Встаньте на весы в ванной, и они покажут 160 фунтов. Это число кажется фиксированным свойством вашего тела, но это не так — это результат гравитации Земли, притягивающей вашу массу. Отнесите это же тело на Марс, и весы покажут 61 фунт. На Юпитере он составляет 405 фунтов. На поверхности Солнца, если бы вы смогли выжить хотя бы на мгновение, его вес составил бы примерно 4464 фунта. Ваше тело совсем не изменилось. Имеет значение только гравитация.
Вес и масса: ключевое отличие
Масса — это количество вещества в вашем теле, измеряемое в килограммах. Оно постоянно во всей Вселенной. Человек весом 70 кг имеет массу 70 кг на Земле, на Марсе, в глубоком космосе и на поверхности Плутона.
Вес — это сила, с которой гравитация воздействует на эту массу. Он рассчитывается как:
Weight (N) = Mass (kg) × Gravitational acceleration (m/s²)
На Земле ускорение свободного падения у поверхности составляет примерно 9,8 м/с² (часто обозначается как 1g). Человек массой 70 кг весит:
Weight = 70 kg × 9.8 m/s² = 686 Newtons = 70 kg-force
Когда мы говорим, что кто-то «весит 70 кг», мы неформально используем единицы массы для обозначения веса, что отлично работает на Земле, где g является постоянной величиной. В тот момент, когда вы путешествуете куда-либо, различие становится существенным.
Поверхностная гравитация каждой планеты
Поверхностная гравитация зависит от массы и радиуса планеты. Большая масса увеличивает гравитацию; больший радиус уменьшает его (вы дальше от центра масс). Вот почему Сатурн, несмотря на то, что он почти в 100 раз массивнее Земли, имеет поверхностную гравитацию лишь немного выше земной — его огромный радиус более чем компенсирует это.
| 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 |
Примечание. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — газовые гиганты без твердой поверхности. Приведенные выше значения «поверхностной гравитации» представляют собой силу тяжести на вершинах облаков, определенную при атмосферном давлении 1 бар. Вы не могли бы стоять на этих планетах.
Формула: вес на другой планете
Преобразование простое:
Weight_planet = Weight_Earth × (g_planet / g_Earth)
Или, что то же самое, напрямую используя коэффициент гравитации:
Weight_planet (kg) = Mass (kg) × g_planet_ratio
Работающий пример — человек массой 70 кг на Марсе:
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
Работающий пример — человек массой 85 кг на Нептуне:
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
Забавные примеры: прыжки в высоту на каждой планете
Насколько высоко вы сможете прыгнуть, обратно пропорционально зависит от силы тяжести на поверхности. Если вы можете прыгнуть на 0,5 метра (около 20 дюймов) на Земле, то же самое мышечное усилие позволит вам:
Jump height on planet = Jump height on Earth × (g_Earth / g_planet)
Сравнение высоты прыжка (базовый уровень: прыжок на 0,5 м на Земле):
| 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 Луне вертикальный прыжок на 0,5 метра на Земле означает прыжок на 3 метра. Астронавты Аполлона задокументировали этот опыт: несмотря на то, что они были одеты в громоздкие скафандры, добавлявшие более 80 кг массы, они могли легко подпрыгнуть на 1–2 фута от поверхности Луны и приземлиться за несколько секунд. Бег в скафандре превратился в захватывающее, замедленное занятие.
Почему вас раздавит Юпитер
Поверхностная гравитация Юпитера в 2,53g кажется вполне приемлемой — в конце концов, спортсмены обычно испытывают 2–3g во время интенсивной деятельности. Но несколько сложных факторов делают Юпитер смертельно враждебным:
Твердой поверхности нет. Юпитер — газовый гигант. Спускаясь в его атмосферу, давление возрастает в геометрической прогрессии. На глубинах, достижимых зондом, давление достигает миллионов атмосфер. Люба�� физическая структура будет разрушена, не достигнув какой-либо поверхности.
Сокрушительное атмосферное давление. Атмосфера Юпитера на уровне верхних облаков уже имеет давление в 1 бар — аналогично уровню моря на Земле. Всего на 100 км глубже давление достигает 1000 бар. В инженерных конструкциях не существует материалов, достаточно прочных, чтобы выдержать такое давление.
Воздействие 2,53 г на организм человека. Длительное воздействие 2,5 г вызывает нагрузку на сердечно-сосудистую систему, поскольку сердцу приходится работать гораздо усерднее, чтобы перекачивать кровь вверх к мозгу. Длительные периоды приема 2 г+ приводят к ортостатической гипотензии, увеличению сердечно-сосудистой системы и, в конечном итоге, к сердечной недостаточности. Даже если бы все остальные факторы контролировались, устойчивое воздействие 2,53g несовместимо с длительным проживанием человек��.
Радиация. Магнитное поле Юпитера захватывает интенсивные радиационные пояса, гораздо более энергичные, чем пояса Ван Аллена на Земле. Человек, находящийся в радиационной среде Юпитера, получит смертельную дозу в течение нескольких часов.
Луна и Марс: будущие места обитания человека
Луна и Марс — единственные тела в нашей солнечной системе, где краткосрочная колонизация человека является научно обоснованной. Оба имеют гораздо более низкую гравитацию, чем Земля, что создает серьезные физиологические проблемы:
Атрофия мышц. На Луне (0,166 г) и Марсе (0,38 г) мышечные усилия, необходимые для нормального движения, существенно снижаются. Без контрмер мышцы и кости ослабевают из-за снижения нагрузки. Астронавты МКС, проводящие 6 месяцев при 0 г, теряют 1–2% плотности костей в месяц без интенсивных режимов тренировок.
Потеря плотности костей. Кости, несущие вес (позвоночник, бедра, бедренная кость), реагируют на гравитационную нагрузку, сохраняя плотность. При 0,38g стимул уменьшается, но все еще присутствует — ожидается, что Марс будет лучше для здоровья костей, чем микрогравитация, но хуже, чем Земля. По оценкам, потеря костной массы под действием гравитации Марса может потребовать дополнительных упражнений с интенсивностью, возможно, 60% от той, которая требуется на МКС.
Влияние на развитие: Влияние частичной гравитации на развитие плода и ребенка совершенно неизвестно. Исследования на животных в условиях микрогравитации показывают отклонения в развитии, но долгосрочных исследований в условиях частичной гравитации не существует. Среда Марса с массой 0,38 г может поддерживать, а может и не поддерживать нормальное развитие человека — это одно из самых важных неизвестных для любой колонии, состоящей из нескольких поколений.
Сдвиг жидкости. Сердечно-сосудистая система человека перераспределяет жидкости под действием силы тяжести. В условиях низкой гравитации жидкости смещаются к верхней части тела и голове, вызывая отечность лица, заложенность носа, изменения зрения (из-за по��ышения внутричерепного давления) и изменения функции почек. Эти эффекты были подробно задокументированы на МКС и будут присутствовать, но менее серьезными на марсианских уровнях гравитации.
Контраст между 0,38 г на Марсе и 1,0 г на Земле означает, что люди, которые проводят годы или десятилетия на Марсе, могут физиологически адаптироваться к марсианской гравитации и по возвращении обнаружить, что гравитация Земли — их прародины — физически невыносима.