10.29 地球上的潮汐現象,是因為引力和離心力的共同作用!

地球上的潮汐運動現象,是因為受到月球引力的作用,或者因為受到太陽引力以及地球公轉離心力的共同作用

由於地球的自轉要帶動地球上的所有物質一起做慣性運動,其中當然也包括圍繞在地球周圍的水及空氣。同時又由於地球周圍的不同區域相對於太陽及月球的引力中心不斷地發生著相對位置的變化,這種位置的變化使得地球上不同位置的物質在不同的瞬間會受到來自於太陽及月球引力中心的不同程度的引力的作用,以及不同程度的公轉離心力作用。這種變化的作用力改變了隨同地球一起運轉的水及空氣的慣性狀態,所以便產生了地球表面流體相應的運動現象——其中對於海水及江水的影響產生了潮汐現象。另外對於空氣的影響產生了大氣的流動及氣旋等現象。

相反地,如果地球沒有自轉現象,月球也不圍繞地球公轉,那麼地球上便會減少很多關於大氣和水的自然運動現象。地球上的大氣和水會在地球、太陽及月球的引力共同作用下相對地固定於地球上的某個位置,達成相應的力學平衡而處於相應的靜止狀態,只在局部範圍內受到日光的照耀而產生相應運動。

如果忽略地球環繞太陽0.0167的軌道偏心率不計,我們可以認為地球運行在環繞太陽的軌道上是在做 受平衡力作用的慣性圓周運動。即地球作為一個質點,它所受太陽的向心力正好等於其相對於系統中心的離心力。

但是,由於地球並非真正地足夠小的一個質點,而是一個半徑達到6378.2km大的一個球體。在這樣大的一個天球上,只有處於地球質心或者正好處於地球公轉軌道中心上的質點才真正受到相平衡的力。而地球上遠離公轉軌道中心的質點(比如距離太陽最近或者最遠處的質點),由於相對於恆星的角速度幾乎等於地球質心的角速度,而其公轉軌道半徑卻與地球質心處存在細微的不等(即存在一個地球半徑的差距)。所以它們並非受到相平衡的力——處於公轉軌道中心外側的質點,由於速度大於所處位置所需的平衡速度,所以導致向心力小於離心力,進而體現出向外的合力效果;而處於公轉軌道中心內側的質點,由於速度小於所處位置所需的平衡速度,所以向心力大於離心力,進而形成向內的合力。並且這兩種情況下受力的不平衡都隨距離的增加而增加。

由於地球的自轉以及上述原因的受力不平衡,導致地球上的流體不斷地向著新的平衡方向移動。總體上是流向公轉軌道中心兩側直至最遠點,但最終會因為地球引力的束縛作用達到平衡而停止繼續運動。

由於上述的驅使物體運動的力,以及不斷變化的位置關係,才不斷導致在地球公轉軌道中心線與地面的交匯區域,即大致是地球上每日的黎明和黃昏時分的位置,不斷地進行著向內外兩側的分流並引起波瀾,從而出現每日早晚各一次的潮汐運動現象。同時又在面向太陽以及背離太陽的方位卻同時出現海水的隆起現象。然而這種現象在牛頓有關潮汐運動單獨受引力影響的理論中卻是不能明確說明其原因的。

地球上的潮汐現象,是因為引力和離心力的共同作用!

與前面所述受力方式不同的是,月球對於地面潮汐運動的影響卻出於局部區域性受到吸引而產生的加速運動現象。這樣的加速效果主要在於對地面流體物質的側拉作用併產生動能,而並非直接性的抵抗重力產生運動將水面提高。就如同在光滑桌面上從側面推動小球僅需要遠遠小於拿起小球所需的力,便能不斷地對小球進行加速,直至其具備較大的動能。所以,月球對海洋影響最大的位置應在月球中心與地球表面相切的連線位置處。

但是,由於月球處於地球及海洋上方的圓錐頂點,它的引力對於各處海水的拉動作用最終使得更多的海水沿圓錐面方向匯聚到靠近月球正下方的中心軸線位置,匯聚的效果使得相應區域的水位得到升高。這與前面所述太陽引力及地球公轉離心力之間的不平衡而導致海水在偏於公轉軌道中心內側最遠處或者外側最遠處同時升高的現象是完全不同的,原因就在於它們所受力的作用機制截然不同。

地球上的潮汐現象,是因為引力和離心力的共同作用!

被牛頓片面曲解的潮汐引力背後的真相

不過,月球對於地面流體的單方向引力影響在一定位置還會與地球公轉雙向不平衡力的影響相疊加而導致效果上的加強或者減弱,從而產生較強的潮汐或者氣旋等自然現象。另外,由月球的運動所導致的地球公轉軌道中心位置的變化也會在一定程度上影響到流體的相應運動,因為地月系統相對於太陽的公轉軌道中心始終在它們中心連線的某一比例位置處。

總之,不論是地球在其公轉軌道上由於不同區域到太陽中心距離的不同而導致的不平衡的受力,還是由於月球對於地球近地表面的引力,它們相比於地球對於地表附近物體不斷拉向地球中心的引力,都是屬於微不足道的力。雖然它們都遠遠不足以抵抗物體的重力並使物體直接性地發生運動,甚至不能被較為精密的儀器檢測出它們作用的前後物體重力所發生的細微變化,當然也不足以使海洋裡面的水克服重力而被直接抬升。

但由於這樣的力畢竟是規律性出現的不平衡的力,這種不平衡的力對於流動性較好的流體來說就意味著是推動它們加速運動的合外力。同時,如此微小的力也只有出現在與地球的引力相交錯的方向上時才可能最終體現為推動物體運動的合外力。

另外,由於水和空氣極其細微的、獨立的微粒結構所具有的流體特性,使得它們在維持住重力及支承力之間受力平衡的情況下,還具備良好的側向流動性。而不像固體物質那樣受到物質內部結構之間強大的分子及原子間力或者摩擦力的約束,進而使得細微的側向推力或者拉力都可以使其產生相應的運動。所以,當上述的不平衡力出現並作用於水或者空氣所受重力的側向方位時,由於時間的積累以及數量的積累,最終卻形成了極其顯著的潮汐運動現象,以及空氣的流動現象


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