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作者：夏果游樂設(shè)施 閱讀量：168次 發(fā)表時(shí)間：2022-01-10 23:59:36
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。
月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)，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(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。
那么游樂旋轉(zhuǎn)秋千，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，需要有施力物體和受力物體，比如重力游樂旋轉(zhuǎn)秋千、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(shí)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(shí)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(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，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(shí)，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(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(shí)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?，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(shí)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(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。再經(jīng)過幾十億年，地球也會被月球鎖定，到了那個時(shí)候，地球的一天和一個月就是同樣的時(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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