น้ำหนัก ของ นักบิน อวกาศ อยู่ในยาน ที่ กำลัง โคจรรอบโลก มีค่า เท่ากับ ศูนย์ กิโลกรัม

“วงโคจร” คืออะไร?

ปรากฏการณ์อย่างหนึ่งของการเดินทางในอวกาศ ที่แตกต่างกับสามัญสำนึกของการเดินทางบนโลกโดยสิ้นเชิงเลย ก็คือ ในอวกาศนั้นมีแรงเสียดทานน้อยมาก จนถึงไม่มีเลย นั่นหมายความว่าวัตถุใดที่มีการเคลื่อนที่เช่นใด ก็จะเคลื่อนที่เช่นนั้นไปตลอด

นั่นหมายความว่า หากเราสามารถทำให้ยานอวกาศสักลำหนึ่ง เคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบๆ โลกได้ ยานอวกาศนั้นก็จะ “โคจร” เป็นวงกลมไปรอบๆ โลกเช่นนั้นตลอดไป

ว่าแต่ว่า #วงโคจร คืออะไร?

หลายๆ คนมักจะเข้าใจกันผิดๆ ว่าในอวกาศนั้นไม่มีแรงโน้มถ่วง แท้จริงแล้วในอวกาศก็มีแรงโน้มถ่วงไม่ต่างอะไรกับบนโลกของเรา (แต่แรงโน้มถ่วงอาจจะไม่เท่ากันกับบนพื้นโลก) หมายความว่ายานอวกาศและนักบินอวกาศนั้นไม่ได้ “ลอย” อยู่ แต่กำลัง “ตกลงสู่พื้นโลก” อยู่ สิ่งที่ทำให้นักบินอวกาศสามารถลอยอยู่ในสถานีอวกาศได้โดยปราศจากแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ได้เป็นเพราะว่าในอวกาศไม่มีแรงโน้มถ่วง แต่เป็นเพราะว่า “พื้น” ของสถานีอวกาศกำลัง “ตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วง” ในอัตราเดียวกันกับนักบินอวกาศต่างหาก ซึ่งเราสามารถสัมผัสกับ “สภาพไร้น้ำหนัก” เช่นเดียวกันนี้ได้บนพื้นโลกของเรา ทุกครั้งที่เบาะที่นั่งบนรถใต้เรานั้นกำลังตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วงเมื่อรถเรากำลังกระโดดลงมาจากเนิน หรือเมื่อที่นั่งภายใต้เครื่องเล่นในสวนสนุกของเรากำลังตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วงในอัตราเดียวกับเรา เราก็จะสามารถสัมผัสกับ “สภาวะไร้น้ำหนัก” ได้ชั่วครู่หนึ่ง

วัตถุทุกอย่างที่อยู่ใกล้ๆ โลกนั้นกำลังตกอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกของเรา หากเราโยนก้อนหินสักก้อนหนึ่งไปข้างหน้า ก้อนหินนี้จะตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วง และเส้นทางของก้อนหินจะค่อยๆ ย้อยลงจนตกลงสู่พื้นในที่สุด อย่างไรก็ตาม หากเราโยนก้อนหินด้วยความเร็วที่พอเหมาะพอดี อัตราการย้อยลงของก้อนหินนั้นจะโค้งตามกับส่วนโค้งของพื้นผิวโลกพอดี เราเรียกอัตราเร็วนี้ว่า “อัตราเร็วโคจร” ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างจากศูนย์กลางของโลก สำหรับบนพื้นผิวโลกนั้น เราจะต้องขว้างก้อนหินให้เร็วถึง 7.9 กม./วินาที ก้อนหินจึงจะสามารถโคจรไปรอบๆ​ โลกได้ (หากไม่คำนึงถึงแรงต้านของอากาศ)

ในลักษณะเดียวกัน สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ก็กำลังตกลงในอัตราที่สอดคล้องกับผิวโค้งของโลกพอดี สถานีอวกาศจึงอยู่ใน “วงโคจร” ด้วยอัตราเร็วโคจรที่ 7.66 กม./วินาที และเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่มีศูนย์กลางตรงกับศูนย์กลางของโลก พอดิบพอดี

หากเราทำให้สถานีอวกาศนานาชาติเคลื่อนที่ช้าลงกว่านี้ เราจะพบว่าสถานีอวกาศนานาชาติจะค่อยๆ ตกลง จนเสียดสีกับชั้นบรรยากาศมากขึ้น และโหม่งลงกับพื้นโลกในที่สุด

ในทางตรงกันข้าม หากเราเร่งความเร็วของสถานีอวกาศนานาชาติให้สูงมากกว่านี้ สถานีอวกาศจะพุ่งตรงไปมากกว่าส่วนโค้งของโลก ก่อนที่จะค่อยๆ เลี้ยวกลับเข้ามา กลายเป็นวงรีที่มีจุดโฟกัสจุดหนึ่งอยู่ที่ใจกลางของโลก และมีจุดที่ใกล้โลกที่สุดของวงโคจร (เรียกว่า perigee) และจุดที่ไกลที่สุดของวงโคจร (เรียกว่า apogee) และหากไม่มีแรงเสียดทานใดๆ เลย วงโคจรที่เป็นวงรีนี้ พร้อมทั้งระยะ perigee และ apogee ก็จะคงที่เช่นนี้ไปตลอดกาล

และหากเราสามารถเร่งความเร็วมากขึ้นเรื่อยๆ เราก็จะพบว่าวงรีนั้นจะขยายขนาดมากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดก็ไม่เป็นวงรีอีกต่อไป จนกลายสภาพเป็นรูปร่างที่เรียกว่า ไฮเพอร์โบลา วัตถุที่อยู่ในวงโคจรแบบไฮเพอร์โบลานี้ จะโฉบเข้ามาใกล้ศูนย์กลางมวลแค่ครั้งเดียว จากนั้นจะพุ่งออกไป และไม่กลับมาอีกเลย

ปรากฏว่า วงโคจรของวัตถุทั้งปวงในเอกภพนั้น มีอยู่แค่สามแบบ นั่นก็คือ วงกลม (ซึ่งเป็นกรณีพิเศษของวงรี) วงรี และไฮเพอร์โบลา ดวงจันทร์นั้นโคจรเป็นวงรีรอบๆ โลก โลกโคจรเป็นวงรีรอบๆ ดวงอาทิตย์ ดาวหางโคจรเป็นวงรีรอบๆ ระบบสุริยะ ในขณะที่ดาวหางที่โคจรเป็นไฮเพอร์โบลานั้นจะโฉบเข้ามาระบบสุริยะชั้นใน และจะไม่กลับมาอีกเลย

เนื่องจากในอวกาศนั้นไม่มีแรงเสียดทาน ทันทีที่วัตถุมีการเคลื่อนที่อยู่ในอวกาศ วัตถุนั้นก็จะมีการเคลื่อนที่ต่อไปเรื่อยๆ และไม่มีการสูญเสียพลังงาน นั่นหมายความว่า วัตถุที่ลอยอยู่อย่างอิสระภายใต้แรงโน้มถ่วงทุกอัน กำลังอยู่ใน “วงโคจร” ของมันเอง หากเราพบวัตถุที่ลอยอยู่ ณ ตำแหน่งใดๆ ก็ตาม ความเร็วและทิศทางกลางเคลื่อนของวัตถุจะเป็นตัวกำหนด “วงโคจร” หรือเส้นทางการเดินทางของวัตถุเอาไว้ทั้งหมด และหากเราต้องการจะทราบวงโคจรของวัตถุ เราเพียงต้องการทราบแค่ตำแหน่ง และความเร็ว (อัตราเร็ว และทิศทางในการเคลื่อนที่) ของวัตถุในขณะหนึ่งๆ เราก็จะทราบวงโคจรทั้งหมดของมันได้ว่าวัตถุนั้นเคยมาจากที่ใด และจะเคลื่อนที่ไปบริเวณใดในอนาคต

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.

แรงโน้มถ่วง เป็นหนึ่งในสี่แรงหลักของธรรมชาติ ร่วมกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อ่อน และแรงนิวเคลียร์เข้ม

แรงโน้มถ่วง คือแรงที่กระทำระหว่างมวล แรงซึ่งดึงดูดวัตถุรอบข้างเข้าสู่จุดศูนย์กลางของตัวเอง และในจักรวาลแห่งนี้ ทุกวัตถุมีมวล ส่งผลให้ทุกวัตถุมีแรงดึงดูดหรือแรงโน้มถ่วงของตัวเอง ไม่ว่าจะเป็นดวงดาวขนาดใหญ่ในกาแล็กซีหรือร่างกายของเรา

มวลและน้ำหนัก

มวล (Mass) คือ ปริมาณเนื้อสสารทั้งหมดที่ประกอบเป็นวัตถุนั้นๆ ซึ่งไม่ว่าวัตถุชิ้นนั้นจะไปอยู่ในสถานที่ใด มวลจะไม่มีวันเปลี่ยนแปลง มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัม (Kg) แตกต่างจากน้ำหนัก (Weight) ซึ่งเป็นผลของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุนั้นๆ และในทางวิทยาศาสตร์ น้ำหนักมีทิศทางและเป็นปริมาณเวกเตอร์ (Vector) โดยแปรผันตามค่าแรงโน้มถ่วงและมวลของวัตถุ โดยมีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton) แตกต่างจากภาษาพูดทั่วไปของเราที่เรียกน้ำหนักเป็นหน่วยกิโลกรัม

ในจักรวาล หากทำการชั่งน้ำหนักตัวบนดวงจันทร์ ย่อมได้ผลที่แตกต่างจากน้ำหนักที่ชั่งบนโลก เพราะแรงโน้มถ่วงบนดาวแต่ละดวงมีค่าไม่เท่ากัน และถ้าเรา มีน้ำหนักราว 100 ปอนด์ (45 กิโลกรัม) บนโลก บนดวงจันทร์เราจะมีน้ำหนักเพียง 17 ปอนด์ (8 กิโลกรัม) นอกจากนี้ บนดาวพุธและดาวอังคารเราจะหนักราว 38 ปอนด์ (17 กิโลกรัม), หนัก 91 ปอนด์ (41 กิโลกรัม) บนดาวศุกร์และดาวยูเรนัส, 253 ปอนด์ (115 กิโลกรัม) บนดาวพฤหัสบดี, 107 ปอนด์ (49 กิโลกรัม) บนดาวเสาร์และ 114 ปอนด์ (52 กิโลกรัม) บนดาวเนปจูน

แรงโน้มถ่วงของโลก คือ แรงดึงดูดที่มวลของโลกกระทำต่อวัตถุรอบข้าง โดยการดึงเข้าหาจุดศูนย์กลางหรือแก่นของดวงดาว ไม่ว่าจะเป็นต้นไม้ ใบหญ้า สัตว์ สิ่งของ มนุษย์ หรือแม้แต่อากาศ ทั้งหมดล้วนถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดไว้ไม่ให้กระจายตัวออกไปในอวกาศ เช่นเดียวกับดาวเทียมและสถานีอวกาศที่ถูกมนุษย์ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก รวมไปถึงดวงจันทร์ที่เป็นดาวบริวารของโลกอีกด้วย

โดยทั่วไปนั้น แรงโน้มถ่วงจะแปรผันตามขนาดมวลและระยะห่างระหว่างวัตถุ การที่มีมวลมาก ย่อมส่งผลให้มีแรงดึงดูดมาก โดยเฉพาะวัตถุที่มีมวลขนาดใหญ่ เช่น ดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าโลกของเราหลายล้านเท่า จึงมีแรงโน้มถ่วงมากพอที่จะทำให้ดาวเคราะห์ทั้งหลายโคจรรอบตัวมันเอง เช่นเดียวกับระยะห่างระหว่างมวล วัตถุที่อยู่ใกล้ชิดกัน แรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างกันย่อมมีมากกว่าวัตถุที่อยู่ห่างไกลออกไป

การค้นพบแรงโน้นถ่วง

ในอดีตนักวิทยาศาสตร์ต่างมีข้อสังเกตและรับรู้ได้ว่าโลกของเรานั้น มีแรงลึกลับบางอย่างที่ทำการยึดเหนี่ยวตัวเราให้อยู่ติดบนพื้นผิวโลก จนกระทั่งในปี ค.ศ.1666 ไอแซ็ค นิวตัน (Isaac Newton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ให้คำนิยามต่อแรงลึกลับนี้ว่า “แรงโน้มถ่วง”

จากข้อสงสัยที่ว่าทำไมผลแอปเปิลที่หลุดจากต้นนั้น หล่นลงพื้นแทนที่จะลอยขึ้นไปในอากาศ การหล่นของแอปเปิลเป็นผลของแรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างมวลทั้ง 2 เช่นเดียวกับการดึงดูดดวงจันทร์ให้โคจรรอบโลกของเรา

แนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงของนิวตันนี้ ไม่เป็นที่รู้จักมากนัก จนกระทั่งได้รับการตีพิมพ์ใน “หนังสือหลักการคณิตศาสตร์ว่าด้วยปรัชญาธรรมชาติ” (The Mathematical Principles of Natural Philosophy) ในปี ค.ศ.1687 จนกลายเป็นที่ยอมรับอย่างแพร่หลาย รวมถึงการคิดค้น “กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน” (Newton’s laws of universal gravitation) ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำคัญให้กับกลศาสตร์ดั้งเดิมผ่าน “กฎการเคลื่อนที่” (Three Laws of Motion) ที่กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับเปลี่ยนโฉมหน้าของวงการวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ในยุคต่อมา

ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง

1. แรงโน้มถ่วงทำให้โลกและดวงดาวทั้งหลายมีรูปร่างเป็นทรงกลม
2. ถึงแม้ตัวเราจะมีมวล แต่มวลของเราเล็กมากเมื่อเทียบกับมวลของโลก ดังนั้น แรงโน้มถ่วงของตัวเราจึงไม่มีผลต่อโลกแม้แต่น้อย
3. หากชั่งน้ำหนักตัวบนยอดเขาเอเวอเรสต์ (Mount Everest) น้ำหนักที่ได้จะมีค่าต่ำกว่า (เล็กน้อย) กับน้ำหนักตัวที่ชั่งบนพื้นที่ราบระดับน้ำทะเล
4. ปรากฏการณ์น้ำขึ้น-น้ำลง เกิดจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ ซึ่งแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์นี้ มีค่าเพียง 1 ใน 6 ของแรงโน้มถ่วงโลก
5. สถานีอวกาศนานาชาติที่ระดับความสูงราว 400 กิโลเมตร ยังอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลก แต่การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ส่งผลให้สถานีอวกาศไม่ตกลงสู่พื้น นักบินอวกาศรู้สึกไร้น้ำหนักเพราะพวกเขาอยู่ในสภาวะการตกอย่างเสรี (Free fall) ตลอดเวลา
6. แรงโน้มถ่วงมีค่าเป็นศูนย์ในอวกาศ ดังนั้น หากลอยตัวอยู่ในอวกาศเราจะไม่มีน้ำหนักเลยแม้แต่น้อย
7. หากเราสามารถเดินทางด้วยความเร็ว 11 กิโลเมตรต่อวินาที จะทำให้เราสามารถเดินทางหลุดพ้นจากแรงดึงดูดของโลกได้ หรือที่เรียกว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (Escape velocity)
8. ถึงแม้วัตถุสองชิ้นจะมีน้ำหนักต่างกัน แต่แรงโน้มถ่วงจะทำให้พวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน ซึ่งหากเราทิ้งลูกบอลที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีน้ำหนักต่างกัน 2 ลูก ลงจากหน้าต่างพร้อมกัน ลูกบอลทั้งสองจะตกถึงพื้นในเวลาเดียวกัน (ในสภาวะที่ไม่มีแรงต้านจากอากาศ)
9. หลุมดำ (Black hole) มีมวลและความหนาแน่นมหาศาล ส่งผลให้แรงโน้มถ่วงของหลุมดำดึงดูดได้แม้กระทั่งแสง จนปัจจุบันนี้ เรายังไม่รู้ว่าข้างในหลุมดำมีอะไร
10. ถึงแม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเพราะความเบาบางของแรงที่กระทำต่อเรา แต่แรงโน้มถ่วงเป็นแรงเดียวที่ยึดเหนี่ยวเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงไม่มีการลดทอนหรือถูกดูดซับเนื่องจากมวลใดๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่สำคัญมากในการยึดเหนี่ยวเอกภพเข้าไว้ด้วยกัน

ข้อมูลอ้างอิง

ศูนย์การเรียนรู้วิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์ (LESA)

องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA)

Idaho National Laboratory

สำนักข่าว BBC

เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : แผ่นเปลือกโลก และการเปลี่ยนแปลง