Stań na wadze łazienkowej, a wyświetli się 160 funtów. Liczba ta wydaje się stałą właściwością Twojego ciała, ale tak nie jest – jest to wynik ziemskiej grawitacji przyciągającej Twoją masę. Zabierz to samo ciało na Marsa, a waga wskaże 61 funtów. Na Jowiszu wynosi 405 funtów. Gdybyś mógł przeżyć chwilę na powierzchni Słońca, odczytałby około 4464 funtów. Twoje ciało w ogóle się nie zmieniło. Ma ją tylko grawitacja.
Waga a masa: kluczowa różnica
Masa to ilość materii w organizmie, mierzona w kilogramach. Jest ona stała w całym wszechświecie. Osoba o masie 70 kg ma 70 kg masy na Ziemi, na Marsie, w przestrzeni kosmicznej i na powierzchni Plutona.
Ciężar to siła, jaką grawitacja wywiera na tę masę. Oblicza się go następująco:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
Na Ziemi przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni wynosi około 9,8 m/s² (często zapisywane jako 1 g). Osoba o masie 70 kg waży:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Kiedy mówimy, że ktoś „waży 70 kg”, nieformalnie używamy jednostek masy do określenia masy – co dobrze sprawdza się na Ziemi, gdzie g jest stałe. W momencie, gdy podróżujesz gdzie indziej, rozróżnienie staje się istotne.
Grawitacja powierzchniowa każdej planety
Grawitacja powierzchniowa zależy od masy i promienia planety. Większa masa zwiększa grawitację; większy promień zmniejsza go (jesteś dalej od środka masy). To dlatego Saturn, mimo że jest prawie 100 razy masywniejszy od Ziemi, ma grawitację powierzchniową tylko nieco większą od ziemskiej – jego ogromny promień z nawiązką to rekompensuje.
| 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 |
Uwaga: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun to gazowe olbrzymy nieposiadające stałej powierzchni. Powyższe wartości „ciężaru powierzchniowego” reprezentują grawitację na szczytach chmur, określoną przy ciśnieniu atmosferycznym 1 bar. Nie można było stanąć na tych planetach.
Formuła: Waga na innej planecie
Konwersja jest prosta:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Lub równoważnie, używając bezpośrednio współczynnika grawitacji:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Przykład praktyczny — osoba o masie 70 kg na Marsie:
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
Przykład praktyczny — osoba o masie 85 kg na Neptunie:
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
Zabawne przykłady: Wysokość skoków na każdej planecie
To, jak wysoko możesz skoczyć, zależy odwrotnie od grawitacji powierzchniowej. Jeśli potrafisz skoczyć na Ziemię na odległość 0,5 metra (około 20 cali), ten sam wysiłek mięśni powoduje:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
Porównanie wysokości skoku (punkt bazowy: skok na Ziemię z wysokości 0,5 m):
| 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 Księżycu skok pionowy na Ziemi o długości 0,5 m przekłada się na skok o 3 metry. Astronauci programu Apollo udokumentowali to doświadczenie — pomimo noszenia nieporęcznych skafandrów kosmicznych zwiększających masę o ponad 80 kg, mogli z łatwością skoczyć na wysokość 3–2 stóp nad powierzchnię Księżyca i wylądować w ciągu kilku sekund. Bieganie w skafandrze kosmicznym stało się niesamowitym przeżyciem w zwolnionym tempie.
Dlaczego zostałbyś zmiażdżony na Jowiszu
Ciężar powierzchniowy Jowisza wynoszący 2,53 g wydaje się możliwy do przeżycia — w końcu sportowcy rutynowo doświadczają obciążenia 2–3 g podczas intensywnej aktywności. Ale kilka czynników sprawia, że Jowisz jest śmiertelnie wrogi:
Brak stałej powierzchni. Jowisz jest gazowym olbrzymem. Opadając do atmosfery, ciśnienie wzrasta wykładniczo. Na głębokościach osiągalnych przez sondę ciśnienie sięga milionów atmosfer. Każda struktura fizyczna zostanie zmiażdżona, zanim dotrze do jakiejkolwiek powierzchni.
Miażdżące ciśnienie atmosferyczne. Atmosfera Jowisza na poziomie chmur ma już ciśnienie 1 bara — podobne do poziomu morza na Ziemi. Zaledwie 100 km głębiej ciśnienie sięga 1000 barów. W konstrukcjach inżynieryjnych nie ma materiałów wystarczająco wytrzymałych, aby wytrzymać takie ciśnienie.
2,53 g wpływu na organizm ludzki. Długotrwała ekspozycja na 2,5 g powoduje obciążenie układu sercowo-naczyniowego, ponieważ serce musi pracować znacznie ciężej, aby pompować krew do mózgu. Długotrwałe stosowanie dawki 2 g+ prowadzi do niedociśnienia ortostatycznego, powiększenia układu sercowo-naczyniowego i ostatecznie niewydolności serca. Nawet jeśli wszystkie inne czynniki były kontrolowane, utrzymujące się na poziomie 2,53 g jest nie do pogodzenia z długotrwałym zamieszkiwaniem ludzi.
Promieniowanie. Pole magnetyczne Jowisza wychwytuje pasy intensywnego promieniowania, o wiele bardziej energetyczne niż ziemskie pasy Van Allena. Człowiek znajdujący się w środowisku radiacyjnym Jowisza otrzymałby śmiertelną dawkę w ciągu kilku godzin.
Księżyc i Mars: przyszłe siedliska ludzkie
Księżyc i Mars to jedyne ciała w naszym Układzie Słonecznym, w przypadku których niedaleka kolonizacja człowieka jest naukowo wiarygodna. Obie mają znacznie niższą grawitację niż Ziemia, co stwarza poważne wyzwania fizjologiczne:
Zanik mięśni: Na Księżycu (0,166 g) i Marsie (0,38 g) wysiłek mięśni wymagany do normalnego ruchu jest znacznie zmniejszony. Bez środków zaradczych mięśnie i kości osłabną z powodu zmniejszonej nośności. Astronauci ISS spędzający 6 miesięcy na dawce 0 g tracą 1–2% gęstości kości miesięcznie bez intensywnych ćwiczeń.
Utrata gęstości kości: Kości przenoszące obciążenie (kręgosłup, biodra, kość udowa) reagują na obciążenie grawitacyjne, utrzymując gęstość. Przy masie 0,38 g bodziec jest zmniejszony, ale nadal obecny — oczekuje się, że Mars będzie lepszy dla zdrowia kości niż mikrograwitacja, ale gorszy niż Ziemia. Szacunki sugerują, że utrata masy kostnej pod wpływem grawitacji Marsa może wymagać dodatkowych ćwiczeń o intensywności około 60% wymaganej na ISS.
Wpływ na rozwój: Wpływ częściowej grawitacji na rozwój płodu i dziecka jest całkowicie nieznany. Badania na zwierzętach w zakresie mikrograwitacji wykazują nieprawidłowości rozwojowe, ale nie istnieją długoterminowe badania dotyczące częściowej grawitacji. Środowisko Marsa o masie 0,38 g może, ale nie musi, sprzyjać normalnemu rozwojowi człowieka — to jedna z najważniejszych niewiadomych dla każdej wielopokoleniowej kolonii.
Przemiany płynów: Układ sercowo-naczyniowy człowieka rozprowadza płyny pod wpływem grawitacji. W środowiskach o niskiej grawitacji płyny przesuwają się w kierunku górnej części ciała i głowy, powodując obrzęk twarzy, przekrwienie nosa, zmiany widzenia (z powodu zwiększonego ciśnienia wewnątrzczaszkowego) i zmiany w funkcjonowaniu nerek. Efekty te zostały obszernie udokumentowane na ISS i byłyby obecne, ale mniej dotkliwe na marsjańskich poziomach grawitacji.
Kontrast pomiędzy 0,38 g na Marsie i 1,0 g na Ziemi oznacza, że ludzie, którzy spędzają lata lub dziesięciolecia na Marsie, mogą fizjologicznie przystosować się do marsjańskiej grawitacji, a po powrocie uznają grawitację Ziemi – ich ojczyznę przodków – fizycznie nie do zniesienia.