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