潮汐现象的力学分析

-潮汐现象的力学分析地球上的海洋周期性的涨落称为海洋潮汐。我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐的说法1。在公元前2世纪已记载月望满月之日可以看到十分壮观的海潮枚乘：?七发?140 B.C，东汉王充在?论衡?中已写道“涛之起也，随月盛衰，大小，满损不齐同指出潮汐与月球的关系，其后更有余靖、君房、燕肃、括、郭守敬等人对潮汐观测得到相当准确的结果2，约瑟Joseph Needham,19001995曾说：“近代以前，中国对潮汐现象的了解与兴趣总的来说是多余欧洲的3。古人称白天为“朝, 晚上为“夕, 所以以海洋潮汐为例, 白天海水上涨为“潮, 晚水上涨为“汐。潮汐现象是一种普遍的自然现象。有资料4称：“地球洋的周期性涨落称为潮汐,并解释说是“一昼夜中两次潮水涨起，随之有两次跌落。这一注解容易使人误认为海水的潮汐就是一昼夜的两涨两落现象。事实上潮汐有多种, 就海洋潮汐而言, 就有根据太阳、月亮、地球排列位置分的“大潮和“小潮；根据月球与地球距离分的“近地潮和“远地潮；根据引潮力方向分“顺潮和“对潮等。以一昼夜高、低潮出现的次数不同又可分为以下几类：半日潮：是指一昼夜出现两次高潮和两次低潮。全日潮：是指一昼夜只有一次高潮和一次低潮。混合潮：是指一个月有些日子出现两次高潮和两次低潮, 有些日子出现一次高潮和一次低潮5。所以潮汐现象不仅仅是一昼夜中海水的两涨两落现象。下面以海水的半日潮为例分析其形成过程及物理本质。1 潮汐现象的力学分析1.1 引潮力产生的分析月球对海水的引力是造成潮汐的主要原因，太阳的引力也起一定的作用。潮汐现象的特点半日潮是每昼夜有两次高潮。所以，在同一时刻，围绕地球的海平面总有两个突起局部，在理想的情况下它们分别出现在地表离月球最近和最远的地方。如果仅把潮汐看成是月球引力造成的，则在离月球最近的地方海水隆起，是可以理解的。为什么离月球最远的地方海水也隆起呢. 如果说潮汐是万有引力引起的，潮汐力在大小就应该与质量成正比，与距离平方成反比。太阳的质量比月球大倍，而太阳到地球距离的平方只比月球的大倍6，两者相除，似乎太阳对海水的引力比月球还应该大180倍，为什么实际上月球对潮汐起主要作用.aF=-ma大家都知道，太空工作站上的宇航员是漂浮在空中的，因为他处在失重状态，原因就是他受到的重力和惯性力“准确抵消，从广义相对论的观点看，牛顿力学所谓“真实的引力和“因加速度产生的惯性力是等价的，实际中无法区分。但这种等价性在大尺度围就不再是“准确的了，如果那个“太空工作站足够大，当其中引力场的不均匀性不能忽略时，惯性力就不能把引力完全抵消了。如图1示，设想在太空工作站有5个质点，C在中央,即系统的质心上，A和B分别在C的左右，D和E分别在C的上下。考虑到引力是遵从平方反比律且指向地心的，与中央质点C 所受的引力相比，A和B受到的引力略向中间偏斜，D因离地心稍远而受力稍小，E因离地心稍近而受力稍大。由于整个参考系是以质心C的加速度运动的，其中的惯性力只把C点所受的引力准确抵消，它与其他各质点所受的引力叠加，都剩下一点剩余的力。如果太空工作站的空间非常大时，则这种偏差就会更明显，它们这时所受力的方向如图2所示，A和B受到的剩余力指向C、D和E受到的剩余力背离C，所以，如果在中央C处有个较大的水珠的话，严格地说它也不是球形，而是沿上下拉长了椭球。yy*yccRPrr地球月球图y*图*把地球当做一个对象，其中引力不均匀性造成的应是很大的。地球外表70 %的面积为海水所覆盖，地球自转造成的惯性离心力已计算在海水的视重里，所以我们可以取地心作为参考系，不必考虑地球的自转，这样一来，就可以把它看成是由海水形成的一个巨大的水滴。如果没有外部引力的不均匀性，这个大水滴将准确地呈球形。现在考虑月球引力的影响。如图3所示，在地心参考系中各地海水所受月球的有效引力是“真实的引力和地心的离心加速度造成的“惯性离心力之和。这有效引力的分布就像图4所示那样，把海水沿地-月联线方向拉长为一个椭球。这就是为什么在地球相对位置会同时出现潮汐，使得每天有两次潮，而不是一次的原因。1.2 引潮力的计算7现在让我们来看看地-月引潮力的大小, 在图3中C和C分别是地球和月球的质心, O是它们共同的质心，P点是质量为m的海水，地月质心之间的距离，地面上一点到月球质心的距离，地面上一点到地心的距离。m的海水受月球的吸引力为 1-2-1 任何质心在地心参考系所受的惯性力，等于把它放在地心处所受引力的负值，因此地球上所有物体受到的惯性力为 1-2-2和合成为引力 1-2-3由图可以看出：，故 1-2-4取直角坐标的*轴沿，y轴与之垂直，如图所示，则， 1-2-5故 1-2-6 1-2-7在以上两式中实为地球的半径，实为地月距离，归纳以上结果，我们得到引潮力公式的分量形式如下 1-2-8 1-2-9引潮力在地表上的分布如图，在=和处即离月球最近和最远处是背离地心的，在这些地方形成海水的顶峰；在处指向地心，形成海水低谷。随着地球的自转，一昼夜之间有两个顶峰和两个低谷扫过每个地方，形成两次高潮和两次低潮。上式同样也适用于太阳，只是其中的和应分别代之以太阳的质量和日-地距离，经替代后可得 1-2-10 1-2-11通过上述推导说明引潮力与质量成正比，与距离的立方成反比，故月潮和日潮大小之比为月球月球地球图a)图b地球这个结果说明，尽管地球上太阳的引力比月球的大180多倍，但月球对地球上潮汐的效应约为太阳的两倍，这就解释了为什么月球而不是太阳对潮汐起着主要作用。其原因也可以认为是：潮汐力与引力场的梯度有关，月球离地球近，它的场横过地球的变化相当大，而对相距甚远的太阳的场则近乎不变变化小的多。假设横过地球时场的变化为零，则不管此场多强，也不会产生潮汐现象8。日月引潮力的效果是线性叠加的，合成的结果与日、月的相对方位有关。在朔日和望日，月球、太阳和地球几乎在同一直线上如图5a)，太阴潮和太阳潮彼此相加，就形成每月的两次大潮。上弦月和下弦月时月球和太阳的黄经相距如图5b)，太阴潮被太阳潮抵消了一局部，就形成每月里的小潮9。1.3 潮汐涨落公式的推导通过上面的力学推导，我们知道在引潮力的作用下海平面可以周期性的涨落，则海平面到底可以升高多少呢.我们可以利用牛顿力学来推导，也可以利用等势面的方法来推导。下面首先利用牛顿设计的一种方法来计算潮汐涨落的高度。图6 r1.3.1 牛顿推导10如图6所示，设想在地球和方向分别挖一个竖井直达地心相通。二井深度分别为和，截面积为，井充满水。先计算井中的水在地心处产生的压强。以表示水的密度，视为常数。一段水的质量为，它受地球的引力为，其中是在处的重力加速度。此处潮汐力可利用引潮力公式表示，只是用取代其中的。由此可得一段水产生的压强 1-3-1将此式对整个井深积分，可得井底的压强1-3-2同样的道理得出井底的压强1-3-3在稳定情况下，即移项可得 1-3-4此式在左侧积分可合并为。由于和都和地球半径相差不多，就可取地球外表的重力加速度值=。这样其中可视为潮高。上式右侧可取而合并为由此可给出 而潮高 1-3-5将，代入上式，可得到月球引起的潮汐太阴潮之高： 上述分析同样可以用来分析太阳在地球上引起的潮汐太阳潮。与上式类似，太阳潮高为： 1-3-6将太阳的质量，它到地心的距离代入上式，可得 实际上潮高为和的矢量叠加。在朔日和望日月球、太阳和地球几乎在同一直线上，太阳潮和太阴潮相加形成大潮，高潮可到达。在上弦月或下弦月时，月球和地球的方位垂直，二者相消一局部，形成小潮，潮高为。如图5一个月大潮和小潮个出现两次。和实际观测相比以上潮高的计算值偏小，该计算值约适用于开扩的洋面。1.3.2 利用等势面推导11海水受到来自月球的引潮力的作用，致使海水发生全球围的大变化，破坏了原来的平衡状态，于是压强大的海水挤向压强小的海水，使的这局部海水凸出来了，直到海面的压强相等到达新的平衡为止，我们知道平衡液面是等势面，根据这一原理我们讨论潮汐的涨落的涨落公式12。如图3，在地心参照系中，考察*点处的海水，除了月球的引力势能及地球本身的引力势能外，因惯性力是恒力，可以认为是关于位置的函数，故引入一个惯性场力的等势能。具体地说，首先月球对点引力的对应势为 1-3-7其次，地球对点引力对应的势能为设其中为点到平均海平面的高度，为平均海平面到地心的距离，即地心半径。因为则点的引力势能可近似等于重力势能，即1-3-8最后，海平面上一点受到惯性场力的对应等效势能为121-3-9故当海面处于平衡状态时，根据平衡液面是等势面的理论有1-3-10在上式中，可设，并令势能常数，因此1-3-11利用1-3-11可以在平面上描出一条闭合曲线，其形状正好是起潮时的海面的形状。将或代入上式可得，。比照两种推导方法的结果，我们发现相当接近，从而说明他们理论上的可靠性。月球延迟角地球地球自转方向F1F2AB图2 对类似现象的探索引潮力对大气的作用可以形成大气潮汐，它对地壳也有作用，使之发生微小形变从而形成固体潮。潮汐对地球的自转起着制动的作用，图7具体地描绘了这种制动作用是怎样产生的。这里不妨只考虑月球引潮力的作用。大量地球物理的观测说明，地球对力的响应并不是纯弹性的，而是滞弹性的，即应变稍有延迟。这样一来，月球对两端隆起局部的吸引力就形成一对大小不等的力，近的一头比远的一头稍大，且由于大的力F与AB垂线的夹角比小的力F与AB垂线的夹角小，所以合起来就形成一个阻止地球自转的力矩。潮汐的这种制动作用一点点地减缓着地球的自转。3亿多年前地球的一年有400天左右，而现在只有365 天，可见慢了不少。长久以来人们就知道这样一个事实：月球总是以它的一面对着地球。换言之，月球自转和公转的周期相等，这是在漫长的岁月里地球对月球的引潮力在月球上形成固体潮的作用造成的。不要以为引潮力是引力场的高阶效应，作用不会太强烈。天文上有许多伴星围绕主星运行，假设伴星的轨道小到*一临界半径之，它就会被主星的引潮力撕成碎片。下面我们来计算这一临界半径。r图8r主星伴星oooooRo设主星的质量为，半径为，密度为；伴星的半径为，密度为，自转角速度为，两星之间的距离为。如图8，取*轴沿两星的中心联线，原点在伴星的中心。撕裂伴星的力有二：主星给它的引潮力和它自转引起的惯性离心力;团结伴星的力有二：伴星自身的引力和化学结合力。比起自身引力化学结合力往往可以忽略。下面我们只考虑三个力：引潮力、惯心离心力、伴星自身引力13。撕裂总是首先沿方向进展的，对于伴星的一个质元，三个力沿*的分量为 引潮力 2-1惯性离心力 2-2伴星自身引力 2-3伴星被撕裂的条件是三力之和大于 2-4等号对应着临界状态。如果伴星做同步自转，则自转角速度等于公转角速度。按开普勒定律，有 则上式化为 或都用密度表示，有 因此解出临界条件为 2-5通过计算可以得出临界半径为： (其中为主星平均密度；为伴星平均密度)对于地-月系统，从而月球被地球引潮力撕碎的临界距离为。可见，一旦月球向地球撞来，在它未与地面接触之前，已被引潮力撕得粉碎。月球撞击地球！几乎是不可能的设想的。不过太阳系中从火星到木星之间有几十万个小行星，其中轨道与地球轨道相交的估计也有1300多个，用上述理论来分析小行星撞击地球的后果，倒是有意义的。此外，彗星撞击地球的可能性更明显。 早在导出2-5式之前，洛希就推出了流体星的撕裂条件2-6这就是洛希极限。土星环平均半径r与土星半径R之比为2.31，就土星来说，假设土星环中的颗粒物质与土星本身的密度相等，则这距离已在临界距离之，环中物质应解体不能形成一个整的椭球形卫星，所以它就一直以尘粒状伴随在土星周围形成土星光环。 人类有史以来能够看到最为壮观的彗星、行星相撞事件，是1994年7月梅克-列维9号彗星撞击木星，根据据理论推算，列维9号彗星1992 年7月进入临界距离后被撕碎。哈勃空间望远镜确也观测到A、B、C、D、U、V、W等20余个碎片，之后P、Q又各分为两块，后来P的一块碎片又分裂为两片14。3 总 结综上所述，在牛顿力学中，引潮力是在非惯性参考系中引力与惯性力叠加的必然结果，从更为本质的意义上来说，按广义相对论的观点，引潮力则是时空弯曲的反映15。以上分析是在地球外表全部被海水所覆盖的情况下进展的，实际上，由于地月的相对运动，再加岸线形状、海陆分布、海洋深度等各种因素的影响，潮汐也随之呈现出丰富多姿的自然景观。潮汐现象是一种自然现象，海洋潮汐的分析、计算及预报对沿海农田水利、港湾业、捕捞、盐业等建立及潮汐能利用都有很重要的作用。随着其它能源的减少，开发潮汐能已经引起了人们的重视，巨大的潮汐能如太阳能一样，正等待人们去开发。我国海岸线很长，入海河道众多，蕴藏着巨大的潮汐能源。研究潮汐现象同时对我们观察和研究天体间相互接近时的运动规律也是大有帮助的。参考文献：1 王成兴中国古代潮汐的认识J师学院学报(自然科学版)，1999，23 (5)：43-472 宗镛潮汐学M：科学，19803 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