Nếu một vật thể to lớn như Sao Mộc bay qua Trái đất, nó sẽ cần đến gần như thế nào để kéo con người lên khỏi bề mặt?


48

Tôi hiểu đây là một giả thuyết ngớ ngẩn nhưng tôi đang yêu cầu một đứa trẻ 7 tuổi vì vậy hãy chịu đựng tôi.

Hãy tưởng tượng một người khổng lồ khí đi lạc giữa các vì sao bay qua hệ mặt trời của chúng ta.

Nếu chúng ta không lo lắng rằng nó cũng sẽ đánh cắp bầu khí quyển của chúng ta và tạo ra các lực thủy triều phá hủy mọi thứ ... Chúng ta cần đến mức nào để tạo ra lực hấp dẫn đủ để nâng con người lên khỏi mặt đất và kéo chúng vào quỹ đạo của nó?


10
Câu hỏi sẽ thú vị hơn với một cơ thể khá nhỏ (như mặt trăng nhỏ, dày đặc hay thậm chí tốt hơn, một lỗ đen nhỏ) có trường trọng lực ở gần mạnh hơn Trái đất nhưng lại quá yếu để hút Trái đất vào.
Peter - Phục hồi

5
@Chappo Không cùng khối lượng nhưng có khối lượng nhỏ hơn nhiều, và gần hơn nhiều, khai thác tính không đồng nhất của trường hấp dẫn của nó. Hãy tưởng tượng một lỗ đen 10 km phía trên chúng tôi tạo ra 1g cho chúng tôi. (Khối lượng của nó sẽ nhỏ hơn nhiều so với Sao Mộc.) Phía xa của trái đất, cách xa 12000 km, sẽ chỉ trải nghiệm (12000/10) ^ 2 ~ 1.4E-6 g, tức là gần như không có sức hút. Cái hố đen đó bay ở khoảng cách 9 km sẽ hút chúng ta và một phần trên 1 km của lớp vỏ trái đất.
Peter - Phục hồi

18
Tôi nghĩ bạn có thể nhận được câu trả lời "vui vẻ" hơn nếu bạn viết cho what-if.xkcd.com.
Barmar

4
@Barmar: Giả sử rằng thậm chí vẫn còn hoạt động - bài đăng cuối cùng đã có ít nhất vài tháng trước.
Sean

8
Đây là định nghĩa về giới hạn Roche của cơ thể đi qua.
Loren Pechtel

Câu trả lời:


74

TL: DR Jupiter không đủ đậm đặc để độ dốc trọng lực của nó trên bán kính Trái đất tạo ra gia tốc thủy triều 1g, thậm chí ngay trên bề mặt của Sao Mộc.

cảm ơn PeterCordes


Lực hấp dẫn của sao Mộc sẽ kéo theo Trái đất, cũng như mọi thứ trên đó.

Nó không giống như một máy hút bụi có chọn lọc nâng các vật thể nhỏ và nhẹ, lực hấp dẫn sẽ quy mô với khối lượng của mỗi vật thể; nếu Trái đất nặng gấp hàng triệu lần so với chúng ta, thì lực hấp dẫn của sao Mộc cũng sẽ lớn hơn khoảng một triệu lần.

Điều đó có nghĩa là Trái đất sẽ tăng tốc về phía Sao Mộc, và chúng ta sẽ tăng tốc cùng với nó, và vì vậy chúng ta sẽ không "cảm thấy sự giằng xé" ở bất cứ nơi nào gần như mạnh mẽ như người ta có thể nghi ngờ.

Thay vào đó, hãy nghĩ về kích thước của Trái đất và thực tế là những người ở phía gần sẽ ở gần Sao Mộc hơn là trung tâm khối lượng của Trái đất và những người ở phía xa sẽ ở xa hơn.

Vì những người ở gần Sao Mộc sẽ cảm thấy gia tốc mạnh hơn một chút so với tâm khối lượng của Trái đất, họ sẽ cảm thấy một cú kéo khá nhẹ nhàng. Chúng tôi sẽ tính toán trong một phút.

Nhưng dù có tin hay không, những người ở phía xa Trái đất, cảm thấy ít bị giằng xé hơn so với trung tâm khối lượng của Trái đất, sẽ tin rằng họ đang bị kéo theo hướng ngược lại! Chúng sẽ không thực sự bị kéo ra khỏi Sao Mộc, nhưng chúng sẽ không tăng tốc về phía Sao Mộc nhanh như Trái đất, và do đó sẽ có cảm giác như chúng đang bị đẩy lùi.

Loại lực này được gọi là lực thủy triều và đây là hình ảnh thường được sử dụng với khái niệm:

nhập mô tả hình ảnh ở đây Nguồn Thay thế "Vệ tinh" bằng "Sao Mộc"

Gia tốc mà chúng ta cảm thấy do trọng lực được biểu thị bằng

aG=GMr2

Trong đó là hằng số hấp dẫn và bằng khoảng m ^ 3 / kg s ^ 2 và M là mỗi khối lượng kéo theo bạn.G6.674×1011

Nếu bạn đặt trong 6378137 mét và khối lượng của Trái đất ( kg), bạn sẽ nhận được 9,8 m / s ^ 2 quen thuộc.5.972×10+24

Nếu Sao Mộc cách xa 114.000.000 mét hoặc 114.000 km, Trái đất sẽ tăng tốc với tốc độ 1 g về phía nó, nhưng những người ở phía xa và xa sẽ tăng tốc rất khác nhau. Về phía gần, ở gần 6.378 km, sẽ cảm thấy gia tốc 1,2 m / s ^ 2 lớn hơn, vì vậy họ sẽ cảm thấy rằng mình nặng hơn 12%. Và những người ở phía xa cũng sẽ cảm thấy về cùng một lượng nhẹ hơn vì họ cảm thấy ít gia tốc hơn Trái đất.

Nếu Sao Mộc ở gần đến mức nó thực sự chạm vào Trái đất, thì nó vẫn không kéo ra khỏi Trái đất, cho rằng Trái đất vẫn còn nguyên vẹn. Nhưng điều đó sẽ không kéo dài rất lâu !!! Trái đất sẽ tăng tốc về phía Sao Mộc với tốc độ khoảng 20,9 m / s ^ 2 và những người ở phía gần sẽ cảm thấy gia tốc 24,8 về phía Sao Mộc, nhưng so với Trái đất chỉ 3,9 m / s ^ 2, do đó không đủ để vượt qua lực hấp dẫn của Trái đất -9,8 m / s ^ 2.

Ở phía xa của Trái đất, nó tương tự; gia tốc về phía Sao Mộc sẽ là 17,8 m / s ^ 2 nhưng trừ đi gia tốc của Trái đất là - 20,9 nó -3,3 m / s ^ 2, nhưng điều đó cũng không đủ để vượt qua sức hút của Trái đất trong trường hợp này là 9,8 m / s ^ 2.

Khi Trái đất chạm vào Sao Mộc, chúng ta sẽ cảm thấy nhẹ hơn khoảng 40% ở phía gần và nhẹ hơn 31% ở phía xa Trái đất, nhưng chúng ta sẽ không rời khỏi bề mặt.

Tuy nhiên, chỉ trong vài phút, chúng ta sẽ bị kéo sâu vào Sao Mộc đến nỗi chúng ta sẽ bị nghiền nát bởi áp suất khí quyển bên trong của Sao Mộc.

Nó chắc chắn sẽ rất vui, nhưng nó sẽ không tồn tại lâu!


@ShakesBeerCH có vẻ như chỉnh sửa của bạn đã bị từ chối, nhưng thực sự có lỗi trong số học. m / s ^ 2, v.v. Bạn có thể kiểm tra lại không, cảm ơn! GMJ/(RE+RJ)2=20.9
uhoh

5
TL: DR Jupiter không đủ đậm đặc để độ dốc trọng lực của nó trên bán kính Trái đất tạo ra gia tốc thủy triều 1g, thậm chí ngay trên bề mặt của Sao Mộc.
Peter Cordes

1
@PeterCordes tốt hơn nhiều so với những gì tôi có thể làm Tôi vừa trích dẫn bạn, cảm ơn bạn. Xin vui lòng chỉnh sửa câu trả lời hơn nữa!
uhoh

1
Vui mừng tôi có thể giúp đỡ, cảm ơn vì đã làm toán và viết nó lên, đây là một câu hỏi và trả lời thú vị. :) Tôi đã nghĩ đến việc thêm vào cụm từ "có Trái đất được kéo ra từ bên dưới chúng (thậm chí nhanh hơn cả lực kéo thêm của Trái đất + Sao Mộc)" cho những người ở phía xa, nhưng tôi không thấy nơi nào để đặt nó mà không bị dư thừa hoặc viết lại toàn bộ một đoạn.
Peter Cordes

1
"Về phía gần, ở gần 6.378 km, sẽ cảm thấy gia tốc 1,2 m / s ^ 2 ít hơn" <- 1,2 m / s ^ 2 nữa ?
Pickup Logan

17

Khoảng 70.000 km. Nếu Trái đất quay quanh Sao Mộc (hoặc bay ngang qua) ở khoảng cách gần hơn, không chỉ chúng ta sẽ rời khỏi bề mặt, mà toàn bộ Trái đất sẽ tan rã vì tất cả khối lượng của nó cũng sẽ rời đi.

70.000 km là giới hạn Roche của sao Mộc (mặc dù giá trị thực của nó thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào cơ quan có liên quan khác), bán kính nơi các lực thủy triều (đã được giải thích trong câu trả lời của uhoh) áp đảo lực hấp dẫn và bất kỳ vật thể nào quay quanh đều không thể tự giữ được trọng lượng của nó . Trong bối cảnh đó, mọi người trên bề mặt không cư xử khác với đá.

Btw., Kịch bản này cũng được khám phá trong một video youtube . Tôi sẽ không nói nó rất tốt nhưng có thể hữu ích để giải thích giới hạn Roche cho một đứa trẻ 7 tuổi.


5
Lưu ý rằng 70.000 km cũng là bán kính của Sao Mộc, vì vậy các hành tinh sẽ cần phải chạm vào. (Và không có giới hạn "Roche", nó phụ thuộc vào mật độ của vật thể thứ cấp, nghĩa là Trái đất trong ví dụ này).
Henning Makholm

5
Mọi người không bị giữ bởi lực hấp dẫn, do đó, ở bên trong giới hạn Roche sẽ không kéo họ ra xa nhau như đối với một hành tinh. Về mặt đó, mọi người trên bề mặt hành vi khác với đá - một đống sỏi sẽ tách thành từng viên sỏi khi nó bị hút vào giếng hấp dẫn của sao Mộc, nhưng một người sẽ vẫn còn nguyên vẹn.
Hạt nhân Wang

17
@NucleWang Nhưng ... con người bị giữ bởi trái đất hoàn toàn bởi lực hấp dẫn. Ở trong giới hạn roche sẽ không kéo con người ra xa nhau nhưng chúng ta vẫn hành động như những viên sỏi theo nghĩa là con người sẽ không bị mắc kẹt trên trái đất bởi trọng lực nữa.
J ...

6
ngay bên trong giới hạn Roche, phép toán trong câu trả lời của @ uhoh cho thấy các vật thể lỏng lẻo không bị xé toạc ra khỏi bề mặt. Tôi nghĩ rằng cơ chế này dần dần hơn ngay cả đối với một khối sỏi hoàn toàn không cứng nhắc: với trọng lực riêng của nó không bị ảnh hưởng theo các hướng khác, nó sẽ kéo dài theo hướng thủy triều. Điều này đặt các đầu xa hơn và xa hơn từ tâm khối lượng, và tăng khoảng cách cho gradient trọng lực. Điều này cuối cùng dẫn đến việc nó bị xé toạc, nhưng một đường chuyền nhanh sẽ không làm rách các vật thể rời khỏi bề mặt (đặc biệt đối với một vật thể cứng / nhớt như Trái đất)
Peter Cordes

4
@HenningMakholm: Tôi nghĩ rằng câu trả lời này đã vô tình lấy bán kính thực tế của sao Mộc làm giới hạn Roche của nó!, Vì trang Wikipedia có bảng mật độ và bán kính cho các vật thể trong hệ mặt trời của chúng ta ở đầu phần giới hạn Roche cho các cặp vật thể. Giới hạn Roche thân cứng thực tế (nơi các vật thể bị lực thủy triều kéo ra khỏi bề mặt) là = = 56 018 km sử dụng công thức "vệ tinh hoàn toàn cứng nhắc" từ Wikipedia. Rm(2ρM/ρm)1/371493000 * (2 * 1326/5513)^(1/3)
Peter Cordes

9

Như các câu trả lời khác chỉ ra, Sao Mộc không đủ lớn để kéo một hành tinh có mật độ Trái đất ra xa nhau. Nhưng thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng một vật nặng hơn một chút - giả sử, một sao lùn nhỏ màu nâu lạnh có khối lượng 13 sao Mộc, hoặc khoảng 4000 Trái đất. Theo công thức Roche thân cứng, giới hạn Roche của nó sau đó là radii trái đất, hoặc 130.000 km. Bán kính của sao lùn nâu không lớn hơn nhiều so với sao Mộc (vì cả hai đều được làm bằng khí nén), nhỏ hơn 100.000 km và có một số chỗ để Trái đất bị phá hủy mà không thực sự va chạm với nó.240003=20

Sao lùn nâu của chúng ta, lang thang trong thiên hà, nhìn thấy mặt trời của chúng ta và quyết định xem xét kỹ hơn. Nó phát ra tiếng hét qua hệ mặt trời bên trong trên quỹ đạo hyperbol, điều đó có nghĩa là nó sẽ di chuyển với tốc độ thoát hơi mặt trời nhiều hơn khi nó nhớ Trái đất - gọi nó là 100 km / s. Thay đổi quan điểm, chúng ta có thể nói rằng Trái đất đến sao lùn nâu với tốc độ 100 km / giây và chỉ cần bỏ lỡ. Tốc độ này cho phép chúng ta dành gần nửa giờ bên trong giới hạn Roche, nếu chúng ta gần như chạm vào sao lùn nâu tại thời điểm tiếp cận gần nhất.

Nhưng âm thanh đó nghe có vẻ kịch tính không cần thiết, nên thay vào đó, sao lùn nâu cho là một bến rộng hơn một chút để tại thời điểm tiếp cận gần nhất, gia tốc trọng lực ở mặt đất bằng 0 sẽ là một người đi bộ hơn . Đó sẽ là trường hợp khi khoảng cách của chúng ta với sao lùn nâu là của giới hạn Roche, hoặc 128.000 km. Độ dài của con đường của chúng tôi qua khu vực Roche sau đó là khoảng 20.000 km, điều đó có nghĩa là cuộc chạm trán mất 200 giây. Gọi nó là ba phút.0.1m/s29.820.1+9.823=0.997

(Người đọc mắt sắc bén sẽ nhận thấy rằng những con số này có nghĩa là phía xa của trái đất thực sự không bao giờ nằm ​​trong giới hạn 130.000 km, nhưng điều thực sự đáng quan tâm là dẫn xuất đầu tiên của trường hấp dẫn của sao lùn nâu, vì vậy nếu bạn đang đứng ở điểm đối cực, bạn vẫn sẽ có khối lượng trung tâm của Trái đất bị kéo đi bên dưới bạn ngay cả khi chính bạn ở ngoài giới hạn. Dù sao thì các con số đều gần đúng).

(Mặt khác, một vài phút rõ ràng không đủ thời gian để sự nóng chảy bên trong Trái đất chảy vào trạng thái cân bằng thủy tĩnh trong tình huống mới, vì vậy sử dụng công thức cơ thể cứng nhắc là phù hợp).

Điều gì xảy ra sau đó?

Đầu tiên, tất nhiên, đó là một cảnh tượng tuyệt vời . Sao lùn nâu thống trị bầu trời với đường kính góc ở đâu đó trong khoảng từ 60 ° đến 100 °.

Sau đó, nó có thể đang nóng khó chịu . Không nhất thiết là "những ngọn núi đang tan chảy" nóng hay thậm chí là "biển sôi". Nhưng điều này nói rằng những người lùn nâu lạnh nhất có nhiệt độ của lò nướng bánh, và có một phần đáng kể của bầu trời ở 150 ° C có thể khiến bất cứ ai đổ mồ hôi. Tuy nhiên, không phải lo lắng - tất cả sẽ kết thúc sau vài giờ, vì vậy chỉ cần đi vào bên trong và xoay tròn AC; điều đó sẽ đối phó với nó tốt

Ngay tại mặt đất, trọng lực không giảm trong khi chúng ta tiếp cận Roche. Khi nó vượt qua 0 G, bạn rơi tự do và bắt đầu nổi nhẹ nhàng lên trên. Ngoại trừ mọi thứ xung quanh bạn - xe hơi, nhà cửa, cây cối, chính đất - cũng rơi tự do vì điều duy nhất khiến chúng thất vọng là trọng lực. Vì vậy, với một xấp xỉ đầu tiên, trải nghiệm địa phương của bạn không phải là mang lại trái đất, mà chỉ là không trọng lượng. ( Hoặc là nó? Xem bên dưới.)

Ditto tại điểm đối cực.

Một vấn đề xuất hiện ở đây là bầu khí quyển đang thoát ra ngoài không gian. Vì không có lực hấp dẫn để giữ nó xuống, nó thoát ra ngoài nhanh hơn so với sự trôi nổi nhẹ nhàng của ô tô, cây cối và con người, bị đẩy bởi áp lực của chính nó. Ngay cả trước khi chúng tôi đến Roche, không khí có thể đã trở nên quá mỏng để thở. Mặt khác, không khí trong lành sẽ ùa vào từ các khu vực xung quanh để lấp đầy khoảng trống, tạo ra bà cố của tất cả các cơn bão. (Và một ông cố xung quanh antipode, tất nhiên).

Trên một vòng tròn lớn 90 ° so với mặt đất bằng không, trọng lực tăng lên khoảng 1,7 G. Bạn cảm thấy nặng nề. Hồ hum.

Giữa những khu vực này những điều kịch tính xảy ra. Ở khoảng 45 ° so với mặt đất bằng không (hoặc cực âm), lực thủy triều nằm đúng góc với phương thẳng đứng, do đó sức mạnh của trọng lực là về những gì chúng ta đã từng sử dụng - nhưng hướng của nó thì khác. Cứ như thể thế giới bị nghiêng hàng chục độ , giống như những bộ phim khoa học viễn tưởng tồi tệ giả vờ "đi vào trường hấp dẫn" hoạt động như thế nào. Nhà cao tầng nghiêng; nhiều người không cao chỉ sụp đổ. Hồ và biển làm những việc khiến từ "sóng thần" chật cứng và trở về nhà, vô vọng vượt xa. Những gì nước không nhận được, những tảng đá không thể ngăn cản sẽ. Và đừng quên những cơn gió siêu mạnh khi bầu khí quyển "đi xuống" gần như không bị cản trở.

Điều này giả định rằng mặt đất bên dưới là cứng nhắc, tất nhiên. Nó không hoàn toàn, mặc dù nó có thể có đủ tính toàn vẹn cấu trúc mà đoạn trước vẫn đúng. Trong mọi trường hợp, toàn bộ vỏ Trái đất bắt đầu trượt "xuống" về phía mặt đất bằng không (hoặc, như mọi khi, cực âm). Các phần khác nhau của lớp vỏ trượt với vận tốc khác nhau, mặc dù. Gần khu vực "ho hum", lớp vỏ được kéo dài; ở mặt đất bằng không hoặc phản cực, lớp vỏ chất đống. Không có gì thực sự có thời gian để di chuyển nhiều hơn (rất gần) khoảng vài chục km từ vị trí bắt đầu của nó một cách tốt nhất, nhưng điều đó là khá đủ để có được các trận động đất cực mạnh ở mọi vùng hoạt động kiến ​​tạo trên trái đất. Khi không có vùng hoạt động để giải tỏa căng thẳng, những vùng mới sẽ mở ra.

Tôi không hoàn toàn chắc chắn những gì lớp phủ đang làm, nhưng nó có thể không phải là một cái gì đó tốt đẹp.

Một điều mà lớp phủ đang làm xảy ra xung quanh mặt đất bằng không. Không có bất kỳ trọng lực ròng nào để giữ lớp vỏ xuống, áp suất thủy tĩnh trong thạch quyển thấp hơn giảm xuống không. Các chất bay hơi hòa tan trong magma ở khắp mọi nơi cố gắng vượt qua, tạo thành bong bóng và mở rộng magma cho đến khi quán tính của những tảng đá quá khổ chống lại nó. Hiệu quả là đẩy lớp vỏ lên cao nhanh hơn so với thủy triều. Vì vậy, đứng ở mặt đất bằng không, bạn có thể không gặp phải tình trạng không trọng lượng. Thay vào đó, bạn có thể đứng ngay trên đỉnh của vụ phun trào núi lửa lớn nhất trong lịch sử hành tinh. Thực sự là kinh nghiệm của một đời.

Sau đó ba phút là lên và sao lùn nâu rút đi một lần nữa.

Ở mặt đất, bây giờ bạn cao hơn ít nhất một km so với khi bạn bắt đầu, cùng với mọi thứ xung quanh bạn, và vẫn di chuyển lên cao hàng chục km một giờ. Đó là ít hơn nhiều so với tốc độ thoát, vì vậy những gì đi lên phải xuống một lần nữa. Ngoại trừ "xuống" bây giờ rất có thể là một địa ngục núi lửa đang sôi. Bạn có vui không khi bạn bị sao lùn nâu bắt đầu nướng?

Vẫn còn thời gian để các mảng kiến ​​tạo trượt trượt xuống, và cho các rạn nứt mới trong khu vực "ho hum" bắt đầu cạnh tranh với núi lửa không mặt đất. Trừ khi bên trong trái đất bị biến dạng đàn hồi, vì vậy mọi thứ bây giờ cố gắng trượt trở lại .

Các hành tinh vẫn còn tồn tại, mặc dù. Không có khối lượng thực sự bị mất. Mặt khác, cuộc chạm trán đã thay đổi vận tốc tập thể của chúng ta thêm vài chục km mỗi giây, tương đương với chuyển động quỹ đạo thông thường của chúng ta. Điều đó sẽ tàn phá toàn bộ các mùa.

Ồ tốt Không phải là bất cứ ai trong chúng ta sẽ ở đây để phàn nàn về điều đó.


(Người đọc mắt sắc bén từ trước sẽ lưu ý rằng hầu hết các thiên tai này sẽ xảy ra ngay cả khi không đi đến giới hạn Roche. Vì vậy, nếu thế giới phải kết thúc, trường trọng lực của Sao Mộc thể đủ khả năng.)

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.