這是在繩子的拉力和環繞運動的離心力共同作用下產生的結果。氣球被繩子拉住的一側會受到向內的作用力,而慣性會讓其余部分產生向外的作用力,這兩個相反的作用力一個向內拉扯,一個向外拉扯,于是便導致氣球的形狀發生了改變。
月球始終以同一面對準地球,這當然不會是一種巧合,這件事確實內有隱情,而隱情就是“潮汐鎖定”。
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要弄清楚潮汐鎖定,我們首先需要大致了解一下潮汐力是怎么回事。
想象一下你手中有一個圓形的氣球,你拽著繩子用力甩動,讓它在頭頂上旋轉,它會是不是會被拉長成橢圓形?
天體圍繞另一個天體運動也會產生類似的現象。
譬如地球圍繞著太陽公轉,也會同時受到引力和離心力的共同作用。地球既不跌入太陽,也不會飛走,正是由于離心力和引力正好達到了平衡,但這種平衡僅僅局限于地球的中心。
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由于引力會隨距離衰減,地球各部分受到的離心力卻是相同的,這就使得地球面向太陽的一側引力大于離心力;背向太陽的一側引力小于離心力,于是海水就在這兩個方向朝相反方向“隆起”了,其具體的表現就是海水漲潮了,這就叫做潮汐力。
當然,地球潮汐會同時受到太陽和月球的影響,因此會有“大潮期”和“小潮期”之分,但這是另一個話題,就不展開描述了。
我們要討論的重點是潮汐鎖定。
就如海水受潮汐力影響而隆起一樣,月球圍繞地球運行時也會受到潮汐力的影響,雖然月球上沒有海水,但固體在長時間的影響下也同樣會發生形變而隆起,因此月球實際上是橢圓形的。
橢圓形在受到引力拉扯時,會是怎樣的表現呢?
我們不妨用個夸張一些的例子來想象一下:
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假如一個氣球本來就是橢圓形的,而繩子系在長的一端,那么無論它原本是什么方向,我們只要一拉繩子,它都會立刻朝受力的方向豎直。
同樣的道理,橢圓形的天體在各部分受到的引力強度不同時,長的一段受到的引力是最強的,故此它也會傾向于朝向引力的方向“豎直”,久而久之,橢圓形的月球便一直以“豎直”的姿態朝向地球了。
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盡管上圖的例子有些夸張,但這就是月球始終以同一面朝向地球的原因——朝向地球的一面是它較長的一段。
這里可能有人會產生疑問:
地球和月球相互拉扯對方,受到的引力強度是同等的,并且地球的固體部分也會發生形變,那為什么地球沒有被月球潮汐鎖定而始終以同一面朝向月球呢?
這是多方面因素造成的,地球的質量比月球大得多是原因之一,但主要是因為時間不夠長,當時間足夠長之后地球也會被月球或太陽潮汐鎖定。
例如冥王星和它的衛星卡戎就同時將對方潮汐鎖定了,它們都以同一面“望向”對方,這與雙方的質量差異不大,導致相互環繞的質心位于冥王星之外有一定關系。
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大家可以看看下圖,左側是地球和月球所環繞的質心,右側是冥王星和卡戎環繞的質心,可以明顯看出雙方的差異。
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冥王星和卡戎的運動方式,將使得冥王星更容易被“甩”長,越瘦長的形狀自然就越容易被潮汐鎖定。
而地球和月球的運動方式,使得地球的形變并不十分嚴重,被潮汐鎖定的時間就特別長,因此據科學家的計算,即便直到太陽已經衰竭成紅矮星時地球也無法被潮汐鎖定。
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