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潮汐现象的力学分析及类似现象的探索
学生 赵爱军 指导教师 焦志莲
摘 要 讨论引潮力的成因,对引潮力及涨落公式从不同角度进行推导。在牛顿力学中,引潮力是在非惯性参考系中引力与惯性力叠加的必然结果,从更为本质的意义上来说,按广义相对论的观点,引潮力则是时空弯曲的反映。天文上有许多伴星围绕主星运行,若伴星的轨道小到某一临界半径之内,它就会被主星的引潮力撕成碎片。
关键词 潮汐 引潮力 万有引力
0 引 言
地球上的海洋周期性的涨落称为海洋潮汐。我国自古有“昼涨称潮,夜涨称汐”的说法[1]。在公元前2世纪已记140 B.C),东汉王充在论衡中已写道Joseph Needham,1900—1995)曾说:倍,而太阳到地球距离的平方只比月球的大倍[6],两者相除,似乎太阳对海水的引力比月球还应该大180倍,为什么实际上月球对潮汐起主要作用?
大家都知道,太空工作站上的宇航员是漂浮在空中的,因为他处在失重状态,原因就是他受到的重力和惯性力“精确”抵消,从广义相对论的观点看,牛顿力学所谓“真实的引力”和“因加速度产生的惯性力”是等价的,实际中无法区分。但这种等价性在大尺度范围内就不再是“精确的”了,如果那个“太空工作站”足够大,当其中引力场的不均匀性不能忽略时,惯性力就不能把引力完全抵消了。如图1示,设想在太空工作站内有5个质点,C在中央,即系统的质心上,A和B分别在C的左右,D和E分别在C的上下。考虑到引力是遵从平方反比律且指向地心的,与中央质点C 所受的引力相比,A和B受到的引力略向中间偏斜,D因离地心稍远而受力稍小,E因离地心稍近而受力稍大。由于整个参考系是以质心C的加速度运动的,其中的惯性力只把C点所受的引力精确抵消,它与其他各质点所受的引力叠加,都剩下一点残余的力。如果太空工作站的空间非常大时,那么这种偏差就会更明显,它们这时所受力的方向如图2所示,A和B受到的残余力指向C、D和E受到的残余力背离C,所以,如果在中央C处有个较大的水珠的话,严格地说它也不是球形,而是沿上下拉长了椭球。
把地球当做一个对象,其中引力不均匀性造成的应是很大的。地球表面70 %的面积为海水所覆盖,地球自转造成的惯性离心力已计算在海水的视重里,所以我们可以取地心作为参考系,不必考虑地球的自转,这样一来,就可以把它看成是由海水形成的一个巨大的水滴。如果没有外部引力的不均匀性,这个大水滴将精确地呈球形。现在考虑月球引力的影响。如图3所示,在地心参考系中各地海水所受月球的有效引力是“真实的引力”和地心的离心加速度造成的“惯性离心力”之和。这有效引力的分布就像图4所示那样,把海水沿地-月联线方向拉长为一个椭球。这就是为什么在地球相对位置会同时出现潮汐,使得每天有两次潮,而不是一次的原因。
1.2 引潮力的计算[7]
现在让我们来看看地-月引潮力的大小, 在图3中C和C′分别是地球和月球的质心, O是它们共同的质心,P点是质量为Δm的海水,地月质心之间的距离,地面上一点到月球质心的距离,地面上一点到地心的距离。Δm的海水受月球的吸引力为
(1-2-1)
任何质心在地心参考系内所受的惯性力,等于把它放在地心处所受引力的负值,因此地球上所有物体受到的惯性力为
(1-2-2)
和合成为引力
(1-2-3)
由图可以看出:,故
(1-2-4)
取直角坐标的x轴沿,y轴与之垂直,如图3所示,则
, (1-2-5)
故
≈
(1-2-6)
(1-2-7)
在以上两式中实为地球的半径,实为地月距离,归纳以上结果,我们得到引潮力公式的分量形式如下
(1-2-8)
(1-2-9)
引潮力在地表上的分布如图4,在=0和处(即离月球最近和最远处)是背离地心的,在这些地方形成海水的高峰;在处指向地心,形成海水低谷。随着地球的自转,一昼夜之间有两个高峰和两个低谷扫过每个地方,形成两次高潮和两次低潮。
上式同样也适用于太阳,只是其中的和应分别代之以太阳的质量和日-地距离,经替代后可得
(1-2-10
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