図 30感覚館

惑星や衛星で変わる体重とジャンプのしくみ

地球で 50 cm のジャンプが、月では 3 m、ケレスでは 18 m に達し、小惑星ベンヌでは戻ってこられなくなります。

惑星や衛星で変わる体重とジャンプのしくみ
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1 / 16 同じ人と同じ体重計人形の体重は地球で 60 kg、踏み切る力は地球で 0.5 m 跳べる強さです。他の天体でも同じ人と踏み切りを使い、重力だけを変えます。展示の入力欄に自分の体重を入力できます。

ドラッグで回転、ホイールか二本指で拡大します。

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火星の体重計は何を示すか

他の惑星や衛星では地表の重力が異なるため体重は変わりますが、質量は変わりません。同じ速度で踏み切ると、重力が弱いほど高く跳べて、空中にいる時間も長くなります。この展示では、選んだ天体での違いを地球と比較します。

火星へ家庭の体重計を持っていったとします。着陸機の外の砂の上で乗ると、地球で 60 kg の人が 22.7 kg と表示されます。体そのものは変わっていません。骨も筋肉も、食べた朝食も同じです。変わったのは、それらを惑星が引く力です。

この展示では単純な人形を 24 の天体に置きます。8 惑星、月、フォボス、木星の 4 衛星、土星のタイタンとエンケラドゥス、海王星のトリトン、準惑星の冥王星とケレス、小惑星のベスタ、ベンヌ、リュウグウ、彗星 67P、そして概念としての太陽の見えている表面です。着陸機や周回機の写真を参考に天体ごとの地面と空を描き、写真に基づく部分と推定の部分を表示します。

どの天体でも 7 つの実験ができます。バスケットゴールの横の体重計からのジャンプ、羽根と一緒の 1 m の落下、投球、振り子、鍋の水の加熱と沸騰、パラシュート降下(または装着した翼)、球形の天体からの投球による脱出速度の実験です。数値は NASA の惑星データ、Jet Propulsion Laboratory の惑星・衛星の表、探査機を運用した研究チームの論文に基づきます。

質量は同じでも重さは変わる

質量は体に含まれる物質の量で、kg で測ります。重さは天体がその質量を下へ引く力で、単位は N です。

W = m × g

ここで g は地表付近で落ちる物体の加速度です。地球の赤道では 9.80 m/s² なので、質量 60 kg の人の重さは 60 × 9.80 = 588 N です。火星では 3.71 m/s² で、同じ人の重さは 223 N です。

家庭用体重計は日常的になじみのない N ではなく、地球用に校正した値を示します。足が押す力を測り、地球の重力で割る仕組みです。他の天体へ持ち込んでも表示は次のようになります。

reading = Earth weight × g(world) / g(Earth)

これが小さな緑色の表示の値です。展示の欄に自分の体重を入力すると、すべての表示が変わります。物理的な力そのものを表す N の値も示します。人形が空中にいる間、体重計は押されないため 0.0 になります。

最小の天体では表示は奇妙なほど小さくなります。60 kg の人でも、ベンヌでは半グラム、リュウグウでは 1 グラム弱です。何かを示すには、手紙を量れる精密な小型はかりほどの感度が必要です。

重力の数値の出所

展示は表の重力をそのまま写しているのではありません。測定された 2 つの値、GM と半径 R から計算します。GM は重力定数と天体の質量の積で、探査機の追跡が実際に測る量です。

g = GM / R²

惑星と準惑星では JPL の惑星物理量の表から GM と赤道半径を取り、「赤道重力」の列に一致させています。水星 3.70 m/s²、地球 9.80、火星 3.71、木星 24.79、冥王星 0.62 です。衛星では JPL の衛星の表の GM と平均半径を使い、小天体では Dawn、OSIRIS-REx、Hayabusa2、Rosetta のチームの公表値を使います。この 2 値から各衛星の密度を再計算して JPL の密度と比べると、入力ミスを見つけられます。

この式は自転を含みません。速く自転する惑星の赤道では外向きの効果が働き、赤道の膨らみによって質量の分布も変わります。小さな岩石天体では効果はわずかです。地球の 9.80 m/s² は自転を含めると NASA の表にある 9.78 m/s² になります。巨大惑星では大きく、9.93 時間で自転する木星の赤道では、GM/R² の 24.79 m/s² に対し NASA は 23.12 m/s² を示します。自転項 ω²R と膨らみの項を加えると、地球、木星、土星、天王星、海王星で NASA の値を 2 % 以内で再現できます。展示は全天体を同じ条件で比較するため単純な GM/R² を使い、自転補正が重要な場所では本文に補正値を示します。

巨大惑星では、どの高さに立つかも問題です。地表がないため、データ表では大気圧が地球の海面上と等しい「1 bar 面」の値を使います。展示もその高さを床にしています。

土星で地球と似た体重になる理由

土星の質量は地球の 95 倍なので、押しつぶされるほど重くなりそうです。しかし 60 kg の人に体重計が示すのは 63.9 kg で、約 7 % 増えるだけです。重力は中心からの距離の二乗に反比例し、土星の 1 bar 面は地球の表面より中心から 9.45 倍遠くにあります。その二乗は 89 なので、95 倍の質量でも 89 倍の面積に広がることで地球に近い引力になります。自転を含めると 8.96 m/s² と、地球より少し低くなります。

天王星(8.87 m/s²)と海王星(11.15 m/s²)も同じ理由で地球に近い値です。巨大惑星で明らかに重く感じるのは、地球の体重の 2.53 倍になる木星だけです。

逆の場合も同じ法則です。ケレスは幅 940 km と多くの国より大きいのに、重力は地球の 2.7 % しかありません。あらゆる方向に小さいため質量も小さいのです。同じ密度で半径を半分にすると、体積と質量は八分の一 になり、中心までの距離は半分になるだけです。したがって、同じ密度の天体では表面重力は大きさに比例します。

24 天体の一覧

地球で体重 60 kg、跳躍の高さ 0.5 m の人を使った表です。

天体 g (m/s²) × 地球 体重計 跳躍 脱出速度
水星 3.70 0.378 22.7 kg 1.32 m 4.25 km/s
金星 8.87 0.905 54.3 kg 55 cm 10.4 km/s
地球 9.80 1 60 kg 50 cm 11.2 km/s
月 1.62 0.166 9.9 kg 3.02 m 2.38 km/s
火星 3.71 0.379 22.7 kg 1.32 m 5.02 km/s
フォボス 0.00577 0.00059 35 g 919 m 11.3 m/s
木星 (1 bar) 24.8 2.53 152 kg 20 cm 59.5 km/s
イオ 1.80 0.183 11.0 kg 2.73 m 2.56 km/s
エウロパ 1.31 0.134 8.1 kg 3.73 m 2.03 km/s
ガニメデ 1.43 0.146 8.8 kg 3.43 m 2.74 km/s
カリスト 1.24 0.126 7.6 kg 3.96 m 2.44 km/s
土星 (1 bar) 10.4 1.07 63.9 kg 47 cm 35.5 km/s
タイタン 1.35 0.138 8.3 kg 3.62 m 2.64 km/s
エンケラドゥス 0.113 0.0116 0.70 kg 43.2 m 239 m/s
天王星 (1 bar) 8.87 0.905 54.3 kg 55 cm 21.3 km/s
海王星 (1 bar) 11.1 1.14 68.3 kg 44 cm 23.5 km/s
トリトン 0.781 0.0797 4.8 kg 6.27 m 1.45 km/s
冥王星 0.616 0.0628 3.8 kg 7.96 m 1.21 km/s
ケレス 0.269 0.0275 1.7 kg 18.2 m 510 m/s
ベスタ 0.253 0.0258 1.5 kg 19.4 m 364 m/s
ベンヌ 0.0000814 0.0000083 0.5 g 脱出 0.20 m/s
リュウグウ 0.000149 0.0000152 0.9 g 脱出 0.37 m/s
彗星 67P 0.000245 0.000025 1.5 g 脱出 0.90 m/s
太陽(概念) 274 28.0 1,679 kg 1.8 cm 618 km/s

操作欄の下には、落下時間、振り子、沸点も加えた詳しい表があります。行を押すと、その天体へ移ります。

空の同じ場所に惑星が見える衛星

ここにある衛星の多くは、惑星を一周する間に 1 回自転するため、常に同じ面を向けています。惑星に向いた側に立つと、太陽や星が背景を動く一方、惑星は昇りも沈みもせず同じ場所に見えます。

見かけの大きさは、惑星の大きさと距離で決まります。半径 R の惑星を中心から距離 d で見ると、視直径は 2 × arcsin(R / d) です。月から見る地球の幅は 1.91° で、地球の空の満月のほぼ 4 倍です。イオから見る木星は 19.6° で、腕を伸ばした手の幅ほどです。エウロパからは 12.3°、ガニメデからは 7.7°、カリストからは 4.4° です。エンケラドゥスから見る土星は 29° で、環は衛星の軌道と同じ平面にあるため真横から見え、惑星を貫く細い線になります。トリトンから見る海王星の幅は 8° です。

最大なのはフォボスから見る火星です。フォボスの軌道は火星の中心からわずか 9,376 km で、火星側では火星が空の 42°、満月を約 80 個並べた幅を占めます。冥王星とカロンは互いに同じ面を向けるため、冥王星の片側では幅 3.8° のカロンが静止し、反対側では全く見えません。タイタンは展示では例外です。土星の幅は 5.7° になるはずですが、Huygens のすべての写真と同じく、オレンジ色のもやが隠しています。

太陽も実際の視直径で描きます。NASA の半径 695,700 km を使うと、地球からは 0.53°、水星からは 1.38°、海王星からは 0.018° で、円盤としては見えないほど小さくなります。光の強さは距離の二乗に反比例し、地球で 1,361 W/m²、木星で 50 W/m²、冥王星で 0.87 W/m² です。実際どおりに暗くすると外側の天体が画面で黒くなるため、展示では値の対数で明るさを調整し、小さな太陽の周りに光の輪を添えています。

写真に基づく地面と推定の地面

地面と空を写真から描けるのは、その天体にカメラが立ったか、大気を降下した場合だけです。該当するのは地球、月(Apollo)、火星(Viking、Pathfinder、Curiosity、Perseverance)、金星(Venera 13・14)、タイタン(Huygens)、リュウグウ(MINERVA-II1 と MASCOT)、ベンヌ(OSIRIS-REx の採取時の接写)、彗星 67P(Philae と Rosetta の最後の降下)です。

それ以外の地面は周回や接近通過の写真からの推定で、その旨を表示します。イオは Voyager と Galileo の画像に沿った黄橙色の硫黄と暗い溶岩です。エウロパは褐色の筋がある明るい氷、ガニメデは暗く古い地形と明るい溝のある氷、カリストは明るい霜の縁を持つ暗いクレーター地形です。エンケラドゥスは青い割れ目のある白い氷、トリトンは間欠泉の暗い筋があるピンクと灰色の窒素の霜です。冥王星には区画状の窒素の氷と赤みのある地面があります。ケレスとベスタは Dawn の画像に沿っています。

写真がない場所の空は物理に基づきます。大気がなければ正午でも黒いことは、月の Apollo 写真でも分かります。金星の空は Venera のカラー写真では黄橙色で、雲越しに太陽は見えません。タイタンはオレンジ色のもやです。火星は昼は黄褐色ですが、夕日の周囲は青くなります。細かなちりが太陽の方向に近い前方へ青い光を散乱するためで、Curiosity が 2015 年に撮影しました。冥王星の薄い大気にはもやの層があり、New Horizons が太陽を背景に振り返ると青く輝いていました。

巨大惑星には地面がなく、雲の中から周囲を撮った写真もありません。4 惑星では人形を 1 bar 面の透けた破線のデッキに立たせ、下に深い雲、上にもやを置き、色は上空の写真に基づけています。デッキは実験のための架空の足場です。実際にそこに立とうとすれば沈み続けます。

小天体では足元の地面が曲がる

半径 R の球で、目の高さが h なら地平線までの距離は約 √(2Rh) です。目の高さ 1.7 m の人なら、地球で 4.7 km、月で 2.4 km、ケレスで 1.3 km、ベンヌではわずか 29 m です。最小の天体、フォボス、ベンヌ、リュウグウ、彗星 67P は実寸の球として描くため、人形から数歩先で地面が曲がっていくのが分かります。67P は実際には長さ約 4 km のゴムのアヒルのような形ですが、模型では同じ体積の球にしています。

ベンヌとリュウグウは弱い重力でまとまったがれきの集まりで、速く自転します。ベンヌは 4.3 時間、リュウグウは 7.6 時間で一周し、赤道では自転が引力のかなりの部分を相殺します。展示は自転を省いているため、この 2 天体の数値は重力だけを表します。

どの天体でも同じジャンプ

立った状態のジャンプは短い押し出しです。脚が伸び、体はある速度 v で地面を離れます。その後は重力だけを受け、上向きの速度を失うまで上昇します。地面の近くでの高さは次の式です。

h = v² / (2g)

模型は地球で 0.50 m 跳べると仮定します。逆算すると v = √(2 × 9.80 × 0.50) = 3.13 m/s です。すべての天体で踏み切り速度を保つため、高さは 1/g に比例し、月で 3.02 m、火星で 1.32 m、冥王星で 7.96 m、ケレスで 18.2 m、木星の 1 bar 面で 20 cm です。跳躍力のスライダーは地球での高さを 2 cm から 1 m に変えます。支柱の青い輪は地球の高さ、オレンジ色はその天体の高さです。

小天体では上昇するほど重力が弱まるため、単純な式では不十分です。エネルギーから、停止点では v²/2 = GM(1/R − 1/(R+h)) となり、これを解くと次の式になります。

h = R²v² / (2GM − Rv²)

フォボスでは 847 m ではなく 919 m となり、滞空時間は約 20 分です。展示は長い飛行を速く再生し、倍率を示します。v が脱出速度を超えると分母が負になり、最高点はなくなります。ベンヌ、リュウグウ、彗星 67P では地球の普通のジャンプの 3.1 m/s が脱出速度の 0.2、0.37、0.9 m/s を大きく上回り、人形は上昇したまま戻りません。

地面の近くでは滞空時間は 2v/g で、地球で 0.64 s、月で 3.85 s、冥王星で 10.2 s です。厳密な計算では真上の軌道として Kepler の方程式を使い、逐次計算のシミュレーションとも一致します。

踏み切り速度が一定というのは単純化です。実際の脚は自分の重さに逆らって押すため、軽い天体では少し速く踏み切れるかもしれず、木星では 3.13 m/s に達しないかもしれません。Apollo の宇宙飛行士も硬い加圧服と重い背負い装備で跳びにくく、多くは高いジャンプより大股の走行で移動しました。模型は g の役割を示すもので、運動能力の予測ではありません。

バスケットリングに届くか

人形の隣のリングは規定の 3.05 m です。身長 1.72 m の人形は片手を上げると 2.24 m に届くため、地球で普通に 0.5 m 跳んでも手は 31 cm 足りません。

同じジャンプでリングに届く最も重力の強い天体はどこでしょうか。手は 0.81 m 上がる必要があり、踏み切り速度 3.13 m/s なら g が約 6.0 m/s² 未満で届きます。金星、地球、4 巨大惑星は除外されます。残る天体で最大なのは火星の 3.713 m/s² で、水星の 3.699 m/s² をわずかに上回ります。操作欄の課題の一つで、これを探します。

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球と羽根を落とす

落下台から 1 m の高さで 3 つを放します。選んだ天体の重力で落ちる赤い球、地球と同じように落ちる青い球、羽根です。大気がなければ時間 t の落下距離は g t² / 2 で、高さ h からの落下時間は次の式です。

t = √(2h / g)

地球では 0.45 s、月では 1.11 s、冥王星では 1.80 s、木星の 1 bar 面では地球の球より速い 0.28 s です。ベンヌでは 1 m 落ちるのに 2 分半かかります。

式に質量は現れないため、大気がなければ羽根も球と一緒に落ちます。1971 年、Apollo 15 の最後の月面歩行の終わりに David Scott は 1.32 kg のアルミ製ハンマーとハヤブサの羽根を約 1.6 m から落とし、同時に着地しました。この落下の計算値は 1.40 s です。

空気があると羽根の動きは大きく変わります。大きさの割に軽いため、抵抗がすぐに重さと釣り合い、一定の速度で漂います。模型は地球の空気中の終端速度を 0.6 m/s とし、大気密度に応じて抵抗を変えます。速度の二乗に比例する抵抗では、高さ h の落下時間は次の式です。

t = arccosh(e^(k h)) / √(g k)。k は大気密度に比例する、1 m あたりの抵抗の係数です。

地球では羽根が 1 m 落ちるのに 1.7 s かかります。大気密度が 4 倍で重力も弱いタイタンでは約 9 s、密度が地球の 53 倍の金星では 13 s 近く漂います。火星は大気が薄く、羽根も球とほぼ同じ速さです。赤い球は浮力も受けます。野球のボールの密度は 683 kg/m³ で、金星の 65 kg/m³ の大気では重さが 9.5 % 減ります。

球を投げる

真空中では球は放物線を描き、平らな地面での飛距離は v² sin(2θ) / g です。20 m/s、45° で投げると、月で 248 m、ケレスで 1.5 km、木星の 1 bar 面ではわずか 18 m です。

空気はどの投球も短くします。模型は野球のボール(145 g、直径 7.3 cm)を投げ、抵抗係数 0.35 の抵抗力 ½ ρ C A v² と浮力を加え、小さな時間刻みで計算します。地球の 20 m/s の投球は 43 m ではなく 36 m、タイタンでは約 300 m ではなく 56 m です。金星では 6 m で落ちます。大気が濃く、プールに石を投げたような動きになるためです。青い破線は地球での同じ投球です。

小天体では、投球の距離に対して地面を平らとは見なせません。天体の半径に比べ無視できない距離になると、脱出実験と同じ軌道計算に切り替え、「脱出」の場面を案内します。Apollo の乗員は月で明瞭な弾道の弧を見ました。月面車の車輪が飛ばす砂は鋭い曲線を描いてすぐに戻り、空気がないため雲になりませんでした。

他の惑星の時を刻む振り子

長さ L の振り子が片側から反対側へ振れる時間は次の式です。

t = π √(L / g)

重りの重さは式に現れず、振り子が時計に適していた理由です。地球では長さ 99 cm の振り子が片道 1 秒で、振り子時計の古典的な秒振り子です。火星では長さ 38 cm、月では 16 cm で同じ 1 秒になります。

地球の振り子時計を月へ運ぶと、片道が 2.47 s に遅くなります。実際の秒数の 41 % しか数えないため、1 日に約 14 時間遅れます。火星では約 9 時間遅れ、木星では進みます。展示では選んだ天体の赤い振り子と、同じ長さで地球の重力を受ける青い振り子を並べます。

探査機ははるかに精密に重力を測りますが、試験質量の動きからその場所の g を知るという考え方は同じです。GRAIL は縦に飛ぶ 2 機を追跡して月の重力図を作りました。Juno の電波追跡は木星の重力場を精密に測り、風が約 3,000 km 下まで達すると示しました。

水はどこで沸騰するか

水は、その水から出る蒸気の圧力である蒸気圧が、上の空気の圧力と等しくなると沸騰します。気圧を下げると沸点も下がります。展示は水と蒸気の国際工業用定式化 IAPWS-IF97 を使い、三重点から臨界点までの任意の圧力で沸点を求めます。蒸気表や、次の Clausius-Clapeyron の式とも一致します。

ln(p₂/p₁) = −(L/R)(1/T₂ − 1/T₁)

これは蒸発熱 L が分かるとき、圧力によって沸点がどう変わるかを示します。

次の値から、天体による違いが分かります。

  • 地球の海面上では 100.0 °C、高度 5 km では 83 °C、エベレスト山頂では約 70 °C です。
  • 金星では気圧が地球の 92 倍で、305 °C で初めて沸騰します。地面は 464 °C なので、水はすぐ蒸発しきります。
  • タイタンでは 1.467 bar で、水は 111 °C で沸騰します。ただし気温は −179 °C で、水は岩のように硬いため、ほとんど意味を持ちません。
  • 火星の平均気圧は 636 Pa で、水の三重点 611.657 Pa より約 25 Pa 高いだけです。水は約半度の摂氏温度で沸騰します。気圧の低い高地では液体になれず、氷が直接蒸気になります。Phoenix が 2008 年に観測しました。
  • 月、水星、大気のない衛星、小天体では、三重点より低いため液体の水はありません。鍋の水は沸騰と凍結を同時に起こします。

高度のスライダーで鍋を大気中へ上げます。地球では高度約 21.7 km で気圧が 4.2 kPa になり、水は 30 °C で沸騰します。地球には 1976 年の米国標準大気、金星には金星国際基準大気を使い、どちらも測定に基づきます。それ以外では単一のスケールハイトを仮定し、高高度の値は概算です。

地球の高度約 19 km では気圧が 6.3 kPa に下がり、水は体温の 37 °C で沸騰します。アームストロング限界とも呼ばれるこの高度を超えると、露出した体液が沸騰し始めるため、高高度の操縦士は加圧服を着ます。火星の地表全体は、この圧力を大きく下回ります。

薄い大気と濃い大気のパラシュート

落下する体は空気抵抗と重さが釣り合うまで加速します。その終端速度は次の式です。

v = √(2 m g / (ρ C A))

ρ は大気密度、A は面積、C は抵抗係数です。展示では人形に 20 kg の服と装具を加え、C = 0.8 の丸い傘で 30 m から落とし、着地速度を厳密に計算します。

弱い重力と濃い大気はどちらも減速に役立ちます。タイタンなら直径 2 m の傘だけで 3.6 m/s と、椅子から穏やかに降りる程度になります。地球では同じ傘で 17.6 m/s です。金星では大気が濃く、傘がなくても 30 m の落下後は 5.6 m/s です。Venera 13 は高度約 47 km で傘を捨て、円盤形の空力ブレーキだけで降下を終えました。

火星は難しい例です。重力は地球の 3 分の 1 ですが、大気は約 75 倍薄くなります。直径 20 m の傘でも終端速度は 12 m/s です。そのため着陸機はパラシュートに加えてロケット、エアバッグ、スカイクレーンを必要としてきました。Perseverance の直径 21.5 m の傘でも、最後まで減速できませんでした。

大気がない天体では傘が垂れ下がり、人形は真空と同じように落ちます。巨大惑星では傘は働きますが、着地する地面がありません。Galileo 探査機は 1995 年に木星の大気で傘を開き、圧力が約 23 bar に達して通信が途絶えるまで 58 分間データを送りました。

筋力で飛ぶ

空中静止には、自分の重さを支えるだけ空気を下へ押す必要があります。ヘリコプターのローターにも使う運動量理論は、面積 A の円盤に必要な最小出力を次のように与えます。

P = (m g)^1.5 / √(2 ρ A)

展示は翼を翼幅と同じ直径の円盤とし、実際の損失のため 0.6 で割ります。翼幅 4 m、質量 80 kg では地球で約 6,600 W 必要で、体力のある人が持続できる約 200 W を大きく超えます。薄い大気の火星ではさらに大きく約 13,500 W、タイタンではわずか約 160 W です。弱い重力が g^1.5、濃い大気が 1/√ρ として働き、合わせて地球の約 40 分の 1 の労力にします。

NASA がタイタン探査に回転翼機 Dragonfly を選んだ理由です。火星の Ingenuity は薄い大気で 1.8 kg を持ち上げるため、直径 1.2 m のローターを毎分約 2,400 回転させました。2021 年 4 月 19 日に他の惑星で初の動力飛行を行い、計 72 回飛びました。

脱出速度と軌道

十分速く球を投げると戻りません。球形天体の表面からの脱出速度は次の式です。

v_esc = √(2 G M / R)

地球で 11.2 km/s、月で 2.38 km/s、木星で 59.5 km/s です。ベンヌではゆっくり歩くより遅い 0.20 m/s です。遠方から天体へ落ちるものは少なくともこの速度で到達します。1994 年に Shoemaker-Levy 9 の破片が木星に約 60 km/s で衝突した理由です。

もう一つの速度 v_orb = √(G M / R) は地表すれすれの周回速度です。水平方向にその速さで投げた球は、足元の地面が曲がるのと同じ速さで天体の周りを落ち続け、1 周後に投げ手の背後へ戻ります。地球では 7.9 km/s で約 85 分(空気は無視)、ベンヌでは 14 cm/s で約 3 時間です。

脱出実験は天体を小さな球に縮め、軌道も同じ縮尺で描きます。球は戻るか、一周するか、去ります。投球速度は対数目盛りのスライダーで 2 cm/s から 70 km/s まで変え、角度で向きを決めます。重力が 1/r² に従って弱まる軌道を逐次計算し、結果は厳密な投球エネルギーで判定します。人は約 40 m/s で投げられ、ベンヌ、リュウグウ、67P、フォボスからは脱出できますが、ベスタ(364 m/s)やケレス(510 m/s)からはできません。

探査機もこれを経験しました。2014 年に Philae が彗星 67P に着地したとき、固定用の銛が作動せず、脱出速度約 0.9 m/s を大きく下回る 38 cm/s で跳ね返りました。1 時間 50 分で約 1 km 飛び、さらに小さくもう一度跳ねて止まりました。リュウグウの MINERVA-II1 は車輪では浮いてしまうため、跳ねて移動する設計でした。1 回で最大 15 分間空中にいられました。

宇宙服がない場合

宇宙服の切り替えは人形に服を着せ、服なしで起こることの説明と、宇宙服なしの宇宙の展示へのリンクを加えます。大気がない天体では約 15 秒で意識を失います。火星は薄すぎて呼吸できず、体液が沸騰する 6.3 kPa よりはるかに低圧です。金星では圧力と熱で押しつぶされ加熱されます。タイタンは圧力が地球の 1.45 倍で耐えられますが、酸素がなく気温は −179 °C です。この一覧でそのまま外へ出られるのは地球だけです。

天体としての太陽

太陽に地表はありません。表面に見えるのは、気体が薄くなって光が脱出できる層、約 5,500 °C の光球です。NASA の有効温度は 5,772 K です。展示では重力だけの効果を示す概念として含めます。274 m/s² と地球の 28 倍で、60 kg の人の体重計は 1,679 kg、地球で 0.5 m のジャンプは 1.8 cm、1 m の落下は 0.085 s です。脱出速度は 618 km/s です。人工物の最接近は Parker Solar Probe で、2024 年 12 月 24 日に光球から 610 万 km を約 192 km/s で通過しました。

模型で省いたもの

  • 本文で補正値を挙げる場合を除く自転です。重力は惑星では赤道半径、衛星と小天体では平均半径での GM/R² です。
  • 不規則な形です。フォボス、ベスタ、ベンヌ、リュウグウ、67P は球として描きますが、実際の重力は場所で変わります。
  • 潮汐です。フォボスでは火星の引力が衛星自身の重力を一部相殺し、その効果は場所により大きく異なります。
  • 跳ぶ人形の空気抵抗と、宇宙服が動作に与える影響です。
  • 多くの天体の高高度の大気です。測定に基づく高度分布は地球と金星だけで、ほかは単一のスケールハイトを使います。
  • 実際の地点です。岩、クレーター、尾根、噴煙は無作為に置き、色は探査機の画像を参考にしています。イオとエンケラドゥスの噴煙は省き、トリトンと 67P の噴流は実際の数 km より大幅に短く描いています。
  • 模型の設定値です。地球の 0.5 m の跳躍、羽根の 0.6 m/s、野球のボールの抵抗係数 0.35、傘の 0.8、装備の 20 kg、翼の効率 0.6、人が持続できる 200 W を使います。

よくある質問

他の惑星で質量は変わりますか?

変わりません。質量は物質の量で、どこでも同じです。重さはその質量に働く重力なので、表面重力によって変わります。60 kg の人の質量は火星でも 60 kg ですが、地球用の体重計は 22.7 kg を示します。

月での体重はいくらですか?

地球の約 6 分の 1 です。月の重力は 1.62 m/s²、地球は 9.80 なので、地球で 60 kg の人は月では 9.9 kg と表示されます。質量は変わりません。

土星は重いのに重力が地球に近いのはなぜですか?

質量は地球の 95 倍ですが、1 bar 面は中心から地球の表面の 9.45 倍遠くにあります。重力は距離の二乗に反比例するため 89 で割られ、地球より約 7 % 強いだけになります。速い自転を含めると、地球より少し弱くなります。

木星に立てますか?

立てません。木星、土星、天王星、海王星には固体の表面がなく、深いほど気体が高温高密度の流体になります。展示は地球の海面上と同じ圧力になる 1 bar 面に架空のデッキを置きます。

火星でどれだけ高く跳べますか?

同じ速度で踏み切れば地球の約 2.6 倍です。地球で 0.5 m の跳躍は火星では 1.32 m となり、滞空時間は 0.64 s から 1.69 s になります。実際の宇宙服では小さくなるでしょう。

小惑星から跳んで宇宙へ出られますか?

小さい天体なら可能です。脱出速度はベンヌで 0.20 m/s、リュウグウで 0.37 m/s、67P で約 0.9 m/s です。普通の立ち跳びの踏み切りは約 3 m/s と何倍も速いため戻りません。ケレス(510 m/s)やベスタ(364 m/s)では、約 20 m 跳んだ後に着地します。

月で羽根はハンマーと同じように落ちますか?

はい。月には羽根を遅くする空気がありません。David Scott が 1971 年の Apollo 15 でハンマーとハヤブサの羽根を同時に落とし、同じ瞬間に着くことを示しました。

火星の夕焼けはなぜ青いのですか?

細かなちりが太陽に近い前方へ青い光を散乱する一方、それ以外の空は黄褐色のままだからです。Curiosity が 2015 年に Gale Crater の夕日の周囲の青い輝きを撮影しました。

火星の水は何度で沸騰しますか?

平均地表気圧 636 Pa では摂氏約半度で、凍結温度のすぐ上です。高地では気圧が三重点(611.657 Pa)を下回り、水は液体になれず、氷から直接蒸気になります。

火星でパラシュートは使えますか?

一部しか減速できません。火星の地表の大気は地球の約 75 倍薄く、直径 20 m の傘でも約 12 m/s で落ちます。着陸機はロケット、エアバッグ、スカイクレーンも必要としてきました。対照的にタイタンでは直径 2 m で穏やかに着地できます。

タイタンで人は飛べますか?

運動量理論では可能です。大気密度は地球の 4 倍、重力は 7 分の 1 なので、翼幅 4 m の翼で空中静止する出力は約 160 W と、体力のある人が持続できる値です。地球では同じ翼で約 6,600 W 必要です。

月から球を脱出させるにはどれだけ速く投げますか?

月の脱出速度 2.38 km/s が必要で、地球の空気中の音速の約 7 倍です。水平に 1.68 km/s で投げると、地表すれすれを周回し約 1 時間 48 分で戻ります。

水星の 1 日が 1 年より長いのはなぜですか?

水星は地球の 58.6 日で自転し、88 日の軌道も速く進みます。両方の動きが組み合わさり、日の出から次の日の出まで地球の 176 日、水星の約 2 年かかるためです。

イオの空はどう見えますか?

空気がほぼないため黒く、木星は幅 19.6° と満月の約 38 倍の大きさで静止します。イオは同じ面を木星へ向けるので、木星側では惑星は昇りも沈みもしません。

用語

  • 質量:物体に含まれる物質の量で、単位は kg です。どの天体でも同じです。
  • 重さ:質量に働く重力で、単位は N です。W = m × g。
  • 表面重力 (g):表面近くで落下する物体の加速度で、単位は m/s² です。
  • GM:重力定数と天体の質量の積です。探査機の追跡が直接測る量です。
  • 1 bar 面:巨大惑星の大気中で、圧力が地球の海面上と等しくなる高さです。地表の代わりに使います。
  • 脱出速度:地表から放った物体が二度と戻らなくなる速度 √(2GM/R) です。
  • 終端速度:空気抵抗と重さが釣り合う一定の速度です。
  • 三重点:水が液体で存在できる下限の圧力と温度(611.657 Pa、0.01 °C)です。
  • スケールハイト:気圧が e(約 2.7)分の 1 になる高さです。
  • 視直径:物体の見かけの幅を角度で表したものです。

参考資料

すべての URL の確認日:2026-10-18。

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