Tại sao các mặt trăng nhất định có chu kỳ quay bằng chu kỳ quỹ đạo của chúng?


9

Mặt trăng của chúng ta và mặt trăng của Sao Thổ, Titan, có tính năng này. Bởi vì điều này chúng ta chỉ quan sát một bên (bán cầu) của mặt trăng của chúng ta. Tại sao lại thế này? Newton hay vật lý thiên văn sẽ giải thích điều này là gì? Có vẻ như đó sẽ là một dạng cân bằng nào đó xuất hiện theo thời gian, nhưng tôi không hiểu điều đó.


Các liên kết Youtube không được đề xuất, nhưng đó là một lời giải thích đơn giản: youtube.com/watch?v=6jUpX7J7ySo Tra cứu Tidal Locking để biết thêm thông tin.
dùngLTK

1
Tôi chỉ tự hỏi điều này ngày hôm qua, thật kỳ lạ
MCM Abbey

1
Đó không chỉ là mặt trăng và Titan của chúng ta. Theo hiểu biết tốt nhất của tôi, mỗi mặt trăng lớn trong hệ mặt trời đều thể hiện hành vi này. Khóa thủy triều là một hiện tượng mạnh mẽ.
Đánh dấu Foskey

Câu trả lời:


14

Câu trả lời cho điều này chắc chắn là các lực thủy triều, nhưng điều đó không giải thích được cơ chế chính xác cho việc các lực thủy triều dẫn đến khóa thủy triều , tức là một cơ thể quay quanh có cùng một khuôn mặt với cơ thể trung tâm khi nó quay quanh do tốc độ quay và cách mạng tỷ lệ bằng nhau. Tôi sẽ mô tả cơ chế này bằng hệ thống Trái đất-Mặt trăng để tôi có thể cụ thể, nhưng nó cũng áp dụng tương tự cho bất kỳ hệ thống nào.

Để bắt đầu, lực thủy triều là kết quả của lực hấp dẫn khác biệt trên toàn bộ khối lượng phân tán của một cơ thể. Mặt trăng không phải là một khối điểm, nó có kích thước mở rộng. Lực hấp dẫn trên Mặt trăng của Trái đất phụ thuộc vào khoảng cách (cũng như lực hấp dẫn cho bất cứ thứ gì). Điều này có nghĩa là ở phía Trái đất của Mặt trăng, lực hấp dẫn mạnh hơn và khi bạn tiến qua Mặt trăng đến phía đối diện Trái đất, lực hấp dẫn sẽ yếu hơn. Điều này có nghĩa là mặt Trái đất của Mặt trăng bị kéo mạnh hơn và gần Trái đất hơn trong khi phía đối diện Trái đất, trong khi vẫn bị kéo về phía Trái đất, không bị kéo mạnh hay gần. Cuối cùng, kết quả là Mặt trăng bị biến dạngđến nỗi nó trở nên hơi dẹt và kéo dài ra theo hướng Trái Đất. Sự uốn cong của bề mặt này được gọi là thủy triều.

Bây giờ, giả sử Mặt trăng hiện không bị khóa chặt với Trái đất và trên thực tế, nó quay nhanh hơn một chút so với quỹ đạo của nó. Trái đất đang gây ra thủy triều trên Mặt trăng và Mặt trăng đang quay trên trục của nó. Thủy triều, gây ra bởi các lực thủy triều, muốn duy trì liên kết với dòng Mặt trăng-Trái đất vì đó là hướng mà các lực thủy triều được áp dụng. Tuy nhiên, phải mất thời gian và rất nhiều năng lượng để làm biến dạng Mặt trăng. Khi Mặt trăng bị biến dạng, nó sẽ quay theo và cố gắng kéo theo sự biến dạng thủy triều đó cùng với nó, di chuyển một cách hiệu quả sự phình ra của thủy triều phía trước dòng Mặt trăng-Trái đất. Trái đất vẫn đang áp dụng lực thủy triều dọc theo đường Mặt trăng-Trái đất đó để cố gắng kéo phồng thủy triều trở lại thẳng hàng. Lực không đổi này cố gắng kéo phồng thủy triều trở lại (hoặc về phía trước nếu Mặt trăng quay quá chậm) cho phép chuyển động lượng để làm chậm Mặt trăng (hoặc một lần nữa, tăng tốc nếu quá chậm). Điểm chính ở đây là khóa thủy triều là trạng thái cân bằng vì nếu Mặt trăng quay quá chậm hoặc quá nhanh, Trái đất cố gắng kéo phồng thủy triều vào dòng Mặt trăng-Trái đất sẽ thay đổi tốc độ quay của Mặt trăng cho đến khi nó trở thành thủy triều bị khóa. Một khi nó bị khóa chặt, khối thủy triều đó sẽ luôn ở dọc theo đường Mặt trăng-Trái đất và lực này sẽ biến mất. Trái đất cố gắng kéo phồng thủy triều vào dòng Mặt trăng-Trái đất sẽ thay đổi tốc độ quay của Mặt trăng cho đến khi nó bị khóa chặt. Một khi nó bị khóa chặt, khối thủy triều đó sẽ luôn ở dọc theo đường Mặt trăng-Trái đất và lực này sẽ biến mất. Trái đất cố gắng kéo phồng thủy triều vào dòng Mặt trăng-Trái đất sẽ thay đổi tốc độ quay của Mặt trăng cho đến khi nó bị khóa chặt. Một khi nó bị khóa chặt, khối thủy triều đó sẽ luôn ở dọc theo đường Mặt trăng-Trái đất và lực này sẽ biến mất.

Điều đó bao gồm khoảng một nửa câu trả lời mặc dù. Khi cố gắng thủy triều khóa Mặt trăng vào Trái đất, bạn phải xem xét hai khoảng thời gian. Đầu tiên, được thảo luận trong đoạn trước, là thời gian quay của Mặt trăng quanh trục của nó. Cái khác là thời gian cách mạng của Mặt trăng quanh Trái đất. Cả hai phải phù hợp. Đoạn trước mô tả thời gian quay của Mặt trăng quanh trục của nó có thể bị ảnh hưởng như thế nào, nhưng cũng có một phương tiện ảnh hưởng đến thời gian cách mạng của Mặt trăng quanh Trái đất. May mắn thay, đây là bởi một cơ chế gần như giống hệt như trên. Trên thực tế, Mặt trăng cũng gây ra các phồng thủy triều trên Trái đất và vì Trái đất đang quay tròn nên các phồng thủy triều này sẽ không được xếp thẳng hàng với đường Mặt trăng-Trái đất. Sự phồng lên của thủy triều không được sắp xếp này trên Trái đất có tác dụng truyền năng lượng tới tốc độ quỹ đạo của Mặt trăng, làm cho nó tăng tốc hoặc chậm lại. Ngẫu nhiên, thông qua bảo tồn động lượng góc, điều này nhất thiết khiến Mặt trăng trôi xa khỏi chúng ta với tốc độ nhỏ nhưng dai dẳng.

Tóm lại, các lực thủy triều gây ra khóa thủy triều, nhưng nó xảy ra thông qua các lực phức tạp và chậm trong một khoảng thời gian dài ảnh hưởng đến cả tốc độ quỹ đạo và tốc độ quay của Mặt trăng cho đến khi tìm thấy trạng thái cân bằng. Điểm cân bằng đó là khóa thủy triều.


Nếu điều này xảy ra với bất kỳ hệ thống nào, điều đó có nghĩa là Trái đất cuối cùng sẽ bị thủy triều khóa với Mặt trời?
Liren

2
@Liren Có, mặc dù sẽ mất nhiều thời gian hơn. Trên thực tế, Trái đất sẽ bị khóa chặt vào Mặt trăng trước tiên.
Đánh dấu

Tôi tự hỏi những quốc gia nào sẽ được nhìn thấy mặt trăng ... thật là một điểm thu hút khách du lịch! :)
NikoNyrh

@Liren Về mặt kỹ thuật điều đó có thể xảy ra nếu chỉ có Trái đất / Mặt trời. Vấn đề là chúng ta có rất nhiều hành tinh khác như Sao Mộc có những nhiễu loạn hấp dẫn đáng chú ý trên Trái đất khiến chúng ta không thể đạt đến trạng thái cân bằng của khóa thủy triều. Nhưng, chúng ta chắc chắn thấy hành tinh đang khóa chặt các ngôi sao của mình, ví dụ Sao Thủy (mặc dù có cộng hưởng 2: 3 chứ không phải là 1: 1 như Mặt trăng) hoặc các hành tinh trong hệ thống TRAPPIST-1 được công bố gần đây.
zephyr

@NikoNyrh Có lẽ không ai trong số họ. Theo dự đoán, Trái đất sẽ mất tới 50 tỷ năm để khóa chặt Mặt trăng (ảnh hưởng của Mặt trăng trên Trái đất quá nhỏ để thực hiện sớm hơn) và chúng ta biết rằng Hệ Mặt trời sẽ tồn tại từ lâu. Mặt trời sẽ trở thành Người khổng lồ đỏ trong khoảng 5 tỷ năm nữa.
zephyr

3

Câu trả lời đơn giản là: lực thủy triều, là tác động thứ yếu của trọng lực. Theo cùng một cách mà Mặt trăng gây ra thủy triều thấp và cao của các đại dương ở đây trên Trái đất, Trái đất cũng có tác động tương tự đối với Mặt trăng.

Lực có cùng nguồn gốc, tuy nhiên mạnh hơn nhiều do khối lượng của Trái đất. Các lực thủy triều này gây ra một mô-men xoắn trên vòng quay trên Mặt trăng và đây là lý do tại sao nó chỉ hiển thị cùng một mặt với Trái đất.

Sự thật thú vị, Sao Diêm Vương và đó chỉ là mặt trăng Charon chỉ hiển thị một khuôn mặt trong quỹ đạo của chúng do lực thủy triều. Ngoài ra, các lực thủy triều đang làm chậm quá trình quay của Trái đất.


Các lực thủy triều phụ thuộc vào sự bất đối xứng? IOW, nếu mặt trăng đối xứng hoàn hảo hơn xung quanh, liệu các lực thủy triều có còn tồn tại hay có tác dụng tương tự?
0tyranny 0p poor

Chúng phụ thuộc vào khối lượng và bản chất không đổi của lực hấp dẫn. Đó là, lực hấp dẫn giữa hai cơ thể mạnh hơn ở hai bên đối diện nhau. Mong rằng sẽ giúp.
Rumplestillskin

@ 0tyranny0p Nghèo sắp xếp. Nếu bạn có thể làm cho phân bố khối lượng của Mặt trăng đối xứng hoàn hảo (phân bố khối lượng mặt trăng không đồng đều ), nó sẽ làm giảm tốc độ thay đổi của chu kỳ quay của Mặt trăng, nhưng chính các lực thủy triều tạo ra sự bất đối xứng trên bề mặt: độ phồng của thủy triều. Để loại bỏ ảnh hưởng của khóa thủy triều, bạn cần phải có một cơ thể hoàn toàn cứng nhắc và điều đó là không thể.
PM 2Ring

1
@ 0tyranny0p poor Tôi nghi ngờ đó là vì nó là một hệ thống phức tạp với rất nhiều mặt trăng, cũng như các vòng tròn. Điều này dẫn đến một hỗn hợp hỗn loạn của các hiệu ứng hấp dẫn, và phải mất một thời gian và may mắn để một vệ tinh đồng bộ hóa.
Barmar

2
@ 0tyranny0p poor Vì lực thủy triều là kết quả của lực hấp dẫn khác biệt . Về cơ bản, bạn cần phân biệt định luật hấp dẫn của Newton, dẫn đến lực thủy triều tỷ lệ với . Xem trang wiki để biết thêm chi tiết. r3
zephyr
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.