Ускользающие луны противоречат тому, что я понимаю в гравитации

Я знаю, что земная Луна, назовем ее Луной (конец шляпы перед Пространством), медленно, но верно увеличивает свое расстояние от Земли на небольшую меру каждый год.

На этой неделе я был удивлен, узнав, что НАСА определило, что по крайней мере один из спутников Сатурна также уползает от своей родной планеты. В данном случае это самый большой спутник Сатурна Титан.

Хотя эта новость на самом деле поддерживает идею / вопрос, который у меня возник около 8 лет назад, с которым я так и не смог смириться. Я всегда задавался вопросом, почему Луна, вращающаяся вокруг Земли, не оттягивается от Земли с постоянной скоростью из-за центральной силы, реализуемой круговой траекторией Луны.

Я полагаю, это один вопрос для обоих небесных тел, Луны и Титана. Меня всегда учили, что при всех расчетах стабильной орбитальной механики любого объекта почти всегда обнаруживается, что орбита находится в постоянном состоянии орбитального распада. Как и в случае с МКС и большинством спутников, это требует периодического и преднамеренного вмешательства в орбиту, обычно в виде нескольких точно рассчитанных и рассчитанных по времени маневрирующих двигателей.

Что заставляет эти две луны дрейфовать наружу в космос и против гравитационных колодцев их соответствующих планет-хозяев, в отличие от активности, наблюдаемой чаще всего на орбитах большинства других спутников, характеризующейся медленным сжатием орбиты по мере того, как они будут дрейфовать внутрь к гравитационным колодцам соответствующей планеты-хозяина, а их орбитальные пути будут медленно разрушаться?

Лаборатория реактивного движения НАСА тоже называет его Луной! Кстати, поиск в Astronomy SE по запросу « Луна движется » дает богатый выбор ответов на этот вопрос.
Сделаю, Спасибо!!
Обратите внимание, что орбитальный распад МКС и других околоземных спутников не является следствием орбитальной механики и приливов, это происходит из-за трения от небольших следов атмосферы, которые существуют на этих уровнях.

Ответы (2)

Очень хороший вопрос!

Причина в основном связана с приливами. И немного упрощенное резюме таково: если Луна вращается медленнее, чем вращение родительского тела (как наша Луна, 12 градусов в день, в то время как Земля вращается примерно на 360 градусов в день), тогда Луна будет постепенно двигаться дальше и дальше. дальше. Если Луна движется по орбите быстрее, чем вращается родительское тело, то Луна будет постепенно двигаться все ближе и ближе и, в конце концов, рухнет.

Если бы не было приливов, ничего бы этого не было. Если оба тела совершенно твердые и идеально сферические, они будут вечно вращаться вокруг друг друга без каких-либо изменений.

Приливы

Земля мягкая и растягивается в ответ на гравитационные силы. Под «Землей» здесь я подразумеваю в основном океаны; но камень также растягивается (намного меньше) под действием силы тяжести.

Предположим на мгновение , что Земля совершенно жидкая, и что эта жидкость совершенно лишена трения и не имеет инерции. В этом случае прямо под Луной будет «выпуклость», вызванная тем, что это положение ближе к Луне, чем центр Земли, и, следовательно, сильнее притягивается гравитацией Луны. Точно так же на стороне, наиболее удаленной от Луны, есть «выпуклость», вызванная тем фактом, что это положение находится дальше от Луны, чем центр Земли, и, следовательно, менее сильно притягивается к Луне гравитацией Луны . (По памяти высота этих выпуклостей около 50см).

Таким образом, когда Луна вращается вокруг жидкой, без трения и инерции Земли, Земля становится слегка эллиптической, а «выпуклость» точно следует за подлунной точкой. Следовательно, нет никакого влияния на движение Луны.

Земля не является идеально текучей. Движение составляющих его материалов (особенно воды) не лишено трения. Реальные материалы обладают инерцией. Так что описание, которое я только что дал, совершенно неверно.

В реальном мире приливы выше 50 см. Это происходит потому, что вода плещется вокруг — для простого примера возьмите неглубокий лоток, наполните его водой и попробуйте нести его: небольшие неровности в том, как вы ходите, становятся огромными неровностями в том, как движется вода, и вы в конечном итоге пролил большую часть воды.

В реальном мире, поскольку Земля вращается быстрее (360°/день), чем Луна (12°/день), выпуклость смещается слишком далеко вперед за счет вращения Земли. Опустив множество точных деталей, это означает, что Луна «видит» под собой немного эллиптическую Землю с ее выпуклостью немного впереди подлунной точки. Таким образом, Луна всегда немного тянется вперед по своей орбите.

Вытягивание спутника вперед по его орбите делает его орбиту выше, а также увеличивает период его обращения. Поскольку действие и противодействие равны и противоположны, это также тянет Землю назад в своем вращении, поэтому дни постепенно становятся длиннее. Два интересных следствия: поскольку Луна удаляется дальше, она становится меньше на небе, и однажды она станет настолько маленькой, что больше не будет полных солнечных затмений. Поскольку дни становятся длиннее, однажды дни будут 1 365 года в длину, и не будет больше 29 февраля.

Быстрые луны

Когда луна вращается быстрее, чем день ее родительской планеты, происходит прямо противоположное. Луна будет «видеть» под собой планету слегка эллиптической формы, выпуклость которой «слишком далеко позади» и тянет ее назад по своей орбите. Это делает орбиту ниже и сокращает период обращения. Этому процессу нет конца, и в конце концов Луна упадет достаточно низко, чтобы попасть в атмосферу планеты и разбиться.

Краткое содержание

Из-за приливов орбиты лун и спутников имеют тенденцию отклоняться от положения «одна орбита = один день». Луна, которая находится за пределами этой позиции, будет двигаться все дальше и дальше за ее пределы. Луна, которая находится внутри этой позиции, будет перемещаться все дальше и дальше внутри нее.

Насколько быстро происходит этот процесс, зависит от природы планеты. Если бы планета была сделана из абсолютно твердого вещества, то эффекта бы вообще не было, потому что она не менял бы форму из-за гравитации Луны. Если бы она была идеально текучей и безынерционной, то эффекта бы вообще не было, потому что выпуклость можно было бы удерживать точно под луной без каких-либо усилий. Земля является хорошим кандидатом на орбитальный распад из-за ее океанов. Сатурн — хороший кандидат на орбитальный распад, потому что он в основном состоит из газа. Марс не является хорошим кандидатом, потому что это в основном горная порода, которая хотя и гибкая, но не такая гибкая, как вода или газ.

Постскриптум: Земля также вращается вокруг Луны, и общий эффект заключается в том, что лунный день удлинился до тех пор, пока не сравняется со временем, которое требуется Земле для обращения вокруг Луны. Солнце также вызывает приливы на Земле (и Земля на Солнце), и поэтому, поскольку Солнце вращается быстрее, чем один раз в год, Земля тянется вперед по своей орбите, она неуклонно удаляется от Солнца, и год становится неуклонно длиннее.

Интересный ответ! Есть ли у вас информация о приливных силах твердых массивов суши? Я не уверен, что искать, но мне было бы интересно узнать о реальных примерах этого, если таковые имеются.
Также стоит отметить, что в идеализированном мире система Земля-Луна в конечном итоге станет приливно-запертой , где Земля будет вращаться с тем же периодом, что и орбита Луны. В этот момент Луна перестанет удаляться от Земли.
(«Грубая оценка» в связанной статье, с поправкой на начальный период в 24 часа, а не в 12, приводит к оценке порядка величины примерно в 2 миллиарда лет, чтобы это произошло. Так что не теряйте сон из-за это.)
@MichaelSeifert Но в какой момент он становится заблокированным? Луна убегает, если она выходит из Сферы холма Земли до того, как произойдет блокировка.
Я должен придраться к вашему утверждению, что две абсолютно твердые сферы останутся на стабильной орбите. Ньютон, да, но не с современной физикой. Рассмотрим пару черных дыр, движущихся по орбитам друг вокруг друга — со временем они сталкиваются из-за энергии, излучаемой в виде гравитационных волн.
@LorenPechtel: верно; мое утверждение верно только в том пределе, когда систему Земля-Луна можно рассматривать как изолированную ньютоновскую систему. Я не уверен, насколько далеко должна пройти Луна, чтобы оба тела были заблокированы приливом; но было бы нетрудно рассчитать по закону сохранения углового момента.
Интересно думать, что високосные дни будут становиться все реже и реже по мере того, как период обращения Земли приближается к 365 дням. Поскольку он длится чуть менее 365 дней, у нас будет «антивисокосный день», когда мы периодически исключаем 28 февраля из календаря (например, каждые 10 лет в течение 364,9 дней). Когда он становится меньше 364,5 дней, 28 февраля полностью исключается из обычного календаря и становится новым високосным днем, который появляется только в определенные годы.
@NuclearWang Я думаю, что было бы более вероятно, что мы сместим 31-дневный месяц на 30 дней, а не укоротим февраль.
@NuclearWang: В краткосрочной перспективе это просто означает, что нам нужно время от времени добавлять дополнительные секунды . Это боль для компьютерного программного обеспечения (по крайней мере, так было до того, как мы начали их размазывать ), но невидимая для большей части общества.
@LorenPechtel Возможная ликвидация февраля — это долгосрочная схема Big Calendar, позволяющая сэкономить 1/12 их производственных затрат.

Орбиты под синхронными орбитами имеют более высокую угловую скорость, чем вращение их планет, орбиты выше имеют меньшую угловую скорость. Перетаскивание (атмосферное или приливное) попытается согласовать угловую скорость с вращением планет. Таким образом, ниже синхронной орбиты объекты становятся медленнее, над ней они ускоряются (и замедляют вращение тела, с которым они взаимодействуют). Фобос, например, находится ниже синхронной орбиты Марса и фактически с течением времени приближается к Марсу.

В статье Википедии о приливном ускорении/замедлении есть дополнительные примеры.

Имеет смысл, спасибо
Ускользающие луны противоречат тому, что я понимаю в гравитации
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v