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地球神奇的一天(月球为什么总是一面朝着地球呢?月球会自转吗)
发布时间:2022-10-14 23:39   浏览:

2019年1月3日, 中国的“嫦娥四号”卫星成功的在月球背面登陆,它携带的月球探测车“玉兔二号”也开始了正常的工作,这是人类历史上第一次在月球背面实现软着陆,揭开了人类探索月球的新的篇章。

月球在围绕地球公转时,也在自转。在恒星参考系下,月球公转时间是27.32天,自转周期同样也是27.32天,于是就造成了月球总是一面朝着地球。

也正因为如此,千百年来,月球的背面对人类十分神秘。直到近代,人类发射了许多的人造卫星,才终于揭开了月球背面神秘的面纱。

那么,为什么月球的自转周期和公转周期严格相等呢?为了解释这个问题,我们首先要从一个虚拟力:惯性离心力说起。

惯性离心力

力是物体之间的相互作用,需要有施力物体和受力物体,比如重力、摩擦力、弹力、电磁力等都是真实存在的力。但是,有时候为了数学处理的方便,我们会引入一些虚拟的力,它们不存在,但是引入之后会使问题的讨论变得十分方便,惯性离心力就是这样一种力。

我们都有过这样的经历:在公交车上,如果公交车向左转弯,我们的身子会不由自主的向右歪。在游乐场里有种类似旋转秋千的设施,一旦转动起来,人就会飞到空中,这些都可以看做惯性离心力的作用。

我们可以设计这样的一个模型来说明惯性离心力:有一个匀速旋转的圆盘,上方固定了一个小球。原本小球和圆盘一起旋转,但是某个时刻,小球和圆盘的连接突然断掉了。此后,圆盘会继续旋转,但是小球会凭借惯性做匀速直线运动。

此时如果我们站在圆盘上看,就会觉得小球离中心点越来越远,好像有一种力正在拉着小球向外运动,我们可以把这种力叫做惯性离心力。

经过物理学的推导,惯性离心力的公式为:

其中m表示物体的质量,r表示物体到旋转圆心的距离,而ω称为角速度,表示物体旋转的快慢,它的大小等于2π与旋转周期的比。从公式可以看出:物体的质量越大,距离中心越远,旋转的越快,那么惯性离心力就越大。

潮汐

利用惯性离心力,我们就可以方便的解释潮汐了。

我们知道:地球时刻受到太阳的万有引力作用,同时地球在围绕太阳做圆周运动,因此还受到了惯性离心力。

万有引力的大小为

其中G是万有引力常数,M和m分别是太阳和地球的质量,r是太阳和地球的距离。容易看出:万有引力是随着距离的增大而减小的。

另一方面,如前所述,离心力的大小为

离心力是随着距离的增大而增大的。

在地球中心O的位置,这两个力刚好等大反向,合力为零,因此地球的公转半径几乎不变,既不会靠近太阳,也不会远离太阳。

不过,在地球的表面上情况并不是这样。如果有一个物体在地面上靠近太阳的A点,由于距离太阳近,因此万有引力变大,离心力变小,万有引力和离心力的合力指向太阳。类似的,在地面上远离太阳的B点,物体所受的万有引力变小,离心力变大,合力背离太阳。这里A点和B点所受的合力称为引潮力,是背离地球的。

在地面上有一种非常容易流动的物体:水。由于刚才所述的原因,A点和B点的水都会受到最大的引潮力作用,这会使水面拱起,形成涨潮。同时,水会向A点和B点流动,而在地面上另外两个位置C和D,水面就会下降,形成落潮。这种因为太阳造成的涨潮和落潮称为太阳潮。

与太阳潮类似,月球对地球的吸引力和惯性离心力的合力就是月球的引潮力,而且由于月球距离地球更近,月球的引潮力比太阳更大。在地球朝向月亮的一侧和背离月亮的一侧,会形成月亮潮的涨潮,这种潮水称为太阴潮。

在农历初一(朔)和农历十五(望)的时候,太阳、地球、月球在一条直线上,此时太阳潮和太阴潮的涨潮相互叠加,就会形成大潮。但如果太阳-地球、地球-月球连线相互垂直,就会造成太阳潮和太阴潮相互抵消,形成小潮。

虽然从理论上讲大潮的日子都应该是农历初一和十五、十六,但是由于地球地形等因素的影响,各地大潮的时间稍有不同,例如钱塘江大潮就是在每个月的初三和十八最为壮观。

潮汐锁定

理解了离心力和潮汐的原理,我们终于可以解释为什么月球总是一面朝着地球了,我们称之为潮汐锁定。

不光月球对地球有引潮力,地球对月球同样有引潮力。但是月球表面上却没有水,所以也没办法形成潮汐。不过,在引潮力的作用下,经过漫长的岁月,月球上的岩石也会发生流动,月球朝向地球和背离地球的两侧会被拉长,月球变成了椭球体。

在月球围绕地球转动的过程中,月球的长轴一直朝向地球。这是因为:假如月球转动过程中自转周期与公转周期不严格相等,造成长轴方向偏离了月地连线,引潮力就会及时纠正月球的姿势:A点的引潮力指向地球,B点的引潮力背离地球,两个力不共线,造成月球转动,直到月球的长轴指向地球,两个引潮力共线抵消未至。

就是在引潮力的作用下,经过十分漫长的过程,月球被地球锁定了,所以它只能一面朝着地球。

也许有小朋友要问:既然月球被地球锁定了,地球为什么没有被月球锁定呢?这是因为地球的质量要比月球大很多,锁定地球需要经过更加漫长的时间。其实,由于引潮力的原因,地球的自转周期的确在变大,也就是一天的时间越来越长。再经过几十亿年,地球也会被月球锁定,到了那个时候,地球的一天和一个月就是同样的时间了。

宇宙中有许多质量较小的星球,现在已经完成了相互锁定。例如冥王星和它的卫星卡戎,它们就是彼此锁定的:两颗星球彼此面对面,围绕共同的中心旋转。宛如一对彼此相思,却不能在一起的恋人。

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