本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
本文基於回答網友這樣的問題:地球自轉可產生引力,為何月球卻不能?
直話直說,這種認知是錯誤的。
萬有引力與自轉沒有毛關係,凡有質量的物體,都存在萬有引力,因此引力是物質本質屬性,一個原子也不例外,何況月球呼?只不過引力是四種基本力中強度最小的力,在小的物體上很難表現和測量出來而已。
牛頓發現萬有引力定律已經三百多年了,早已經成為一種基本科學常識。萬有引力定律表達式為:F=GMm/r^2。這裡的F表示引力大小值,G為引力常數,M和m代表兩個發生引力相互作用物體的質量,r為作用物體之間的距離。這個公式告訴我們,物體質量越大,引力越強,物體之間距離越遠,引力衰減得越快。
引力大小在天體表面表現為重力大小。
地球的質量為5.965*10^24kg,也就是約59.65萬億億噸;月球的質量為7.349*10^22kg,也就是約7349億億噸。地球質量是月球質量約81倍,地球的引力當然就比月球大很多了。在天體表面,作用於物體上的引力主要以重力方式出現,根據引力定律得到的重力公式為:g=MG/r^2。這裡g為重力,M為天體質量,G為引力常量,r為天體半徑。
我們知道,地球半徑約6371000米,月球半徑約1738000米。根據重力公式,可得到地球表面重力g≈9.8N,月球表面重力約1.62N。重力從引力而來,但並不完全等於引力,是引力形成的向心力和天體自轉形成的離心力的一個分力,因此重力在一個星球上並不完全一致的,一般隨著緯度升高而加大,在兩極達到最大,在赤道最小。
比如地球重力在兩極約9.832N,在赤道約9.78N。一個天體自轉越快,這種差距就會越明顯,月球自轉比地球慢多了,27.32個地球日才轉一圈,這種差距就會小很多。因此,我們取重力值一般就會取一個大致平均值,地球重力為9.8N,月球重力為1.62牛,這樣月球重力只有地球約1/6。
重力最直觀的感受就是重量。
重量是物體受重力大小的度量,也就是說同樣質量的物質,在重力大的天體上就會越重,重力小的天體上就會越輕,而且會與重力成比例。這樣在地球上1kg質量的東西就是9.8N,而在月球上只有1.62N,也就是說地球上60kg的重量,在月球上只有10kg。
因此我們看到阿波羅任務登陸到月球的太空人們,雖然穿著笨重的太空衣,但走路還是一跳一跳的,因為體重變輕了,隨便一用力就會飛起來,且由於太空衣笨重不好邁步,只能作「兔子跳」。這也是在月球上發射登月艙的上升段時,會輕便很多,省很多燃料的原因。
我們嫦娥五號登月器在完成月球採樣任務後,上升器從著陸器上分離,發射回到200km高空的環月軌道,也是利用月球重力很小的原理,計算好所需燃料動力實現的。
地球和月球引力相互影響。
根據萬有引力定律,引力是相互作用,月球圍繞著地球轉,雖然地球的引力起著主導作用,但月球的引力也是不可忽略的。事實上,月球公轉的質心並不是在地球中心,而是地球與月球引力共同形成的一個質點,地球和月球都圍繞著這個質點轉動。由於地球比月球質量大很多,這個質點依然還在地球以內,但不在地心,而是在地心偏向地表4671km處。
由於地球引力佔主導,因此月球早就被地球引潮力潮汐鎖定了,自轉與公轉同步了,只能一面一直向著地球。所謂引潮力是引力的一種變形,一個天體的引力作用於另一個天體,總量是既定的,但作用於由於不同位置的力是不一樣的,這就是引潮力。
引力對天體不同位置大小不一,就會導致天體表面變形,對天體起到拉拽作用,這樣天體自轉受到影響,變得越來越慢。月球就是這樣被地球鎖定的,在太陽系,被各大行星潮汐鎖定的衛星至少有三十多個。月球雖然引力比地球小很多,但其引潮力對地球有著重大影響,尤其是對地球生命有著決定性影響。
沒有月球,就不會有我們的存在。
別看月球引力比地球小很多,但月球引潮力同樣有讓地球被潮汐鎖定的趨勢。科學觀測表明,地球自轉每年變慢15微秒,就是月球引潮力作用的結果。不過這種變慢即使到50億年後,每年也只能慢75000秒,一年也慢不了21個小時,因此到太陽系毀滅地球也不會停轉,但卻顯示出月球雖小野心很大,趨勢如此。
月球對地球引潮力最大最明顯的影響就是大海的漲潮落潮,由於月球距離地球很近,相對距離1.5億km的太陽,月球對地球的引潮力比太陽要大2.5倍,因此地球大海漲潮落潮主要受月球引潮力影響。月球運行到地球什麼位置,那個位置以及地球反面相對位置的潮水就最大,這樣地球海洋每天就有兩次漲潮落潮,這種氣勢磅礴的全球運動,是地球的呼吸,生命的呼喚。
科學研究認為,如果沒有45億年前地球與「忒伊亞」,一個和火星差不多大小的行星那一撞,從此地球有了一年四季,誕生了月球有了更大的海洋潮汐,生命就很可能不會孕育和演化出來,就沒有今天的你我在這裡胡吹海侃了。
綜上所述,月球引力不但存在,還嚴重影響著我們每一個人乃至地球萬物的生存和生活。如果現在突然沒有了月球引力,地球的一切環境氣候將完全改變,所有的生命都將滅絕,地球就會成為一個死星。就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。
時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解合作。