Встаньте на ваги для ванної кімнати, і вони покажуть 160 фунтів. Це число здається фіксованою властивістю вашого тіла, але це не так — це результат дії земного тяжіння на вашу масу. Віднесіть те саме тіло на Марс, і ваги покажуть 61 фунт. На Юпітері він показує 405 фунтів. На поверхні Сонця, якби ви змогли вижити на мить, це було б приблизно 4464 фунтів. Ваше тіло зовсім не змінилося. Тільки гравітація має.
Вага проти маси: ключова різниця
Маса — це кількість речовини у вашому тілі, виміряна в кілограмах. Він постійний у всьому Всесвіті. Людина вагою 70 кг має 70 кг маси на Землі, на Марсі, у глибокому космосі та на поверхні Плутона.
Вага - це сила, з якою гравітація діє на цю масу. Він розраховується як:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
На Землі гравітаційне прискорення на поверхні становить приблизно 9,8 м/с² (часто записується як 1g). Людина масою 70 кг важить:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Кол�� ми говоримо, що хтось «важить 70 кг», ми неофіційно використовуємо одиниці маси для ваги — це добре працює на Землі, де g є константою. У той момент, коли ви подорожуєте в інше місце, відмінність стає важливою.
Поверхневе тяжіння кожної планети
Поверхневе тяжіння залежить від маси та радіуса планети. Більша маса збільшує силу тяжіння; більший радіус зменшує його (ви знаходитесь далі від центру мас). Ось чому Сатурн, незважаючи на те, що майже в 100 разів масивніший за Землю, має поверхневу гравітацію лише трохи вище земної — його величезний радіус з лишком компенсує це.
| 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 |
Примітка: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — газові гіганти без твердої поверхні. Наведені вище значення «поверхневої сили тяжіння» представляють силу тяжіння на вершинах хмар, визначену за 1 бар атмосферного тиску. Ти не міг стояти на цих планетах.
Формула: вага на іншій планеті
Перетворення є простим:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Або еквівалентно, безпосередньо використовуючи гравітаційне співвіднош��ння:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Робочий приклад — 70-кілограмова людина на Марсі:
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
Робочий приклад — людина вагою 85 кг на Нептуні:
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
Цікаві приклади: стрибки у висоту на кожній планеті
Наскільки високо ви можете стрибнути, залежить обернено від сили тяжіння. Якщо ви можете стрибнути на 0,5 метра (приблизно 20 дюймів) на Землі, те саме м’язове зусилля приведе вас до:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
Порівняння висоти стрибка (базова лінія: стрибок 0,5 м на Землі):
| 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 Місяці вертикальний стрибок на 0,5 м на Землі перетворюється на 3-метровий стрибок. Астронавти Аполлона задокументували цей досвід — незважаючи на те, що вони носили громіздкі скафандри, які додавали маси на 80+ кг, вони могли легко стрибнути на 1–2 фути з поверхні Місяця та приземлитися за кілька секунд. Біг у скафандрі став стрімким уповільненим досвідом.
Чому вас розчавлять на Юпітері
Поверхнева гравітація Юпітера в 2,53 г звучить цілком допустимо — адже спортсмени регулярно відчувають 2–3 г під час інтенсивної діяльності. Але кілька додаткових факторів роблять Юпітер смертельно ворожим:
Немає твердої поверхні. Юпітер — газовий гігант. Опускаючись в його атмосферу, тиск зростає експоненціально. На глибинах, доступних зонду, тиск досягає мільйонів атмосфер. Будь-яка фізична структура буде розчавлена, перш ніж досягне будь-якої поверхні.
Приголомшливий атмосферни�� тиск. Атмосфера Юпітера на рівні хмар уже має тиск 1 бар — подібно до рівня моря на Землі. Лише на 100 км глибше тиск досягає 1000 бар. Матеріали, достатньо міцні, щоб витримати такий тиск, не існують в інженерних конструкціях.
Ефект 2,53 г на організм людини. Тривалий вплив 2,5 г спричиняє навантаження на серцево-судинну систему, оскільки серце має працювати набагато інтенсивніше, щоб перекачувати кров до мозку. Тривалі періоди прийому 2 г+ призводять до ортостатичної гіпотензії, розширення серцево-судинної системи та, зрештою, серцевої недостатності. Навіть якби всі інші фактори були під контролем, тривалий рівень 2,53 г несумісний із тривалим перебуванням людини.
Радіація. Магнітне поле Юпітера захоплює інтенсивні радіаційн�� пояси, набагато більші за енергію, ніж земні пояси Ван Аллена. Людина в радіаційному середовищі Юпітера отримає смертельну дозу протягом декількох годин.
Місяць і Марс: Майбутнє середовище існування людини
Місяць і Марс є єдиними тілами в нашій Сонячній системі, де найближча колонізація людини науково вірогідна. Обидва мають набагато нижчу гравітацію, ніж Земля, що створює значні фізіологічні проблеми:
Атрофія м’язів: На Місяці (0,166 г) і Марсі (0,38 г) м’язове зусилля, необхідне для нормального руху, суттєво зменшено. Без контрзаходів м’язи та кістки слабшають через зниження навантаження. Астронавти МКС, які витрачають 6 місяців на 0 г, втрачають 1–2% щільності кісткової тканини на місяць без інтенсивних тренувань.
Втрата щільності кісток: Кістки, що несуть вагу (хребет, стегна, стегнова кістка), реагують на гравітаційне навантаження, зберігаючи щільність. При 0,38 г стимул зменшується, але все ще присутній — очікується, що Марс буде кращим для здоров’я кісток, ніж мікрогравітація, але гіршим, ніж Земля. Оцінки свідчать про те, що втрата кісткової маси під час гравітації Марса може вимагати додаткових вправ з інтенсивністю, можливо, 60% від інтенсивності, необхідної на МКС.
Вплив на розвиток: Вплив часткової гравітації на розвиток плода та дитинства абсолютно невідомий. Дослідження тварин в умовах мікрогравітації показують аномалії розвитку, але довготривалих досліджень часткової гравітації не існує. Навколишнє середовище Марса вагою 0,38 г може підтримувати або не підтримувати нормальний розвиток людини — це одна з найважливіших невідомих для будь-якої колонії з кількома поколіннями.
**Зміщення рідини: ** Серцево-судинна система людини перерозподіляє рідину під дією сили тяжіння. У середовищах із низькою гравітацією рідини переміщуються до верхньої частини тіла та голови, викликаючи набряклість обличчя, закладеність носа, зміни зору (через підвищення внутрішньочерепного тиску) та зміни функції нирок. Ці ефекти були детально задокументовані на МКС і були б присутні, але менш серйозні на рівнях марсіанської гравітації.
Контраст між 0,38 г на Марсі та 1,0 г на Землі означає, що люди, які проводять роки чи десятиліття на Марсі, можуть стати фізіологічно адаптованими до марсіанської гравітації та вважати земне тяжіння — їх прабатьківщину — фізично нестерпним після повернення.