก 70 กิโลกรัม" เรากำลังใช้หน่วยมวลสำหรับน้ำหนักอย่างไม่เป็นทางการ ซึ่งใช้ได้ผลดีบนโลก โดยที่ g เป็นค่าคงที่ ทันทีที่คุณเดินทางไปที่อื่น ความแตกต่างก็กลายเป็นสิ่งจำเป็น

แรงโน้มถ่วงพื้นผิวของดาวเคราะห์ทุกดวง

แรงโน้มถ่วงพื้นผิวขึ้นอยู่กับมวลและรัศมีของดาวเคราะห์ มวลที่มากขึ้นจะเพิ่มแรงโน้มถ่วง รัศมีที่มากขึ้นจะลดลง (คุณอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมวลมากขึ้น) นี่คือเหตุผลว่าทำไมดาวเสาร์ถึงแม้จะมีมวลมากกว่าโลกเกือบ 100 เท่า แต่ก็มีแรงโน้มถ่วงพื้นผิวอยู่เหนือโลกเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งมีรัศมีมหาศาลเกินกว่าจะชดเชยได้

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

หมายเหตุ: ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน เป็นดาวก๊าซยักษ์ที่ไม่มีพื้นผิวแข็ง ค่า "แรงโน้มถ่วงพื้นผิว" ข้างต้นแสดงถึงแรงโน้มถ่วงที่ยอดเมฆ ซึ่งกำหนดไว้ที่ความดันบรรยากาศ 1 บาร์ คุณไม่สามารถยืนบนดาวเคราะห์เหล่านี้ได้

สูตร: น้ำหนักบนดาวเคราะห์ดวงอื่น

การแปลงนั้นตรงไปตรงมา:

Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)

หรือเทียบเท่ากัน โดยใช้อัตราส่วนความโน้มถ่วงโดยตรง:

Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio

ตัวอย่างการทำงาน — คนหนัก 70 กก. บนดาวอังคาร:

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

ตัวอย่างการทำงาน — คนหนัก 85 กก. บนดาวเนปจูน:

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

ตัวอย่างสนุกๆ: การกระโดดสูงบนดาวเคราะห์แต่ละดวง

คุณสามารถกระโดดได้สูงแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงพื้นผิวผกผัน หากคุณสามารถกระโดดได้ 0.5 เมตร (ประมาณ 20 นิ้ว) บนโลก ความพยายามของกล้ามเนื้อแบบเดียวกันนี้จะพาคุณไปสู่:

Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)

การเปรียบเทียบความสูงของการกระโดด (พื้นฐาน: การกระโดด 0.5 ม. บนพื้นโลก):

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

บนดวงจันทร์ การกระโดดในแนวตั้ง 0.5 เมตรบนพื้นโลก แปลเป็นการกระโดด 3 เมตร นักบินอวกาศ Apollo บันทึกประสบการณ์นี้ แม้จะสวมชุดอวกาศขนาดใหญ่ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่า 80 กิโลกรัม แต่พวกเขาก็กระโดดจากพื้นผิวดวงจันทร์ได้สูง 1-2 ฟุตและใช้เวลาหลายวินาทีในการลงจอด การวิ่งในชุดอวกาศกลายเป็นประสบการณ์สโลว์โมชันที่เต็มอิ่ม

ทำไมคุณถึงถูกบดขยี้บนดาวพฤหัสบดี

แรงโน้ม��่วงพื้นผิวของดาวพฤหัส 2.53 กรัมฟังดูเอาตัวรอดได้ เพราะท้ายที่สุดแล้ว นักกีฬาจะประสบกับแรงโน้มถ่วง 2–3 กรัมเป็นประจำในระหว่างทำกิจกรรมที่เข้มข้น แต่ปัจจัยหลายประการที่ทำให้ดาวพฤหัสบดีเป็นศัตรูร้ายแรง:

ไม่มีพื้นผิวแข็ง ดาวพฤหัสบดีเป็นดาวก๊าซยักษ์ เมื่อลดระดับลงสู่ชั้นบรรยากาศ ความกดดันจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ที่ระดับความลึกที่สามารถเข้าถึงได้ด้วยหัววัด ความดันจะสูงถึงบรรยากาศนับล้าน โครงสร้างทางกายภาพใดๆ ก็ตามจะถูกบดขยี้ก่อนที่จะถึงพื้นผิวใดๆ

ความกดอากาศกำลังบดขยี้ บรรยากาศของดาวพฤหัสที่ระดับบนเมฆมีความดัน 1 บาร์อยู่แล้ว ซึ่งใกล้เคียงกับระดับน้ำทะเลของโลก ลึกลงไปเพ���ยง 100 กม. แรงดันถึง 1,000 บาร์ วัสดุที่แข็งแรงพอที่จะทนต่อแรงกดดันดังกล่าวไม่มีอยู่ในโครงสร้างทางวิศวกรรม

ผลกระทบ 2.53 กรัมต่อร่างกายมนุษย์ การได้รับสาร 2.5 กรัมอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดความเครียดจากระบบหัวใจและหลอดเลือด เนื่องจากหัวใจต้องทำงานหนักขึ้นมากในการสูบฉีดเลือดขึ้นไปยังสมอง การขย��ยระยะเวลาที่ 2g+ ทำให้เกิดความดันเลือดต่ำจากการผ่าตัด หลอดเลือดหัวใจขยายตัว และหัวใจล้มเหลวในที่สุด แม้ว่าปัจจัยอื่นๆ ทั้งหมดจะถูกควบคุม แต่ปริมาณ 2.53 กรัมที่คงอยู่นั้นไม่สอดคล้องกับการอยู่อาศัยของมนุษย์ในระยะยาว

การแผ่รังสี สนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสดักจับแถบรังสีที่รุนแรงซึ่งมีพลังงานมากกว่าแถบแวนอัลเลนของโลกมาก มนุษย์ที่อยู่ในสภาพแวดล้อมการแผ่รังสีของดาวพฤหัสจะได้รับปริมาณรังสีที่อันตรายถึงชีวิตภายในไม่กี่ชั่วโมง

ดวงจันทร์และดาวอังคาร: ที่อยู่อาศัยของมนุษย์ในอนาคต

ดวงจันทร์และดาวอังคารเป็นวัตถุเพียงดวงเดียวในระบบสุริยะของเราที่การล่าอาณานิคมของมนุษย์ในระยะสั้นมีความน่าเชื่อถือทางวิทยาศาสตร์ ทั้งสองมีแรงโน้มถ่วงต่ำกว่าโลกมาก ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายทางสรีรวิทยาที่สำคัญ:

กล้ามเนื้อลีบ: บนดวงจันทร์ (0.166 กรัม) และดาวอังคาร (0.38 กรัม) ความพยายามของกล้ามเนื้อที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนไหวตามปกติจะลดลงอย่างมาก หากไม่มีมาตรการตอบโต้ กล้ามเนื้อและกระดูกจะอ่อนแอลงจากการแบกรับน้ำหนักที่ลดลง นักบินอวกาศของ ISS ที่ใช้เวลา 6 เดือนที่ 0g จะสูญเสียความหนาแน่นของกระดูก 1–2% ต่อเดือนโดยไม่ต้องออกกำลังกายอย่างเข้มข้น

การสูญเสียความหนาแน่นของกระดูก: กระดูกที่รับน้ำหนัก (กระดูกสันหลัง สะโพก กระดูกโคนขา) ตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงโดยรักษาความหนาแน่นไว้ ที่ 0.38 กรัม สิ่งกระตุ้นจะลดลงแต่ยังคงมีอยู่ โดยคาดว่าดาวอังคารจะมีสุขภาพกระดูกดีกว่าสภาวะไร้น้ำหนัก แต่แย่กว่าโลก การประมาณการชี้ให้เห็นว่าการสูญเสียมวลกระดูกจากแรงโน้มถ่วงของดาวอังคารอาจต้องออกกำลังกายเสริมที่อาจจะ 60% ของความเข้มข้นที่จำเป็นใน ISS

ผลต่อพัฒนาการ: ยังไม่ทราบแน่ชัดถึงผลกระทบของแรงโน้มถ่วงบางส่วนต่อพัฒนาการของทารกในครรภ์และวัยเด็ก การศึกษาในสัตว์ทดลองในภาวะไร้น้ำหนักขนาดเล็กแสดงให้เห็นถึงพัฒนาการที่ผิดปกติ แต่ไม่มีการศึกษาเรื่องแรงโน้มถ่วงบางส่วนในระยะยาว สภาพแวดล้อมบนดาวอังคารน้ำหนัก 0.38 กรัม อาจมีหรืออาจไม่สนับสนุนการพัฒนาของมนุษย์ตามปกติ นี่ถือเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่ไม่ท���าบแน่ชัดสำหรับอาณานิคมหลายชั่วอายุคน

การเปลี่ยนแปลงของของไหล: ระบบหัวใจและหลอดเลือดของมนุษย์จะกระจายของเหลวใหม่ภายใต้แรงโน้มถ่วง ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วงต่ำ ของเหลวจะเคลื่อนไปทางร่างกายส่วนบนและศีรษะ ทำให้เกิดอาการบวมบนใบหน้า อาการคัดจมูก การมองเห็นเปลี่ยนแปลง (เนื่องจากความดันในกะโหลกศีรษะเพิ่มขึ้น) และการเปลี่ยนแปลงการทำงานของไต ผลกระทบเหล่านี้ได้รับการบันทึกไว้อย่างกว้างขวางบนสถานีอวกาศนานาชาติ และจะเกิดขึ้นแต่จะรุนแรงน้อยกว่าในระดับแรงโน้มถ่วงของดาวอังคาร

ความแตกต่างระหว่าง 0.38 กรัมบนดาวอังคารและ 1.0 กรัมบนโลกหมายความว่ามนุษย์ที่ใช้เวลาหลายปีหรือหลายทศวรรษบนดาวอังคารอาจปรับตัวทางสรีรวิทยาให้เข้ากับแรงโน้มถ่วงของดาวอังคาร และพบว่าแรงโน้มถ่วงของโลกซึ่งเป็นบ้านบรรพบุรุษของพวกเขานั้น ไม่สามารถทนทานทางกายภาพได้เมื่อกลับมา