Người 100kg chỉ còn 38kg khi ở sao Hỏa, liệu có đúng?

Trong các tác phẩm viễn tưởng như phim ảnh, truyện, chi tiết con người có thể nhảy cao hơn, xa hơn khi ở Mặt trăng, sao Hỏa với lý do mọi thứ ở đó nhẹ hơn Trái đất, điều này có đúng không?

Hiểu về trọng lượng và khối lượng

Khối lượng là toàn bộ lượng vật chất chứa trong một vật thể nào đó.

Trọng lượng là giá trị của lực hấp dẫn giữa hai vật thể bất kỳ, thường được hiểu là lực hấp dẫn của các thiên thể lớn tác động lên vật chứa khối lượng.

Một vật thể rất lớn như hành tinh hút lấy các vật thể có khối lượng không đáng kể so với nó như con người, người ta thường tính trọng lượng của các vật bằng một phương pháp gần đúng (sai số rất nhỏ do khối lượng các vật là không đáng kể so với thiên thể) là lấy khối lượng (tính bằng kg) của vật nhân với giá trị tương đối của gia tốc trọng trường mà thiên thể tác động lên vật.

Chẳng hạn ở Trái đất, gia tốc trọng trường được lấy giá trị gần đúng là khoảng 9,8 m/s², có nghĩa một người nặng 70kg  sẽ chịu lực hấp dẫn của Trái đất khoảng 686N (Newton). 686N là độ lớn của lực hấp dẫn mà Trái đất hút người có khối lượng 70kg, và nó được gọi là trọng lượng của người đó ở Trái đất.

Nói rằng, ở những hành tinh có lực hấp dẫn yếu hơn, con người ta có thể dễ dàng di chuyển những đồ vật nặng là thiếu chính xác.

Lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng hai vật thể và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Như vậy, nếu giả sử Trái đất có khối lượng nhỏ hơn, thì lực hấp dẫn đương nhiên cũng nhỏ hơn, tức là trọng lượng của mọi vật trên nó khi đó sẽ nhỏ hơn.

Hay giả sử ta lấy sao Hỏa làm thí nghiệm, thì khi xét tới các thông số của nó chúng ta thấy khối lượng của nó chỉ bằng khoảng 1/10 khối lượng của Trái đất, còn bán kính thì chỉ bằng hơn nửa bán kính Trái đất.

Qua một số so sánh nhanh thì chúng ta sẽ ước tính gia tốc trọng trường ở sao Hỏa chỉ khoảng 40% ở Trái đất. Con số chính xác được các nhà khoa học tính toán là gia tốc trọng trường ở sao Hỏa bằng 35% gia tốc trọng trường của Trái đất. Điều đó có nghĩa là một vật thể không thay đổi khối lượng thì ở sao Hỏa sẽ chịu một lực hút chỉ bằng 38% lực hút hấp dẫn như khi ở Trái đất.

Nhiều nơi vẫn viết là người nặng 100kg khi ở sao Hỏa chỉ còn 38kg. Nếu bạn mang một cái cân lên sao Hỏa và cân một người nặng 100kg thì sẽ cho số chỉ là 38kg. Nhưng nên biết rằng, tất cả các loại cân dân dụng chúng ta dùng là các thiết bị đo trọng lượng chứ không phải đo khối lượng.

Người ta đã lợi dụng lực hấp dẫn của hành tinh để đo trọng lượng của vật và qua đó suy ngược ra khối lượng của nó. Khi bạn mang chiếc cân đó tới hành tinh khác thì phép đổi của chiếc cân đã không còn chính xác nữa vì hệ số để đổi chính là gia tốc trọng trường của hành tinh đã thay đổi.

Về cơ bản, ở những điều kiện thông thường, với những vật chất thông thường mà chúng ta tiếp xúc, thì vật không thay đổi khối lượng nếu đưa từ nơi này sang nơi khác. Vì thế khi nói “vật nhẹ hơn khi ở trên sao Hỏa” thì phải hiểu là nhẹ theo nghĩa trọng lượng chứ không phải khối lượng.

Không giống phim viễn tưởng

Trong một số tác phẩm viễn tưởng, người ta cho rằng ở những hành tinh có lực hấp dẫn yếu hơn, con người ta có thể dễ dàng di chuyển những vật có sức nặng rất lớn mà thường ngày không thể làm được. Trên thực tế đó là những chi tiết thiếu chính xác.

Bạn biết rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể chỉ có một phương duy nhất là phương giữa trọng tâm của hai vật thể. Đối với trọng lực của các hành tinh tác động lên một vật trên nó, phương đó là phương từ vật (hay chính xác là trọng tâm của vật) tới tâm của hành tinh, có nghĩa là khi đứng trên mặt đất thì sẽ thấy nó hướng thẳng đứng xuống dưới.

Như vậy giả sử bạn mang một vật lên sao Hỏa, nó sẽ chỉ chịu một lực kéo xuống dưới bằng 40% so với khi ở Trái đất. Do vậy khi bạn cố gắng nâng nó lên khỏi mặt đất thì bạn sẽ thấy nó nhẹ hơn khá nhiều so với ở Trái đất.

Nhưng hãy lưu ý, điều đó không có nghĩa bạn dễ dàng di chuyển bất cứ vật gì có khối lượng lớn bằng 250% khối lượng mà thông thường bạn có thể di chuyển. Vì khi di chuyển một vật, thì ngoài thắng được lực hấp dẫn, bạn còn phải thắng được quán tính của nó nữa.

Chúng ta lại phải nhớ tới Newton, định luật thứ hai của Newton có biểu thức là F=m.a, điều đó có nghĩa bạn muốn “tặng” cho một vật có khối lượng m một gia tốc a thì bạn cần phải tác động vào nó một lực F có giá trị bằng tích của khối lượng và gia tốc bạn muốn cho nó. Điều đó có nghĩa là khối lượng đóng một vai trò không nhỏ, và khối lượng thì lại không đổi cho dù hành tinh lớn nhỏ ra sao.

Trên Trái đất, lực để thắng hấp dẫn mà nâng vật lên đóng vai trò lớn trong việc nâng các vật khỏi mặt đất, còn với việc di chuyển ngang thì lực mà bạn tiêu tốn chính là lực để thắng được quán tính.

Chẳng hạn, bạn không thể nhấc một chiếc xe taxi khỏi mặt đất nhưng lại có thể đẩy nó đi nếu tập trung sức, vì lực hấp dẫn khi này chỉ đóng vai trò chính là níu nó xuống mặt đường gây ra ma sát, còn lực mà bạn bỏ ra chủ yếu chỉ để thắng được quán tính của nó.

Thế nhưng bạn không thể làm được thế với những chiếc xe tải có khối lượng rất lớn, ngay cả khi ma sát không còn đáng kể, hay bạn có đổ dầu vào bánh xe để chống ma sát, đó là vì khối lượng của nó lớn thì đòi hỏi lực lớn.

Giả sử rằng chiếc xe tải loại nhỏ có khối lượng chỉ gấp đôi chiếc taxi trong ví dụ trên, bạn có thể cố gắng đẩy chiếc taxi nhưng không tài nào đẩy được chiếc xe tải. Khi mang hai chiếc xe này tới sao Hỏa và đặt lên bàn cân, trọng lượng của chúng chỉ còn 40%, bạn sẽ thấy số chỉ trên cân của chiếc xe tải bây giờ còn nhỏ hơn của chiếc taxi khi đo ở Trái đất.

Thế nhưng chắc chắn bạn vẫn không cách nào đẩy chiếc xe tải này chuyển động được nếu như không có một điều kỳ diệu nào đó xảy ra. Việc tương tự cũng xảy ra nếu bạn nghĩ mình có thể dễ dàng nhấc bổng một tảng đá lớn và ném nó đi ở những nơi có trọng lực yếu như trong phim viễn tưởng.

Lực hấp dẫn tất nhiên vẫn đóng một vai trò nào đó làm bạn thấy mình khỏe thêm đôi chút khi ở nơi trọng lực thấp, nhưng sẽ không đủ để bạn làm được những điều kỳ diệu.

Như vậy, khi nói chúng ta nhẹ hơn khi ở sao Hỏa là chưa chính xác.