Почему у некоторых лун период вращения равен периоду обращения?


9

Наша луна и луна Сатурна, Титан, имеют эту особенность. Из-за этого мы наблюдаем только одну сторону (полушарие) нашей луны. Почему это? Что такое ньютоновская или астрофизическая теория, которая могла бы объяснить это? Кажется, что со временем наступит какое-то равновесие, но я этого не понимаю.


Ссылки на Youtube не рекомендуются, но это простое и понятное объяснение: youtube.com/watch?v=6jUpX7J7ySo. Для получения дополнительной информации обратитесь к разделу «Приливная блокировка».
userLTK

1
Мне просто интересно это вчера, странно
MCMastery

1
Это не только наша луна и Титан. Насколько мне известно, каждая большая луна в солнечной системе демонстрирует такое поведение. Приливная блокировка - мощное явление.
Марк Фоски

Ответы:


14

Ответ на это, безусловно, приливные силы, но это не объясняет точный механизм того, как приливные силы приводят к приливной блокировке , то есть, орбитальное тело показывает ту же сторону к центральному телу, что и орбиты из-за скорости вращения и вращения Оценить равенство. Я опишу этот механизм, используя систему Земля-Луна, чтобы я мог быть конкретным, но он одинаково применим для любой системы.

Начнем с того, что приливные силы являются результатом дифференциальных гравитационных сил по всей распределенной массе тела. Луна не является точечной массой, она имеет увеличенный размер. Сила притяжения Земли на Луне зависит от расстояния (как и сила притяжения для всего). Это означает, что на обращенной к Земле стороне Луны сила тяжести сильнее, и когда вы продвигаетесь через Луну к противоположной Земле стороне, сила гравитации становится слабее. Это означает, что обращенная к Земле сторона Луны становится сильнее и ближе к Земле, в то время как противоположная сторона Земли, все еще притягиваясь к Земле, не притягивается так сильно или близко. В конечном итоге это приводит к деформации Лунытакой, что она становится слегка сплюснутой и вытянутой в направлении Земли. Это изгиб поверхности известен как приливы.

Теперь давайте предположим, что Луна в настоящее время не имеет приливной привязки к Земле и фактически вращается немного быстрее, чем она вращается. Земля вызывает приливы на Луне, а Луна вращается вокруг своей оси. Приливы, вызванные приливными силами, хотят оставаться на одной линии с линией Земля-Луна, поскольку это направление, в котором применяются приливные силы. Однако, чтобы деформировать Луну, требуется время и много энергии. Как только Луна деформируется, она начинает вращаться и пытается вытянуть приливную деформацию вместе с ней, эффективно перемещая приливную выпуклость впереди линии Земля-Луна. Земля все еще применяет приливную силу вдоль линии Земля-Луна, чтобы попытаться вернуть приливную выпуклость обратно в линию. Эта постоянная сила, пытающаяся оттянуть приливную выпуклость назад (или вперед, если Луна вращается слишком медленно), позволяет передаче импульса замедлять Луну (или снова ускорять ее, если она слишком медленная). Основной момент здесь заключается в том, что приливная блокировка является состоянием равновесия, потому что, если Луна вращается слишком медленно или слишком быстро, Земля, пытающаяся втянуть приливную выпуклость в линию Земля-Луна, изменит скорость вращения Луны, пока она не станет приливной. заперта. Как только он будет приливно привязан, эта приливная выпуклость всегда будет вдоль линии Земля-Луна, и эта сила исчезнет. Земля, пытающаяся втянуть приливную выпуклость в линию Земля-Луна, будет изменять скорость вращения Луны до тех пор, пока она не станет приливно-откидной. Как только он будет приливно привязан, эта приливная выпуклость всегда будет вдоль линии Земля-Луна, и эта сила исчезнет. Земля, пытающаяся втянуть приливную выпуклость в линию Земля-Луна, будет изменять скорость вращения Луны до тех пор, пока она не станет приливно-откидной. Как только он будет приливно привязан, эта приливная выпуклость всегда будет вдоль линии Земля-Луна, и эта сила исчезнет.

Это покрывает примерно половину ответа, хотя. При попытке привязать Луну к Земле вы должны учитывать два периода времени. Первое, обсужденное в предыдущем абзаце, - это время вращения Луны вокруг своей оси. Другое время революции Луны вокруг Земли. Оба должны совпадать. В предыдущем параграфе описывалось, как можно влиять на время вращения Луны вокруг своей оси, но есть также способы влияния на время вращения Луны вокруг Земли. К счастью, это почти идентичный механизм, описанный выше. По сути, Луна также вызывает приливные выпуклости на Земле, и, поскольку Земля вращается, эти приливные выпуклости не будут напрямую выровнены с линией Земля-Луна. Этот не выровненный приливный выпуклость на Земле действует для передачи энергии орбитальной скорости Луны, вызывая его ускорение или замедление. Кстати, благодаря сохранению момента импульса это неизбежно приводит к тому, что Луна отходит от нас с небольшой, но постоянной скоростью.

В сумме, приливные силы вызывают приливную блокировку, но это происходит посредством сложных и медленных сил в течение длительного периода времени, влияющего как на скорость орбиты Луны, так и на скорость вращения, пока не будет найдено равновесие. Это равновесие - приливная блокировка.


Если это относится к какой-либо системе, значит ли это, что Земля в конечном итоге будет привязана к Солнцу?
Liren

2
@Liren Да, хотя это займет намного больше времени. Фактически, Земля сначала будет привязана к Луне.
Марк Х

Интересно, какие страны увидят Луну ... какая туристическая достопримечательность! :)
NikoNyrh

@Liren Технически это могло бы произойти, если бы была только Земля / Солнце. Проблема в том, что у нас есть много других планет, таких как Юпитер, которые имеют заметные гравитационные возмущения на Земле, которые мешают нам когда-либо достичь этого равновесия приливной блокировки. Но мы определенно видим, что планета приливно привязывается к своим звездам, например, Меркурию (хотя и с резонансом 2: 3, а не 1: 1, как Луна) или планетам в недавно анонсированной системе TRAPPIST-1.
зефир

@NikoNyrh Наверное, ни один из них. Предполагается, что Земле понадобится более 50 миллиардов лет, чтобы приливно привязаться к Луне (воздействия Луны на Землю слишком малы, чтобы сделать это раньше), и мы знаем, что Солнечная система к тому времени уже давно исчезнет. Солнце станет Красным Гигантом примерно через 5 миллиардов лет.
зефир

3

Простой ответ: приливные силы, которые являются вторичным эффектом гравитации. Точно так же, как Луна вызывает приливы и отливы океанов здесь на Земле, Земля также оказывает аналогичное воздействие на Луну.

Сила имеет то же происхождение, однако намного сильнее из-за массы Земли. Эти приливные силы вызывают вращение на Луне, и поэтому он показывает только то же лицо к Земле.

Забавный факт, что Плутон и только Луна Харон показывают только одно лицо во время их орбиты из-за приливной силы. Также приливные силы замедляют вращение Земли тоже.


Приливные силы зависят от асимметрии? Итак, если бы Луна была более идеально симметричной вокруг, приливные силы все еще существовали бы или имели бы тот же эффект?
0тыранный 0обедность

Они зависят от массы и непостоянного характера гравитационной силы. То есть гравитационное притяжение между двумя телами является более сильным на сторонах, обращенных друг к другу. Надеюсь, это поможет.
Rumplestillskin

@ 0tyranny0poarity вроде. Если бы вы могли сделать распределение массы Луны совершенно симметричным (распределение массы Луны, как известно, неравномерно ), это уменьшило бы скорость изменения периода вращения Луны, но сами приливные силы создают асимметрию на поверхности: приливная выпуклость. Чтобы устранить эффект приливной блокировки, вам нужно иметь абсолютно твердое тело, а это физически невозможно.
PM 2Ring

1
@ 0tyranny0po нужно подозревать, что это сложная система с множеством лун и колец. Это приводит к хаотической смеси гравитационных эффектов, и для синхронизации спутника требуется некоторое время и удача.
Бармар

2
р-3
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.