Приливные силы Луны
На обветренном Атлантическом побережье Северной Америки, на границе США и Канады, находится одно из природных чудес света – залив Фанди. Каждые 12,4 часа круглый год в залив втекает и вытекает до 115 млрд тонн воды, вызывая приливы высотой до – 20 м. Течения и окружающий ландшафт – создают предрасположенность залива к подобным экстремальным измене но их первопричина – это действие силы тяжести Луны.
СИЛА ТЯЖЕСТИ ЛУНЫ
Земные приливы вызваны разницей в действии притяжения Луны на разные стороны Земли. На нашей планете действуют большие приливные силы, поскольку Луна – один из самых крупных спутников в Солнечной системе.
Сила тяжести Луны уменьшается пропорционально квадрату расстояния от нее до центра Земли. Например, сила тяжести Луны на расстоянии 100 000 км в четыре раза сильнее, чем на расстоянии 200 000 км. Поскольку диаметр Земли относительно велик по сравнению со средним расстоянием между Землей и Луной, сила тяжести Луны намного сильнее на ближней к ней стороне Земли, чем в центре планеты или на ее дальней стороне. В результате Луна поднимает на Земле два приливных горба, или вздутия: один – в направлении Луны, а другой – на противоположной стороне. Высокий прилив на дальней стороне Земли вызван тем, что эти океаны настолько удалены, что ощущают малейшее притяжение Луны. Однако существует сила, которая оттягивает-эти океаны от Луны.
Земля и Луна вращаются вокруг общего центра массы, расположенного глубоко внутри Земли. Представьте себе Землю и Луну как единое целое, состоящее из двух шаров на разных концах вращающейся трости. Вода на дальней стороне Земли, вдали от Луны, выталкивается из центра этого вращающегося целого Земля – Луна. Внешняя сила называется инерцией, она равна силе, притягивающей ближнюю сторону Земли к Луне. Водные массы, ощущающие эти две силы, постоянно меняются по мере вращения Земли, но изменения всегда происходят по направлению к Луне и от нее.
СЛОЖНОСТИ ПРИЛИВОВ
Приливные горбы влияют на воды земных океанов намного сильнее, чем твердая кора Земли. Если бы Земля была покрыта однородным океаном, разница между приливом и отливом составляла бы 54 см воды, которая носилась бы вокруг планеты, создавая два цикла в день по мере вращения Земли под горбами. Тем временем деформирующиеся породы недр Земли изогнулись бы лишь на несколько сантиметров.
В действительности приливные горбы Земли находятся не на одной линии с Луной – 24-часовое вращение нашей планеты настолько быстрое, что она несет приливные горбы «вперед» так, что если в полдень вверху проходит Луна, то мы можем ожидать высокий прилив в 10:00. Кроме того, большая часть приливной энергии создается не простым движением воды вверх и вниз, а горизонтальными поверхностными волнами, переносящими свою энергию по планете. В результате невозможно предсказать силу и время приливов, основываясь только на теории.
ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ПРИЛИВЫ
Это приводит к крайностям, которые наблюдаются в заливе Фанди и других местах, где течения из разных направлений могут создавать два прилива для каждого 12-часового цикла.
Есть еще один важный фактор: Луна – не единственное небесное тело, поднимающее приливы на Земле. Солнце оказывает подобное, но меньшее влияние, поднимая свою собственную пару приливных горбов. В течение синодического (лунной фазы) месяца взаимно меняющиеся направления Солнца и Луны приводят к тому, что их соответствующие приливы усиливают или ослабляют друг друга, создавая цикл высоких приливов и низких отливов.
Подъем и спад океанических вод оказывали сильное влияние на Землю и жизнь на ней. Некоторые биологи считают, что в приливной зоне литорали и влажных песках между приливами и отливами зародилась жизнь. В наши дни циклы размножения многих видов привязаны к приливам. Например, некоторые виды черепах выходят на берег откладывать яйца во время отливов, чтобы на несколько недель уберечь свой выводок от затопления или смывания в воду, пока позднее прилив не унесет вылупившийся молодняк обратно в море.
Приливные силы не ограничиваются нашими океанами. Земля оказывает еще большее приливное влияние на Луну. Поскольку одна часть Луны постоянно повернута в сторону нашей планеты, приливы не передвигаются по поверхности, а создают постоянную деформацию Луны. Однако вследствие того, что расстояние между Луной и Землей изменяется в пределах 42 000 км в течение каждого месяца, мощь приливной силы колеблется. Хотя безводная поверхность смещается лишь на 1,7 м, этого достаточно, чтобы вызвать сейсмические колебания, часами воздействующие на недра Луны.
ПРИЛИВНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ
Медленное синхронное вращение Луны сводит к минимуму приливные силы. Однако когда Луна была моложе, она вращалась быстрее и находилась ближе к Земле. Это создавало огромные приливные силы, которые формировали большие горбы на обеих сторонах Луны, слегка отстававшие от направления движения Земли. В результате Луна была подвержена гигантским силам приливного торможения.
Следует принять во внимание еще один факт. Горб, направленный на Луну, имеет склонность «управлять» положением нашего спутника, он тянет Луну вперед и слегка ее ускоряет. Это приводит к тому, что Луна немного удаляется на своей орбите, что обнаружили во время экспериментов на космическом корабле «Аполлон». В то же время Луна оттягивает назад приливные горбы Земли и постепенно замедляет нашу планету. Благодаря палеонтологическим данным было установлено, что 180 млн лет назад в году было около 381 дня, каждый из которых длился всего 23 часа.
Источник
Приливная сила — Tidal force
Приливная сила представляет собой гравитационный эффект , который простирается телом вдоль линии по направлению к центру масс другого тела из — за градиент (разница в прочности) в гравитационном поле от другого тела; он отвечает за различные явления, включая приливы , приливные блокировки , разрушение небесных тел и образование кольцевых систем в пределах предела Роша , а в крайних случаях — спагеттификацию объектов. Он возникает из-за того, что гравитационное поле, действующее на одно тело другим, непостоянно по всем его частям: ближайшая сторона притягивается сильнее, чем самая дальняя сторона. Именно эта разница заставляет тело растягиваться. Таким образом, приливная сила также известна как дифференциальная сила, а также вторичный эффект гравитационного поля.
В небесной механике выражение приливная сила может относиться к ситуации, в которой тело или материал (например, приливная вода) находится в основном под гравитационным влиянием второго тела (например, Земли), но также возмущается гравитационные эффекты третьего тела (например, Луны). Возмущающую силу в таких случаях иногда называют приливной силой (например, возмущающей силой на Луне ): это разница между силой, оказываемой третьим телом на второе, и силой, оказываемой третьим телом на первое. .
СОДЕРЖАНИЕ
Объяснение
Когда на тело (тело 1) действует сила тяжести другого тела (тела 2), поле может значительно варьироваться на теле 1 между стороной обращенного к телу тела 2 и стороной, обращенной от тела 2. На рисунке 4 показано дифференциальная сила тяжести, действующая на сферическое тело (тело 1) со стороны другого тела (тела 2). Эти так называемые приливные силы вызывают деформации обоих тел и могут исказить их или даже, в крайних случаях, разорвать одно или другое на части. Предел Роше является расстоянием от планеты , на которой приливные эффекты бы вызвать объект распадаться , поскольку дифференциал силы тяжести с планеты преодолевает притяжение частей объекта друг к другу. Эти деформации не возникли бы, если бы гравитационное поле было однородным, потому что однородное поле только заставляет все тело вместе ускоряться в одном направлении и с одинаковой скоростью.
Размер и расстояние
Отношение размера астрономического тела к его расстоянию от другого тела сильно влияет на величину приливной силы. Приливная сила, действующая на астрономическое тело, такое как Земля, прямо пропорциональна диаметру этого астрономического тела и обратно пропорциональна кубу расстояния от другого тела, создающего гравитационное притяжение, такого как Луна или Солнце. Воздействие приливов на ванны, бассейны, озера и другие небольшие водоемы незначительно.
На рисунке 3 показан график, показывающий, как сила тяжести уменьшается с расстоянием. На этом графике сила притяжения уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а наклон относительно значения уменьшается прямо пропорционально расстоянию. Вот почему градиент или приливная сила в любой точке обратно пропорциональны кубу расстояния.
Приливная сила соответствует разнице Y между двумя точками на графике, одна точка находится на ближней стороне тела, а другая — на дальней стороне. Приливная сила увеличивается, когда две точки находятся либо дальше друг от друга, либо когда они располагаются левее на графике, то есть ближе к притягивающему телу.
Например, Луна создает большую приливную силу на Земле, чем Солнце, даже несмотря на то, что Солнце оказывает большее гравитационное притяжение на Земле, чем Луна, потому что градиент меньше. Приливная сила пропорциональна массе вызывающего ее тела и радиусу тела, подверженного ей. Земля в 81 раз массивнее Луны, но ее радиус примерно в 4 раза больше. Следовательно, на том же расстоянии Земля создает большую приливную силу на Луне, чем приливная сила Луны на Земле.
Гравитационное притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Притяжение будет сильнее на стороне тела, обращенной к источнику, и слабее на стороне от источника. Приливная сила пропорциональна разнице.
Солнце, Земля и Луна
Как и ожидалось, таблица ниже показывает, что расстояние от Луны до Земли такое же, как расстояние от Земли до Луны. Земля в 81 раз массивнее Луны, но ее радиус примерно в 4 раза больше. В результате на том же расстоянии приливная сила Земли на поверхности Луны примерно в 20 раз сильнее, чем приливная сила Луны на поверхности Земли.
| Гравитационное тело, вызывающее приливную силу | Тело подвержено приливной силе | Диаметр и расстояние | Приливная сила | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Тело | Масса ( м ) | Тело | Радиус ( r ) | Расстояние ( d ) | 2 р d 3 <\ displaystyle <\ frac <2r> | грамм м 2 р d 3 <\ displaystyle Gm <\ frac <2r> |
| солнце | 1,99 × 10 30 кг | земля | 6.37 × 10 6 м | 1,50 × 10 11 м | 3,81 × 10 −27 м −2 | 5,05 × 10 −7 м⋅с −2 |
| Луна | 7,34 × 10 22 кг | земля | 6.37 × 10 6 м | 3,84 × 10 8 м | 2,24 × 10 −19 м −2 | 1,10 × 10 −6 м⋅с −2 |
| земля | 5,97 × 10 24 кг | Луна | 1,74 × 10 6 м | 3,84 × 10 8 м | 6,12 × 10 −20 м −2 | 2,44 × 10 −5 м⋅с −2 |
m — масса; r — радиус; d — расстояние; 2 r — диаметр Эффекты
В случае бесконечно малой упругой сферы действие приливной силы должно исказить форму тела без какого-либо изменения объема. Сфера становится эллипсоидом с двумя выпуклостями, направленными к другому телу и от него. Более крупные объекты искажаются в овоид и слегка сжимаются, что происходит с океанами Земли под действием Луны. Земля и Луна вращаются вокруг своего общего центра масс или барицентра , и их гравитационное притяжение обеспечивает центростремительную силу, необходимую для поддержания этого движения. Для наблюдателя на Земле, очень близко к этому барицентру, ситуация — это Земля как тело 1, на которое действует гравитация Луны как на тело 2. Все части Земли подвержены гравитационным силам Луны, вызывая вода в океанах перераспределяется, образуя выпуклости по бокам около Луны и вдали от Луны. Когда тело вращается под действием приливных сил, внутреннее трение приводит к постепенному рассеиванию его кинетической энергии вращения в виде тепла. В случае с Землей и Землей Луна потеря кинетической энергии вращения приводит к увеличению примерно на 2 миллисекунды в столетие. Если тело находится достаточно близко к своему основному объекту, это может привести к вращению, которое приливно привязано к орбитальному движению, как в случае Луны Земли. Приливное нагревание вызывает драматические вулканические эффекты на спутнике Юпитера Ио . Напряжения, вызванные приливными силами, также вызывают регулярные ежемесячные лунные землетрясения на Луне. Приливные силы способствуют возникновению океанских течений, которые смягчают глобальные температуры, передавая тепловую энергию к полюсам. Было высказано предположение, что вариации приливных сил коррелируют с периодами похолодания в глобальных температурных рекордах с интервалами от 6 до 10 лет, и что вариации гармонических биений приливных воздействий могут вносить вклад в изменения климата в тысячелетие. На сегодняшний день не обнаружено прочной связи с изменениями климата тысячелетия.
Приливные эффекты становятся особенно заметными возле небольших тел большой массы, таких как нейтронные звезды или черные дыры , где они ответственны за « спагеттификацию » падающего вещества. Приливные силы создают океанический прилив в океанах Земли , где притягивающими телами являются Луна и, в меньшей степени, Солнце . Приливные силы также ответственны за приливную блокировку , приливное ускорение и приливное нагревание. Приливы также могут вызывать сейсмичность . Создавая проводящие жидкости внутри Земли, приливные силы также влияют на магнитное поле Земли . Источник Начала физики. 20. Приливные силы и эволюция системы Земля-Луна.Приливные силы — это разность гравитационных сил притягивающего тела на «концах» притягиваемого тела. Они растягивают оба тела вдоль прямой, соединяющей центры масс этих тел. Земля растягивает Луну, а Луна, в свою очередь, растягивает Землю. Этот эффект на Земле мы наблюдаем в виде дважды в сутки набегающих на берега океанов приливов и последующих отливов. 1. Приливные силы. F зл = GmM/(r — R 1 ) ² — GmM/(r + R 1 ) ², (1) а действующая со стороны спутника на планету приливная сила есть F лз = GmM/(r — R 0 ) ² — GmM/(r + R 0 ) ². (2) Мы видим, что эти выражения отличаются только размером (радиусом) притягиваемого тела. F зл ≈ 4GMm R 1 /r ³, (3) F лз ≈ 4GMm R 0 /r ³, (4) Откуда видно, что приливные силы обратно пропорциональны кубу расстояния между небесными телами и пропорциональны размеру притягиваемого тела. 2. Что творят эти приливные силы? Эта диссиппация энергии уменьшает момент импульса вращения небесного тела вокруг своей оси. В случае достаточно малых тел (спутники планет) этот процесс завершается синхронизацией орбитального периода с периодом вращения вокруг своей оси за достаточно малое по космологическим меркам времени. Именно это произошло с Луной, Галилеевыми спутниками Юпитера и еще рядом спутников планет солнечной системы. И факт завершения этого процесса называют приливным захватом спутника. В этом случае приливной горб на спутнике, ориентированный по линии, соединяющей планету и спутник, стоит на месте, деформация спутника стационарна и диссипация энергии прекращена. Приливные силы взаимны. Поэтому Луна растягивает Землю в направлении на себя. Но Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Луна вокруг нее. И поэтому деформация растяжения (приливной горб) бежит по Земле и совершает оборот примерно за сутки (приливных горба — два, один на стороне Луны, другой — на противоположной стороне). Периодическая деформация тела Земли из-за диссипации ее энергии замедляет вращение Земли вокруг своей оси. Но из-за существенной разницы в массах Земли и Луны этот процесс идет чрезвычайно медленно. Насколько? По последним геологическим данным примерно 1,4 миллиарда лет назад длительность земных суток составляла 18,7 нынешних земных часов, а не 24 часа, как сейчас. Другими словами — длительность земных суток убывает на один час примерно за 265 миллионов лет. А поскольку история Земли как небесного тела насчитывает примерно 4,5 млрд. лет, то в начале своей истории (оценка по грубой линейной аппроксимации) длительность земных суток составляла около 7 нынешних земных часов. Вдумчивый студент сразу заметит — «Простите, момент импульса вращения Луны вокруг своей оси уменьшился до некоей минимальной величины, момент импульса вращения Земли вокруг своей оси продолжает уменьшаться, но система Земля-Луна является замкнутой в том смысле, что в окружающем эту систему пространстве нет тормозящих ее вращение сил. Значит, и момент импульса этой системы должен сохраняться! Куда же он девается?« Задав такой вопрос этот студент неявно на него и ответил. Момент импульса системы Земля-Луна должен сохраняться. Но убыль момента импульса из вращательных движений Земли и Луны вокруг их осей должна полностью компенсироваться прибылью момента импульса в орбитальном движении Луны вокруг Земли. Другими словами, радиус орбиты Луны должен непрерывно увеличиваться. И астрономические наблюдения последних лет полностью подтверждают этот вывод — радиус орбиты Луны увеличивается темпом в 3,9 сантиметра в год. А полный момент импульса системы Земля-Луна, действительно, сохраняется. Есть еще один вопрос. А каковы действующие на Землю приливные силы от Солнца и какова их роль? Да, Солнце почти в 27 млн. раз массивней Луны, но зато почти в 400 раз дальше Луны. И если масса входит в выражение приливной силы линейно, то расстояние — в третьей степени. Надо, очевидно, посчитать. Расчет для средних расстояний Солнца и Луны от Земли показывает, что действующие на Землю приливные силы от Солнца оказываются чуть меньше половины приливных сил от Луны. Поэтому приливы в земных океанах, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются вдоль одной прямой, оказываются максимальными. Источник ➤ Adblockdetector | ||||||
