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
Формула света
Новая картина Мироздания
Приливные силы
Картинка к этой статье взята из интернета. Там много таких картинок, и во всех содержится одна и та же принципиальная ошибка. Какая? Надеюсь, вы сможете ответить на этот вопрос, прочитав статью.
Уравнения гравитации обратимы во времени. Это означает, что если возможно какое-то движение по орбите, то, возможно и обратное движение по той же самой орбите. То есть, процессы, происходящие под действием гравитации обратимы во времени. И всё-таки, это не совсем так. Когда планеты и спутники находятся близко друг к другу, они ДЕФОРМИРУЮТ друг друга своими гравитационными полями. При такой деформации часть энергии переходит в тепло. А это уже НЕОБРАТИМЫЙ процесс. Поэтому любая гравитационно связанная система постепенно эволюционирует в сторону уменьшения свободной энергии. В дальнейшем, используя простые рассуждения и уравнения, мы сможем понять, в КАКОМ направлении должна эволюционировать любая планетная система. В результате мы сможем ответить на вопрос: КАК образуется планетная система? В результате распада или сжатия вещества?
Самый известный тип необратимого гравитационного взаимодействия – это приливные силы. Познакомимся с ними.
Пусть вокруг планеты по круговой орбите вращается спутник, который повёрнут к ней всегда одной и той же стороной. Поэтому приливные силы, действующие со стороны планеты на спутник, сводятся только к тому, что он немного «вытягивается» в сторону планеты. Например, Луна повёрнута к Земле всегда одной и той же стороной, а её диаметр в направлении Земли немного больше, чем в каком-либо другом направлении. То же самое относится и к спутникам других планет.
Физический смысл этого явления достаточно прост. В центре спутника центробежная сила, вызванная его движением по орбите, в точности уравновешена силой притяжения со стороны планеты. В половине спутника, ближней к планете, центробежная сила меньше силы притяжения, а в дальней половине – наоборот, больше. Эта разность сил и вытягивает спутник:
Соответственно, спутник также «вытягивает» планету вдоль линии, соединяющей планету и спутник, образуя два приливных «горба» на противоположных сторонах планеты.
Если вращение планеты и спутника не синхронно, то возникает так называемое приливное трение, которое либо тормозит, либо ускоряет вращение планеты.
В качестве примера рассмотрим систему Земля-Луна. Луна своим гравитационным полем вытягивает на Земле два приливных горба: на подлунной и противоположной сторонах. Из-за того что Земля вращается вокруг своей оси быстрее, чем Луна по своей орбите, этот горб смещается относительно линии Земля-Луна:
Здесь схематично изображено, как вытянуты Земля и Луна (вид с Северного полюса). На самом деле, они вытянуты намного слабее. Я специально «вытянул» их сильно, чтобы было хорошо видно. Лунные горбы ориентированы строго вдоль линии Земля-Луна. А земные – нет. Потому что Земля вращается вокруг своей оси значительно быстрее, чем Луна движется по орбите. Из-за этого вытянутость (приливные горбы) Земли повернута на некоторый угол (на изображении этот угол также преувеличен). Поэтому Луна вытягивает два новых горба на земной поверхности вдоль линии Земля-Луна. Эти новые горбы снова смещаются из-за вращения Земли и процесс повторяется.
В результате возникают два эффекта.
Из-за постоянного возникновения приливного горба на подлунной и противоположной сторонах Земли создаётся эффект бегущей приливной волны. Она движется против вращения Земли и, соответственно, замедляет её. При этом выделяется энергия в виде тепла. Из-за инерции земной коры приливный горб незначительно сдвинут относительно линии Земля-Луна в направлении вращения Земли. Благодаря этому гравитационные силы, действующие со стороны горба на Луну, ускорят её движение по орбите.
В результате момент импульса Земли уменьшается, а Луны, наоборот, увеличивается. Земля постепенно передаёт энергию своего вращения Луне, которая вследствие этого медленно удаляется от Земли. Стоит отметить, что Земля передаёт Луне только малую часть кинетической энергии, потерянной вследствие действия приливных сил. А бОльшая часть кинетической энергии переходит в тепло, незначительно нагревая Землю.
На это явление можно посмотреть и с другой стороны. Луна вызывает на Земле приливы, энергию которых можно использовать. Ясно, что подобный процесс не может продолжаться вечно. Система Земля-Луна должна терять энергию. Из-за того что приливная волна движется против вращения Земли, она постепенно тормозит Землю, уменьшая её момент импульса. Однако момент импульса замкнутой системы должен оставаться неизменным. Поэтому орбитальный момент импульса Луны увеличивается.
На первый взгляд, это может показаться странным. Действительно, в результате трения, вызванного движением Луны вокруг Земли, Луна не падает на Землю, а, наоборот, удаляется от неё. То есть, её энергия возрастает. Получается, что Луна, совершая работу над Землёй (в том числе, заставляя работать приливные электростанции), увеличивает собственную энергию. Откуда же берётся энергия? Из вращения Земли. Земля постепенно тормозится, и её потерянная кинетическая энергия тратится на приливный нагрев, на работу приливных электростанций и на увеличение гравитационной энергии Луны.
А хватит ли энергии земного вращения на всё это? Да, хватит.
Мы уделяем много времени приливным силам, потому что они очень важны для понимания эволюции Солнечной системы. Образно говоря, это один из немногих ключей, используя которые можно приоткрыть завесу тайны, скрывающую возникновение планет и их спутников.
Итак, вращение Земли замедляется, и её момент импульса уменьшается. Так как общий момент импульса системы Земля-Луна сохраняется (мы не учитываем в данной задаче приливные силы со стороны Солнца), то утраченный Землёй момент импульса в целости сохранности передаётся Луне. Что при этом происходит с полной энергией системы?
Момент импульса пропорционален массе, расстоянию и скорости, а кинетическая энергия – массе и квадрату скорости. Поэтому ясно, что эти величины не смогут сохраняться вместе. Возрастать кинетическая энергия системы не может, поэтому остаётся единственная возможность. Момент импульса всей системы строго сохраняется, а её кинетическая энергия уменьшается. При этом весь недостаток кинетической энергии необратимо переходит в тепло.
Скорость вращения Земли уменьшается, а скорость движения Луны по орбите возрастает. Но так как Луна находится значительно дальше от центра вращения, чем Земля, её скорость возрастает не так сильно, как уменьшается скорость вращения Земли. То есть Земля теряет кинетической энергии значительно больше, чем передаётся Луне по закону сохранения момента импульса. И вся эта разность переходит в тепло. Здесь важно подчеркнуть, что всё это тепло выделяется только внутри и на поверхности Земли. На Луне же никакого нагрева в результате этого процесса не происходит.
Здесь может возникнуть сомнение. Предположим, планета очень массивная, а её спутник – крошечный. В таком случае дополнительная скорость, которую получит спутник в результате действия приливных сил, будет намного больше, чем скорость, потерянная планетой. Так как прибавка скорости пропорциональна переданному моменту и обратно пропорциональна массе спутника. С другой стороны кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Не будет ли в этом случае нарушаться закон сохранения энергии? Давайте проделаем расчёты.
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 ➤ Adblockdetector | ||||||
