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在潮汐力的作用下 是地球逐渐远离月亮 还是月球正在远离地球?

时间:2022-12-30 06:35:26

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在潮汐力的作用下 是地球逐渐远离月亮 还是月球正在远离地球?

这个问题挺有意思,乍看上去,作为地月系统中地球和月球两个物体,只要二者位置发生相对变化,那么无论是说地球远离月球,还是月球远离地球,从物理学的角度出发都是正确的,毕竟运动是相对的。但是实际上,这两种运动方式还是有差异的,主要取决于以谁为中心的问题。

运动的相对性

在经典的物理学中,运动的相对性是描述物体运动的一种基本性质。没有绝对静止的物体,而运动是绝对的。大到宏观的整个宇宙运行,小到原子等微观粒子,都是处于不断地运动之中。我们判断一个物体是否处于运动状态,通常都要选择一个参照物或者参照系,一个物体相对于另一个物体发生了位置改变的机械运动,则我们称这个物体发生了运动。

如果我们假定一个物体不动,这个物体则被我们作为参照物,在这个参照物的比较下,另一个物体的相对位置变化情况,则是我们判断另外物体是否发生运动的依据。而实际上,这个被假定不动的物体,实际上也是处于运动的,因为运动是物体最基本的属性,没有不发生运动的物体存在。以假定不动的物体作为依据所作的判断,只能是有条件和相对的。参照物体的选择不同,得到的运动结果自然不同。因此在判断物体运动的程度时,我们要以特定的需求角度出发来进行假定,否则就会失去研究的意义。

参照系的选择

刚才提到了,基于不同的研究目的,我们在判定物体的运动状态时要选择最优化的参照系,这对于提升直观感受度和研究效率具有重要意义。比如,我们要研究火车的时速,必须要以地面为参照物而不能以火车上的人或者行进中的汽车为参照物,因为我们所得到的结果,是火车相对于地面的相对速度。再比如,我们研究电子的运动规律,必须要以原子核为参照物,而不能以观测仪器为参照物,因为原子核本身也是处于剧烈的运动之中。

电子绕着原子核的运转,有点类似月球绕地球运行。电子在绕原子核运转过程中,会随着外界输入能量、电子间的相互斥力、原子核对电子的吸引等诸多因素的干扰,经常会发生着能级的跃迁,同时进行着能量的吸收和释放。而在电子跃迁的过程中,由电子绕原子核运动轨迹概率所形成的电子云,其与原子核中心的距离也会相应发生着改变,我们可以判定这个电子是远离还是接近原子核。为什么我们不说原子核远离电子呢?正是因为我们研究的目的是整个原子系统,包含着原子核和电子,而原子核是原子的核心,仅此而已。

地月系统自身的运行规律

月球是地球的卫星,围绕着地球作周期性的运转,人们将地球和月球共同组成的系统称为地月系统。在地月系统中,地球是核心,那么在传统意义上人们就把地月系统的运动简化为月球围绕着地球转动,它们作为一个整体共同围绕着太阳公转。如果我们要研究地月系统在太阳系中的运动,就需要把地球和月球看作一个整体;而如果要研究地球或者月球这个地月系统中的部分物体的运动,则要首先将地月系统本身作为一个不运动的整体,然后研究地月系统各个组成部分的相对运动,也就是内部运动。

那么从地月系统的运行规律来看,它们本身是一个整体,在万有引力和离心力的共同作用下,地球和月球共同围绕着共同的质心运动。质心的计算方法很简单,就是利用了杠杆原理,当两个物体分别居于质心的两侧且处于同一直线时,达到力的平衡,这个瞬间我们可以假定两个物体距离质心的距离分别为R1和R2,R1和R2的和为两个物体之间的距离R。那么,通过如下的两个公式:

R1*M1=R2*M2R1+R2=R就可以计算出共同质心距离两个物体中心的距离。我们将地球和月亮的质量、之间的距离数值代入,可以计算出共同质心距离地心的距离为4670公里,小于地球的平均半径6371公里,因此共同质心位于地球的内部,从表面上看地球绕着共同质心转动的效果不明显。

所以,我们在研究地月系统自身运行规律时,通常是以地球为参照物的,而不是月亮,这一点与我们研究原子的运动规律时,通常以原子核为参照物的道理是一样的。故而,在地球与月球距离增大时,我们则说是月球远离地球,而不是地球远离月球。

月球为何会远离地球

月球与地球的距离增大,其主要原因来自于二者之间潮汐力的影响。在月球与地球间的万有引力以及地球自转离心力的综合作用下,地球赤道和两极之间、对着月球与背向月球的海水所受到的引力存在一定的差异,使得引力大的区域海水就会一定程度的隆起,并向着海平面较低的区域流动,使得地球的表面特别是海平面呈现出微小的形变,产生了类似椭球体的状态。而月球上面没有海洋,表面的形变没有地球明显,但是依然会形成非常微弱的固体形变。

从月球来看,这里有一个不容忽视的问题,那就是地球的自转速度要比月球围绕地球的公转速度快很多,因潮汐力引发形成的隆起海水,还没有来得及向四周降落,就因地球的快速自转而带到相对月球的前方,如果从单独的这部分引力系统内来看,这些隆起的海水与月球之间会发生互相拉扯的作用,使得月球获得了一定的运动加速度,而月球维持着向地球的稳定运转状态,必须要“跃迁”到能级更高、距离地球更远的轨道上来,因此逐渐与地球的距离被拉远。

从地球来看,由于潮汐力的作用,也会产生重要的结果,那就是在海水反复涨潮和落潮的影响下,隆起的海水在月球潮汐力的“拖拽”下,有放慢跟随地球自转的趋势,同时海水与海底岩石发生着一定程度的摩擦,都会使地球的自转速度放缓,这也是为何地球从刚开始形成时的自转周期5-6小时,现在变为24小时左右的根本原因,最终的结果将是地球的自转周期与月球的公转周期趋于一致。

总结一下

从一个独立的系统整体出发,我们判断这个系统内不同物体的运动状态,往往要在明确研究目的基础上,选择处于核心地位的物体作为参照系,而在地月系统中,月球可以看作围绕着处于地球内部的共同质心进行运转,我们可以把地球看成相对静止,在这种情况下,在地球和月球之间潮汐力的作用下,形成了“月球逐渐远离地球,而地球的自转速度逐渐变慢”的结果。

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