游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千:月球?yàn)槭裁纯偸且幻娉厍蚰卦虑驎?huì)自轉(zhuǎn)嗎

游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千,

2019年1月3日游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千

，中國(guó)的“嫦娥四號(hào)”衛(wèi)星成功的在月球背面登陸

，它攜帶的月球探測(cè)車“玉兔二號(hào)”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

。

游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千:月球?yàn)槭裁纯偸且幻娉厍蚰卦虑驎?huì)自轉(zhuǎn)嗎

月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)

，也在自轉(zhuǎn)游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千。在恒星參考系下，月球公轉(zhuǎn)時(shí)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?div id="m50uktp" class="box-center"> ，千百年來

，月球的背面?duì)人類十分神秘游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千。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

？為了解釋這個(gè)問題，我們首先要從一個(gè)虛擬力：慣性離心力說起游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千

。

慣性離心力力是物體之間的相互作用游樂園高空旋轉(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(shí)候?yàn)榱藬?shù)學(xué)處理的方便，我們會(huì)引入一些虛擬的力

，它們不存在，但是引入之后會(huì)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(huì)不由自主的向右歪

。在游樂場(chǎng)里有種類似旋轉(zhuǎn)秋千的設(shè)施，一旦轉(zhuǎn)動(dòng)起來

，人就會(huì)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(gè)模型來說明慣性離心力：有一個(gè)勻速旋轉(zhuǎn)的圓盤

，上方固定了一個(gè)小球

。原本小球和圓盤一起旋轉(zhuǎn)，但是某個(gè)時(shí)刻

，小球和圓盤的連接突然斷掉了

。此后，圓盤會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但是小球會(huì)憑借慣性做勻速直線運(yùn)動(dòng)

。

此時(shí)如果我們站在圓盤上看

，就會(huì)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(dòng)

，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(shí)刻受到太陽的萬有引力作用，同時(shí)地球在圍繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)

，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(gè)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(huì)靠近太陽

，也不會(huì)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(gè)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(dòng)的物體：水

。由于剛才所述的原因，A點(diǎn)和B點(diǎn)的水都會(huì)受到最大的引潮力作用

，這會(huì)使水面拱起

，形成漲潮。同時(shí)

，水會(huì)向A點(diǎn)和B點(diǎn)流動(dòng)

，而在地面上另外兩個(gè)位置C和D，水面就會(huì)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(huì)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(shí)候

，太陽、地球

、月球在一條直線上，此時(shí)太陽潮和太陰潮的漲潮相互疊加

，就會(huì)形成大潮

。但如果太陽-地球、地球-月球連線相互垂直

，就會(huì)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(shí)間稍有不同，例如錢塘江大潮就是在每個(gè)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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，地球?qū)υ虑蛲瑯佑幸绷Α５窃虑虮砻嫔蠀s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(zhǎng)的歲月

，月球上的巖石也會(huì)發(fā)生流動(dòng)，月球朝向地球和背離地球的兩側(cè)會(huì)被拉長(zhǎng)

，月球變成了橢球體

。

在月球圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，月球的長(zhǎng)軸一直朝向地球

。這是因?yàn)椋杭偃缭虑蜣D(zhuǎn)動(dòng)過程中自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期不嚴(yán)格相等

，造成長(zhǎng)軸方向偏離了月地連線，引潮力就會(huì)及時(shí)糾正月球的姿勢(shì)：A點(diǎn)的引潮力指向地球

，B點(diǎn)的引潮力背離地球

，兩個(gè)力不共線，造成月球轉(zhuǎn)動(dòng)

，直到月球的長(zhǎng)軸指向地球

，兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)的時(shí)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(shí)間越來越長(zhǎng)。再經(jīng)過幾十億年

，地球也會(huì)被月球鎖定

，到了那個(gè)時(shí)候

，地球的一天和一個(gè)月就是同樣的時(shí)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(duì)面

，圍繞共同的中心旋轉(zhuǎn)

。宛如一對(duì)彼此相思，卻不能在一起的戀人

。

本文標(biāo)簽：游樂園高空旋轉(zhuǎn)秋千

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