Проявление приливных сил в небесных телах, имеющих жидкую оболочку

Жидкости, покрывающие поверхность ряда планет, в том числе и вода, обладающие вязкостью, сопротивляются деформациям, что убедительно доказал Джоуль^[5] своим опытом по определению механического эквивалента тепловой энергии. Но практически в жидкой оболочке Земли, как и вообще в любой жидкости, деформации сдвига не приводят к проявлению сколько-нибудь заметного глобального эффекта, что подтверждается тем, что в жидкостях не могут существовать поперечные волны, а распространяющиеся в них звуковые волны носят продольный характер.

В мировом океане влияние вязкости маскируется энергетически более важными процессами, вызванными перемешиванием водных масс, в том числе и мощными океаническими течениями. Более того, чем сильнее вследствие увеличения вязкости будут выражены приливные силы в массе жидкости, обволакивающей небесное тело, входящее в пару обращающихся вокруг общего центра вращения тел, тем слабее будет выражен приливно-отливный эффект.

Из сказанного выше следует, что баланс сил собственного и внешнего тяготений достигается для жидкого планетного тела только в том случае, если оно оказывается деформированным, то есть вытянутым в направлении к центру тяготения. Таким образом, жидкая оболочка Земли приобретает форму эллипсоида, большая ось которого направлена к Луне, хотя на его форму и ориентацию влияет и положение Солнца. Отсутствие сильно выраженного у воды сопротивления сдвигу и пренебрежимо малое влияние её вязкости позволяет (в рамках статической теории приливов) сохранять его ориентацию на Луну и не быть вовлечённым в суточное вращение Земли.

Следует особенно подчеркнуть, что утверждение о том, что приливные эффекты вызваны «притяжением Луны (Солнца)», нашедшее своё отражение даже в серьёзных работах^[6][7], вызывает вопрос о том, что же помешало Луне (Солнцу), уже проявившим своё притяжение созданием приливной волны, окончательно стянуть на себя всю водную массу?

Ответ на этот вопрос состоит в том, что Земля и Луна образуют двойную планетную систему, существующую благодаря взаимному притяжению и вращающуюся вокруг общего центра вращения, (удалённого от центра Земли примерно на 2/3 её радиуса) с одинаковой угловой скоростью для каждого небесного тела. Скорость вращения Луны вокруг этого центра составляет приблизительно один оборот за 27 дней. Та же угловая скорость вращения Земли складывается со скоростью её вращения вокруг собственной оси, что в результате даёт один оборот в сутки.

Роль тяготения Луны в образовании приливных явлений исчерпывается тем, что Земля со всем, что на ней находится, совершает, помимо своего годового и суточного вращения, ещё и вращение вокруг общего центра гравитационного взаимодействия системы Земля — Луна (как говорят в технике, Земля «бьёт», как плохо сбалансированное и сцентрированное колесо).

После того, как параметры взаимного движения членов этой планетной системы и сила взаимного притяжения становятся известными, никакого дополнительного учёта «силы притяжения Луны (Земли)» не требуется. Но необходим учёт сил, обеспечивающих сохранение формы этих небесных тел, находящихся в состоянии вращения вокруг общего центра. Такими силами являются силы сцепления и силы собственного тяготения, никак от сил взаимного тяготения не зависящие.

Точно то же рассуждение применимо и к объяснению приливных эффектов, вызванных «притяжением Солнца».

Как в случае Луны, так и Солнца, в соответствии со сказанным выше, капля Мирового океана деформируется, приобретая форму эллипсоида, отступление которого от сферы и представляет собой приливно-отливную волну, бегущую в направлении, противоположном вращению Земного шара.

Существенно, что при этом частицы воды совершают в первом приближении лишь колебательные движения в вертикальной плоскости и не смещаются в направлении движения волны.

Выше изложенные соображения основаны на статической теории приливов, как периодического явления, вытекающей из предположений об океане, покрывающем сплошь поверхность Земли. В реальности это не так, и для расчёта приливов Лаплас разработал свою, более детальную и потому сложную динамическую теорию приливов, в которой хотя и исходил из предположения, что вся Земля погружена в каплю Мирового океана, но учёл, что приливные силы в ней изменяются по периодическому закону, являющемуся суммой гармонических составляющих с разной фазой.

Не следует понимать взаимодействие Мирового океана с земной поверхностью упрощённо, то есть как вращение Земного шара внутри ориентированной постоянно на внешний объект тяготения капли Мирового океана. На самом деле вся масса воды вращается вместе с Землёй, которая отнюдь не «проворачивается» внутри этой капли. И каждая частица воды в пренебрежении течениями остаётся на одном и том же месте. Относительно Земли движется именно волна и современная теория приливов основана именно на теории колебаний. Динамическая теория рассматривает Мировой океан как колебательную систему с периодом собственных колебаний около 30 часов, на которую действует возмущающая сила с периодом, равным половине суток. Этим, в частности, объясняется тот факт, что максимум прилива ещё не наступает при высоком стоянии Луны^[8].

Дальнейшим развитием теории приливов стала «каналовая теория приливов», созданная Эйри с учётом влияния берегов и глубины вод.

Возникающее при относительном движении морского дна трение и удар берегов мирового океана о выступ водяной массы являются дополнительной причиной замедления скорости вращения Земли. Таким образом, приливные силы, тормозя вращение Земли, скорее препятствуют возникновению приливно-отливного эффекта, увеличивая время между его наступлениями.

Через миллиарды лет, если Земля, в силу внутреннего трения, будет повёрнута к Луне только одной стороной, приливы, как периодическое явление, не прекратятся, если сохранится вращение системы Земля — Луна вокруг общего центра вращения (но замедление этого вращения неизбежно вызовет удаление Луны от Земли). В этом случае приливно-отливные явления будут происходить лишь по причине вращения этой двойной системы в поле притяжения Солнца и Земли, хотя выраженность их заметно ослабнет. А периодичность будет определяться временем оборота системы вокруг общего центра вращения.

См. также

· Предел Роша

· Приливное ускорение Луны

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Хайкин С. Э. Силы инерции и невесомость. М.:Изд-во «Наука» Главная редакция физико-математической литературы.1967 г.

2. ↑ <Jeffreys, H. The relation of cohesion to Roche's limit. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol.107, p. 260-272 (1947)[1]>

3. ↑ <Ludolf Schulz Planetologie. Birkhäuser Verlag. Basel.Boston.Berlin.1993. ISBN 3-7643-2294-2>

4. ↑ Lenta.ru: Наука и техника: Наука: Приливы на экзопланетах оказались полезными для жизни

5. ↑ Фриш С. А. и Тморева А. В. Курс общей физики, Учебник для физико-математических и физико-технических факультетов государственных университетов. — Том I. — М.: ГИТТЛ, 1957.

6. ↑ Щулейкин В. В. Физика моря. — М.: Изд-во «Наука», Отделение наук о Земле АН СССР, 1967.

7. ↑ Войт С. С. Что такое приливы. Редколлегия научно-популярной литературы АН СССР.

8. ↑ Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.:-Изд-во «Наука». 1972.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: