游樂旋轉(zhuǎn)秋千:月球?yàn)槭裁纯偸且幻娉厍蚰卦虑驎赞D(zhuǎn)嗎

游樂旋轉(zhuǎn)秋千,

2019年1月3日

，中國的“嫦娥四號”衛(wèi)星成功的在月球背面登陸

，它攜帶的月球探測車“玉兔二號”也開始了正常的工作

，這是人類歷史上第一次在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸

，揭開了人類探索月球的新的篇章游樂旋轉(zhuǎn)秋千

。

游樂旋轉(zhuǎn)秋千:月球?yàn)槭裁纯偸且幻娉厍蚰卦虑驎赞D(zhuǎn)嗎

月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)時

，也在自轉(zhuǎn)游樂旋轉(zhuǎn)秋千。在恒星參考系下

，月球公轉(zhuǎn)時間是27.32天

，自轉(zhuǎn)周期同樣也是27.32天，于是就造成了月球總是一面朝著地球

。

也正因?yàn)槿绱擞螛沸D(zhuǎn)秋千

，千百年來，月球的背面對人類十分神秘

。直到近代

，人類發(fā)射了許多的人造衛(wèi)星，才終于揭開了月球背面神秘的面紗

。

那么

，為什么月球的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期嚴(yán)格相等呢游樂旋轉(zhuǎn)秋千？為了解釋這個問題

，我們首先要從一個虛擬力：慣性離心力說起

。

慣性離心力力是物體之間的相互作用游樂旋轉(zhuǎn)秋千，需要有施力物體和受力物體

，比如重力

、摩擦力、彈力

、電磁力等都是真實(shí)存在的力

。但是

，有時候?yàn)榱藬?shù)學(xué)處理的方便

，我們會引入一些虛擬的力，它們不存在

，但是引入之后會使問題的討論變得十分方便

，慣性離心力就是這樣一種力。

我們都有過這樣的經(jīng)歷：在公交車上

，如果公交車向左轉(zhuǎn)彎

，我們的身子會不由自主的向右歪。在游樂場里有種類似旋轉(zhuǎn)秋千的設(shè)施

，一旦轉(zhuǎn)動起來

，人就會飛到空中

，這些都可以看做慣性離心力的作用。

我們可以設(shè)計(jì)這樣的一個模型來說明慣性離心力：有一個勻速旋轉(zhuǎn)的圓盤

，上方固定了一個小球

。原本小球和圓盤一起旋轉(zhuǎn)，但是某個時刻

，小球和圓盤的連接突然斷掉了

。此后，圓盤會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)

，但是小球會憑借慣性做勻速直線運(yùn)動

。

此時如果我們站在圓盤上看，就會覺得小球離中心點(diǎn)越來越遠(yuǎn)

，好像有一種力正在拉著小球向外運(yùn)動

，我們可以把這種力叫做慣性離心力。

經(jīng)過物理學(xué)的推導(dǎo)

，慣性離心力的公式為：

其中m表示物體的質(zhì)量

，r表示物體到旋轉(zhuǎn)圓心的距離，而ω稱為角速度

，表示物體旋轉(zhuǎn)的快慢

，它的大小等于2π與旋轉(zhuǎn)周期的比。從公式可以看出：物體的質(zhì)量越大

，距離中心越遠(yuǎn)

，旋轉(zhuǎn)的越快，那么慣性離心力就越大

。

潮汐利用慣性離心力

，我們就可以方便的解釋潮汐了。

我們知道：地球時刻受到太陽的萬有引力作用

，同時地球在圍繞太陽做圓周運(yùn)動

，因此還受到了慣性離心力。

萬有引力的大小為

其中G是萬有引力常數(shù)

，M和m分別是太陽和地球的質(zhì)量

，r是太陽和地球的距離。容易看出：萬有引力是隨著距離的增大而減小的

。

另一方面

，如前所述，離心力的大小為

離心力是隨著距離的增大而增大的

。

在地球中心O的位置

，這兩個力剛好等大反向，合力為零

，因此地球的公轉(zhuǎn)半徑幾乎不變

，既不會靠近太陽

，也不會遠(yuǎn)離太陽。

不過

，在地球的表面上情況并不是這樣

。如果有一個物體在地面上靠近太陽的A點(diǎn)，由于距離太陽近

，因此萬有引力變大

，離心力變小，萬有引力和離心力的合力指向太陽

。類似的

，在地面上遠(yuǎn)離太陽的B點(diǎn)，物體所受的萬有引力變小

，離心力變大

，合力背離太陽。這里A點(diǎn)和B點(diǎn)所受的合力稱為引潮力

，是背離地球的

。

在地面上有一種非常容易流動的物體：水。由于剛才所述的原因

，A點(diǎn)和B點(diǎn)的水都會受到最大的引潮力作用

，這會使水面拱起，形成漲潮

。同時

，水會向A點(diǎn)和B點(diǎn)流動，而在地面上另外兩個位置C和D

，水面就會下降

，形成落潮。這種因?yàn)樘栐斐傻臐q潮和落潮稱為太陽潮

。

與太陽潮類似

，月球?qū)Φ厍虻奈蛻T性離心力的合力就是月球的引潮力，而且由于月球距離地球更近

，月球的引潮力比太陽更大

。在地球朝向月亮的一側(cè)和背離月亮的一側(cè)，會形成月亮潮的漲潮

，這種潮水稱為太陰潮

。

在農(nóng)歷初一（朔）和農(nóng)歷十五（望）的時候，太陽

、地球、月球在一條直線上

，此時太陽潮和太陰潮的漲潮相互疊加

，就會形成大潮

。但如果太陽-地球、地球-月球連線相互垂直

，就會造成太陽潮和太陰潮相互抵消

，形成小潮。

雖然從理論上講大潮的日子都應(yīng)該是農(nóng)歷初一和十五

、十六

，但是由于地球地形等因素的影響，各地大潮的時間稍有不同

，例如錢塘江大潮就是在每個月的初三和十八最為壯觀

。

潮汐鎖定理解了離心力和潮汐的原理，我們終于可以解釋為什么月球總是一面朝著地球了

，我們稱之為潮汐鎖定

。

不光月球?qū)Φ厍蛴幸绷Γ厍驅(qū)υ虑蛲瑯佑幸绷?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。但是月球表面上卻沒有水

，所以也沒辦法形成潮汐。不過

，在引潮力的作用下

，經(jīng)過漫長的歲月，月球上的巖石也會發(fā)生流動

，月球朝向地球和背離地球的兩側(cè)會被拉長

，月球變成了橢球體。

在月球圍繞地球轉(zhuǎn)動的過程中

，月球的長軸一直朝向地球

。這是因?yàn)椋杭偃缭虑蜣D(zhuǎn)動過程中自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期不嚴(yán)格相等，造成長軸方向偏離了月地連線

，引潮力就會及時糾正月球的姿勢：A點(diǎn)的引潮力指向地球

，B點(diǎn)的引潮力背離地球，兩個力不共線

，造成月球轉(zhuǎn)動

，直到月球的長軸指向地球，兩個引潮力共線抵消未至

。

就是在引潮力的作用下

，經(jīng)過十分漫長的過程，月球被地球鎖定了

，所以它只能一面朝著地球

。

也許有小朋友要問：既然月球被地球鎖定了，地球?yàn)槭裁礇]有被月球鎖定呢？這是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量要比月球大很多

，鎖定地球需要經(jīng)過更加漫長的時間

。其實(shí)，由于引潮力的原因

，地球的自轉(zhuǎn)周期的確在變大

，也就是一天的時間越來越長。再經(jīng)過幾十億年

，地球也會被月球鎖定

，到了那個時候，地球的一天和一個月就是同樣的時間了

。

宇宙中有許多質(zhì)量較小的星球

，現(xiàn)在已經(jīng)完成了相互鎖定。例如冥王星和它的衛(wèi)星卡戎

，它們就是彼此鎖定的：兩顆星球彼此面對面

，圍繞共同的中心旋轉(zhuǎn)。宛如一對彼此相思

，卻不能在一起的戀人

。

本文標(biāo)簽：游樂旋轉(zhuǎn)秋千

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