Đứng trên cân phòng tắm và nó ghi là 160 pound. Con số đó có vẻ giống như một thuộc tính cố định của cơ thể bạn, nhưng thực tế không phải vậy - đó là kết quả của lực hấp dẫn của Trái đất kéo khối lượng của bạn. Đưa cơ thể đó lên sao Hỏa và cân nặng 61 pound. Trên sao Mộc nó ghi là 405 pound. Trên bề mặt Mặt trời, nếu bạn có thể sống sót trong giây lát, nó sẽ nặng khoảng 4.464 pound. Cơ thể bạn không hề thay đổi chút nào. Chỉ có trọng lực mới có.
Trọng lượng và khối lượng: Sự khác biệt chính
Khối lượng là lượng vật chất trong cơ thể bạn, được đo bằng kilogam. Nó không đổi trong toàn bộ vũ trụ. Một người nặng 70 kg có khối lượng 70 kg trên Trái đất, trên Sao Hỏa, trong không gian sâu thẳm và trên bề mặt Sao Diêm Vương.
Trọng lượng là lực mà trọng lực tác dụng lên khối lượng đó. Nó được tính như sau:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
Trên Trái đất, gia tốc trọng trường ở bề mặt là khoảng 9,8 m/s2 (thường được viết là 1g). Một người nặng 70 kg nặng:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Khi chúng ta nói ai đó "nặng 70 kg", chúng ta đang sử dụng đơn vị khối lượng cho trọng lượng một cách không chính thức - đơn vị này hoạt động tốt trên Trái đất, trong đó g không đổi. Thời điểm bạn đi du lịch nơi khác, sự khác biệt trở nên cần thiết.
Lực hấp dẫn bề mặt của mọi hành tinh
Lực hấp dẫn bề mặt phụ thuộc vào khối lượng và bán kính của hành tinh. Khối lượng lớn hơn làm tăng trọng lực; bán kính lớn hơn sẽ làm giảm nó (bạn ở xa tâm khối hơn). Đây là lý do tại sao Sao Thổ, mặc dù nặng hơn Trái đất gần 100 lần, nhưng lại có lực hấp dẫn bề mặt chỉ cao hơn Trái đất một chút - bán kính khổng lồ của nó lớn hơn mức bù đắp.
| 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 |
Lưu ý: Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương là những hành tinh khí khổng lồ không có bề mặt rắn. Các giá trị "trọng lực bề mặt" ở trên biểu thị trọng lực ở đỉnh mây, được xác định ở áp suất khí quyển 1 bar. Bạn không thể đứng trên những hành tinh này.
Công thức: Trọng lượng trên hành tinh khác
Việc chuyển đổi rất đơn giản:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Hoặc tương đương, sử dụng tỷ lệ hấp dẫn trực tiếp:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Ví dụ thực tế — người nặng 70 kg trên sao Hỏa:
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
Ví dụ đã hoạt động — người nặng 85 kg trên Sao Hải Vương:
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
Ví dụ thú vị: Nhảy độ cao trên mỗi hành tinh
Bạn có thể nhảy cao bao nhiêu phụ thuộc nghịch đảo vào trọng lực bề mặt. Nếu bạn có thể nhảy 0,5 mét (khoảng 20 inch) trên Trái đất, nỗ lực cơ bắp tương tự sẽ đưa bạn đến:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
So sánh chiều cao bước nhảy (đường cơ sở: bước nhảy 0,5m trên Trái đất):
| 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 |
Trên Mặt trăng, cú nhảy thẳng đứng 0,5m trên Trái đất sẽ tương đương với bước nhảy 3 mét. Các phi hành gia Apollo đã ghi lại trải nghiệm này - mặc dù mặc những bộ đồ vũ trụ cồng kềnh có khối lượng hơn 80 kg, họ có thể dễ dàng nhảy cách bề mặt mặt trăng từ 1–2 feet và mất vài giây để hạ cánh. Chạy trong bộ đồ du hành vũ trụ đã trở thành một trải nghiệm chuyển động chậm và có giới hạn.
Tại sao bạn lại bị nghiền nát trên Sao Mộc
Trọng lực bề mặt của Sao Mộc là 2,53g nghe có vẻ có thể sống sót được - xét cho cùng, các vận động viên thường xuyên chịu được 2–3g khi hoạt động cường độ cao. Nhưng một số yếu tố phức hợp khiến Sao Mộc trở nên thù địch đến chết người:
Không có bề mặt rắn. Sao Mộc là một hành tinh khí khổng lồ. Đi xuống bầu khí quyển của nó, áp suất tăng theo cấp số nhân. Ở độ sâu mà tàu thăm dò có thể tiếp cận, áp suất lên tới hàng triệu atm. Bất kỳ cấu trúc vật lý nào cũng sẽ bị nghiền nát trước khi chạm tới bất kỳ bề mặt nào.
Áp suất khí quyển cực lớn. Bầu khí quyển của Sao Mộc ở tầng trên cùng của đám mây đã có áp suất 1 bar — tương tự như mực nước biển của Trái đất. Chỉ cần đi sâu hơn 100 km, áp suất lên tới 1.000 bar. Vật liệu đủ mạnh để chịu được áp lực như vậy không tồn tại trong các cấu trúc được thiết kế kỹ thuật.
Tác động c���a 2,53g lên cơ thể con người. Tiếp xúc liên tục với 2,5g gây căng thẳng tim mạch vì tim phải làm việc nhiều hơn để bơm máu lên não. Thời gian sử dụng liều 2g+ kéo dài dẫn đến hạ huyết áp thế đứng, phì đại tim mạch và cuối cùng là suy tim. Ngay cả khi tất cả các yếu tố khác đã được kiểm soát, mức 2,53g duy trì liên tục cũng không phù hợp với nơi cư trú lâu dài của con người.
Bức xạ. Từ trường của Sao Mộc bẫy các vành đai bức xạ cường độ mạnh hơn nhiều so với vành đai Van Allen của Trái đất. Con người ở trong môi trường bức xạ của Sao Mộc sẽ nhận được liều gây chết người trong vòng vài giờ.
Mặt trăng và sao Hỏa: Môi trường sống của con người trong tương lai
Mặt Trăng và Sao Hỏa là những thiên thể duy nhất trong hệ mặt trời của chúng ta nơi con người có thể định cư trong thời gian ngắn là hợp lý về mặt khoa học. Cả hai đều có lực hấp dẫn thấp hơn nhiều so với Trái đất, điều này tạo ra những thách thức sinh lý đáng kể:
Teo cơ: Trên Mặt trăng (0,166g) và Sao Hỏa (0,38g), nỗ lực cơ bắp cần thiết cho chuyển động bình thường giảm đi đáng kể. Nếu không có biện pháp đối phó, cơ và xương sẽ yếu đi do giảm khả năng chịu tải. Các phi hành gia ISS dành 6 tháng ở mức 0g sẽ mất 1–2% mật độ xương mỗi tháng nếu không có chế độ tập luyện chuyên sâu.
Mất mật độ xương: Các xương chịu trọng lượng (cột sống, hông, xương đùi) phản ứng với tải trọng hấp dẫn bằng cách duy trì mật độ. Ở mức 0,38g, kích thích đã giảm nhưng vẫn tồn tại - Sao Hỏa được cho là sẽ tốt hơn cho sức khỏe của xương so với vi trọng lực nhưng lại tệ hơn Trái đất. Các ước tính cho thấy tình trạng mất xương do trọng lực trên sao Hỏa có thể cần phải tập thể dục bổ sung ở mức khoảng 60% cường độ cần thiết trên ISS.
Tác động lên sự phát triển: Tác động của trọng lực một phần lên sự phát triển của thai nhi và thời thơ ấu hoàn toàn chưa được biết đến. Các nghiên cứu trên động vật trong môi trường vi trọng lực cho thấy những bất thường về phát triển, nhưng không có nghiên cứu dài hạn về trọng lực một phần nào tồn tại. Môi trường 0,38g của Sao Hỏa có thể hỗ trợ hoặc không hỗ trợ sự phát triển bình thường của con người - điều này thể hiện một trong những ẩn số quan trọng nhất đối với bất kỳ thuộc địa nhiều thế hệ nào.
Sự dịch chuyển chất lỏng: Hệ thống tim mạch của con người phân phối lại chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực. Trong môi trường trọng lực thấp, chất lỏng di chuyển về phía trên cơ thể và đầu, gây bọng mặt, nghẹt mũi, thay đổi thị lực (do tăng áp lực nội sọ) và thay đổi chức năng thận. Những hiệu ứng này đã được ghi nhận rộng rãi trên ISS và sẽ xuất hiện nhưng ít nghiêm trọng hơn ở mức độ hấp dẫn của sao Hỏa.
Sự tương phản giữa 0,38g trên Sao Hỏa và 1,0g trên Trái đất có nghĩa là con người dành nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ trên Sao Hỏa có thể trở nên thích nghi về mặt sinh lý với lực hấp dẫn của Sao Hỏa và nhận thấy lực hấp dẫn của Trái đất - ngôi nhà tổ tiên của họ - về mặt vật lý là không thể chịu đựng được.