Zwaartekracht is een fundamentele kracht van de natuurkunde, een aard die wij aardbewoners als vanzelfsprekend beschouwen. Je kunt ons niet echt de schuld geven. Na in de loop van miljarden jaren te zijn geëvolueerd in de omgeving van de aarde, zijn we gewend te leven met de aantrekkingskracht van een stabiele 1 g (of 9,8 m / s²). Maar voor degenen die de ruimte in zijn gegaan of voet op de maan hebben gezet, is de zwaartekracht een zeer zwak en kostbaar iets.
In wezen is de zwaartekracht afhankelijk van massa, waar alle dingen - van sterren, planeten en sterrenstelsels tot licht en subatomaire deeltjes - tot elkaar worden aangetrokken. Afhankelijk van de grootte, massa en dichtheid van het object, varieert de zwaartekracht die het uitoefent. En als het gaat om de planeten van ons zonnestelsel, die variëren in grootte en massa, varieert de zwaartekracht op hun oppervlakken aanzienlijk.
Zo is de zwaartekracht van de aarde, zoals reeds vermeld, gelijk aan 9,80665 m / s² (of 32,174 ft / s²). Dit betekent dat een object, indien het boven de grond wordt gehouden en wordt losgelaten, met een snelheid van ongeveer 9,8 meter per seconde vrije val naar het oppervlak zal accelereren. Dit is de standaard voor het meten van de zwaartekracht op andere planeten, die ook wordt uitgedrukt als een enkele g.
Overeenkomstig de wet van universele gravitatie van Isaac Newton kan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht tussen twee lichamen wiskundig worden uitgedrukt als F = G (m¹m² / r²) - waarF is de kracht, m1 en m2 zijn de massa's van de objecten die op elkaar inwerken, r is de afstand tussen de middelpunten van de massa's en G is de zwaartekrachtconstante (6.674 × 10-11 N m2/kg2 ).
Op basis van hun afmetingen en massa's wordt de zwaartekracht op een andere planeet vaak uitgedrukt in termen van g eenheden, evenals in termen van de snelheid van vrije valversnelling. Dus hoe stapelen de planeten van ons zonnestelsel zich precies op qua zwaartekracht in vergelijking met de aarde? Zoals dit:
Zwaartekracht op Mercurius:
Met een gemiddelde straal van ongeveer 2.440 km en een massa van 3,30 × 1023 kg, Mercurius is ongeveer 0,383 keer zo groot als de aarde en slechts 0,055 zo groot. Dit maakt Mercurius de kleinste en minst massieve planeet in het zonnestelsel. Dankzij de hoge dichtheid - een robuuste 5.427 g / cm3, wat net iets lager is dan de aarde van 5.514 g / cm3 - Mercurius heeft een oppervlakte-zwaartekracht van 3,7 m / s², wat overeenkomt met 0,38 g.
Zwaartekracht op Venus:
Venus lijkt in veel opzichten op de aarde, daarom wordt het vaak de 'tweeling van de aarde' genoemd. Met een gemiddelde straal van 4,6023 × 108 km2, een massa van 4,8675 x 1024 kg en een dichtheid van 5,243 g / cm3Venus is in grootte equivalent aan 0.9499 aardes, 0,815 keer zo groot en ongeveer 0,95 keer zo dicht. Daarom is het geen verrassing waarom de zwaartekracht op Venus heel dicht bij die van de aarde ligt - 8,87 m / s2of 0.904 g.
Zwaartekracht op de maan:
Dit is een astronomisch lichaam waar mensen de effecten van verminderde zwaartekracht persoonlijk hebben kunnen testen. Berekeningen op basis van de gemiddelde straal (1737 km), massa (7,3477 x 10²² kg) en dichtheid (3,3464 g / cm³) en de missies van de Apollo-astronauten, de zwaartekracht op de maan is gemeten op 1,62 m / s2 of 0,1654 g.
Zwaartekracht op Mars:
Mars lijkt in veel opzichten ook op de aarde. Maar als het gaat om grootte, massa en dichtheid, is Mars relatief klein. In feite is de gemiddelde straal van 3,389 km het equivalent van ongeveer 0,53 aardes, terwijl de massa (6,4171 × 1023 kg) is slechts 0,107 aardes. Ondertussen is de dichtheid ongeveer o.71 van de aarde, met een relatief bescheiden 3,93 g / cm³. Hierdoor heeft Mars 0,38 keer de zwaartekracht van de aarde, wat neerkomt op 3,711 m / s².
Zwaartekracht op Jupiter:
Jupiter is de grootste en meest massieve planeet in het zonnestelsel. Zijn gemiddelde straal, op 69.911 ± 6 km, maakt hem 10,97 keer zo groot als de aarde, terwijl zijn massa (1,8986 × 1027 kg) is het equivalent van 317,8 aardes. Maar als gasreus is Jupiter van nature minder dicht dan de aarde en andere aardse planeten, met een gemiddelde dichtheid van 1,326 g / cm3.
Bovendien heeft Jupiter als gasreus geen echt oppervlak. Als iemand erop zou staan, zouden ze gewoon zinken totdat ze uiteindelijk bij de (theoretische) vaste kern kwamen. Als gevolg hiervan is de zwaartekracht van Jupiter aan het oppervlak (die wordt gedefinieerd als de zwaartekracht aan de wolkentoppen) 24,79 m / s of 2,528 g.
Zwaartekracht op Saturnus:
Net als Jupiter is Saturnus een enorme gasreus die aanzienlijk groter en massiever is dan de aarde, maar veel minder dicht. Kortom, de gemiddelde straal is 58232 ± 6 km (9,13 aardes), de massa is 5,6646 x 1026 kg (95,15 keer zo groot) en heeft een dichtheid van 0,687 g / cm3. Als gevolg hiervan is de zwaartekracht van het oppervlak (opnieuw gemeten vanaf de top van de wolken) net iets meer dan die van de aarde, namelijk 10,44 m / s² (of 1,065 g).
Zwaartekracht op Uranus:
Met een gemiddelde straal van 25.360 km en een massa van 8,68 × 1025 kg, Uranus is ongeveer 4 keer zo groot als de aarde en 14.536 keer zo groot. Als gasreus is de dichtheid echter (1,27 g / cm3) is aanzienlijk lager dan die van de aarde. Daarom is de zwaartekracht van het oppervlak (gemeten vanaf de wolkentoppen) iets zwakker dan die van de aarde - 8,69 m / s2of 0,886 g.
Zwaartekracht op Neptunus:
Met een gemiddelde straal van 24.622 ± 19 km en een massa van 1,0243 × 1026 kg, Neptunus is de vierde grootste planeet in het zonnestelsel. Alles bij elkaar is het 3,86 keer zo groot als de aarde en 17 keer zo groot. Maar omdat het een gasreus is, heeft het een lage dichtheid van 1.638 g / cm3. Dit alles komt uit op een zwaartekracht van 11,15 m / s2 (of 1,14 g), wat opnieuw wordt gemeten bij de wolkentoppen van Neptunus.
Al met al loopt de zwaartekracht hier in het zonnestelsel, variërend van 0,38 g op Mercurius en Mars tot een krachtige 2,528 g bovenop de wolken van Jupiter. En op de maan, waar astronauten zich hebben gewaagd, is het een zeer milde 0,1654 g, die enkele leuke experimenten in bijna gewichtloosheid toeliet!
Het begrijpen van het effect van zwaartekracht op het menselijk lichaam is essentieel geweest voor ruimtevaart, vooral als het gaat om langdurige missies in een baan om de aarde en naar het internationale ruimtestation ISS. In de komende decennia is het handig om te weten hoe we het kunnen simuleren wanneer we astronauten gaan sturen op deep space-missies.
En natuurlijk, weten hoe sterk het is op andere planeten, zal essentieel zijn voor bemande missies (en misschien zelfs voor nederzettingen) daar. Aangezien de mensheid is geëvolueerd in een omgeving van 1 g, zou het verschil tussen leven en dood het verschil kunnen betekenen tussen planeten die slechts een fractie van de zwaartekracht hebben.
We hebben hier bij Space Magazine veel interessante artikelen over zwaartekracht geschreven. Hier is hoe snel is de zwaartekracht? Waar komt de zwaartekracht vandaan? en hoe we weten dat zwaartekracht niet (alleen) een kracht is.
En hier kunnen we kunstmatige zwaartekracht maken? en bepaalt "Spooky Action" de zwaartekracht?
Kijk voor meer informatie op de NASA-pagina met de titel "The Constant Pull of Gravity" en de zwaartekrachtwet van Newton.
Astronomy Cast heeft ook een aflevering, getiteld Episode 102: Gravity.
