物理:在太空也要保持安全距離
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電影《流浪地球》里,太陽即將毀滅,人類帶著地球在太空中流浪,尋找新的家園??墒牵瑔慰啃行前l動機,這個過程艱難而緩慢。人類決定冒險借用“引力彈弓”效應,從木星那里偷點速度,把地球“甩”出太陽系。誰知木星引力突然增大,將地球拽離既定軌道,地球和木星之間的距離小于“洛希極限”,地球將面臨解體......
等等,“洛希極限”是什么?差點撕碎地球的神秘力量又到底來自哪里?
解體危機的幕后黑手
要想理解洛希極限,先得從慣性力說起。乘車時,我們常??梢愿惺艿綉T性力的存在,其實是因為車突然加速,產生了向前的加速度,車里的人還保持著原來的前進速度,如果以車廂為參照物,看起來好像有一股力量把人向后拉,這股力量就被稱為慣性力。
當地球靠近木星時,受到了來自木星的引力,地球會在這股力的作用下朝著木星加速運動,相當于一輛正在加速的汽車,而地球上的物體就像汽車上的乘客,既受到木星的引力,又受到和木星引力方向相反的慣性力。由于慣性力大小和距離無關,而引力近大遠小,因此地球上接近木星的一端所受引力更大,兩股力的合力指向木星,而地球上遠離木星的一端所受引力小,兩股力的合力背離木星。
這里提到的合力有它自己的名字——引潮力,又稱潮汐力,它的大小就等于木星引力和慣性力之間的差值。
潮汐力對我們來說并不陌生。如果你曾經去過海邊,就應該見過海水漲潮和退潮的景象。語文課本里出現的錢塘江大潮,就是潮汐力的杰作。
地球受到的潮汐力主要來自太陽和月球,因為月球距離地球更近,占據日月總潮汐力的三分之二。月球產生的潮汐力拉扯著地球,海水不斷重新分布,于是每天會出現兩次漲潮、退潮。除了最常見的海水潮汐,巖石圈每天也會起伏7~15厘米,叫作“固體潮”。
當一個天體接近另一個天體時,近端和遠端受到的引力大小不同,這種巨大的引力差形成了潮汐力。如果地球自身的引力足以抵抗這股潮汐力,地球就不會發生太劇烈的形變,地表的物體也依然可以停留在地面上。然而遇上木星這種質量遠遠超過地球的“重量級選手”,引力差距太懸殊,地球就難以保持自身的結構,從而面臨解體的危機。
嚴禁跨越的“三八線”
正面剛不過,我躲遠點還不行嗎。要想不被潮汐力撕碎,質量小的天體(地球)就得和質量大的天體(木星)保持一個安全距離。劃分這個安全距離的“三八線”,就是“洛希極限”。
洛希極限是由法國科學家愛德華·洛希提出的,指的是小質量天體接近大質量天體時,能夠維持自身結構不會解體的最小距離。一旦兩者距離小于洛希極限,較小的天體就可能被撕碎。這些碎片一般有兩種下場、一種是像土星環一樣,形成圍繞著大天體的一個環;另一種就比較慘烈了,可能會和大天體發生猛烈的撞擊。
最著名的就是1994年那場驚心動魄的“慧木相撞”??蓱z的“蘇梅克-列維9號”彗星突破洛希極限,被木星的潮汐力撕裂成20多塊,最終撞擊在木星上,相當于在木星上投放了20億顆原子彈,撞擊產生的疤痕能裝下好幾個地球。
只要保持安全距離,小天體被撕碎的危機也就宣告解除,不過,在潮汐力的反復拉扯下,小天體也很容易被大天體“鎖定”。就像是被大天體抓住肩膀,無法隨意向后轉動,久而久之,小天體自轉和公轉的周期趨于一致,從而成了大天體的衛星,最典型的例子就是月球和地球。如果兩個天體質量差不多,也有可能相互鎖定,譬如冥王星和它曾經的衛星卡戎。
在希臘神話中,卡戎是冥王哈迪斯的船夫,負責擺渡死者的亡魂,兩人是合作緊密的神祇。而冥王星和卡戎也始終保持同一個方向遙望著對方,如同一對老友,在無垠的太空安靜相伴。
《流浪地球》力學分析
當地球在行星發動機的推力下,朝著一個方向運行,而木星的引力把地球拉向木星,地球承受的慣性力背離木星,加上地球自身還有引力,所有這些力的合力如果仍然朝向木星,地球就將面臨解體。如果它們之間的合力在木星大氣之外,地球將搭載這股力量的順風車,以更高的速度向前運行。
月球與地球的互相吸引
地球和月亮之間的互相吸引,影響最大的就是地球上的海水。水的流動性很強,在月球和地球的互相拉扯下,海水會向月球的方向隆起。其實不僅是海水,地球上的大氣和地殼都會受影響而產生變化,這種影響叫“大氣潮”和“固體潮”。同時地球也在對月球產生強大的拉力,月球會產生變形。因為互相引力的合力朝向地球,地球會讓月球朝向地球的一面隆起。月亮自轉時,會讓月球被拉扯變形的隆起背離地球而去。它自傳一圈會被地球拉扯一次,最終導致月亮自傳速度降到最低值,月亮被地球鎖死。
冥王星與卡戎的互相鎖定
和地月關系不同的是,冥王星和它的衛星卡戎質量相差不那么懸殊,距離也比較近,他們互相拉扯的時候,出現了奇怪的現象:他們彼此被對方的拉力牽扯,互相環繞,互相鎖死,同步運動。在冥王星上看卡戎,只能看到卡戎的固定面,而在卡戎上看冥王星,看到冥王星的面也是固定的。它們好像固定在一根竹竿兩端一起轉動的小球。它們之間只有19570公里,比地球和同步衛星的距離35786公里小得多。如果地月之間的距離和關系如此,大概人類早就想在地球和月亮之間搭一座橋了。
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