Объяснение приливов с точки зрения физики

Ситуация. Любой, кто жил рядом с океаном, знаком с регулярными изменениями приливов. Примерно два раза в день вода приходит и уходит. Фактический цикл, включающий два прилива и два отлива, длится около 25 часов. Иногда прилив бывает выше, а отлив ниже, чем в другие дни — это происходит во время полнолуния или новолуния.

Время приливов и отливов меняется изо дня в день из-за их 25-часового цикла, но общая картина повторяется ежемесячно. Как объяснить это явление?

Анализ. Ежемесячный цикл и связь самых высоких приливов с фазами луны указывают на влияние Луны. Как Луна, так и Солнце оказывают гравитационное воздействие на Землю. Солнце оказывает более сильное воздействие из-за своей огромной массы, но Луна находится гораздо ближе, и изменения ее расстояния от Земли могут быть значительными. Гравитационная сила зависит от 1/r², где r — расстояние, поэтому ее величина изменяется по мере изменения расстояния, как показано на рисунке ниже.

Поскольку сила тяготения на единицу массы, оказываемая Луной на различные части Земли (и воду в океанах), зависит от расстояния, она ослабевает по мере того, как мы движемся от стороны, ближайшей к Луне, к дальней стороне

Поскольку вода является жидкостью (за исключением случаев, когда она замерзает), вода, составляющая океаны, перемещается над более жесткой земной корой. Основной силой, действующей на воду, является гравитационное притяжение Земли, которое удерживает воду на поверхности. Однако гравитационная сила, которую Луна оказывает на воду, также значительна, и ее величина на единицу массы наибольшая на стороне Земли, ближайшей к Луне, и наименьшая на противоположной стороне из-за разницы в расстоянии.

Эта разница в силе притяжения Луны создает выпуклости на поверхности воды с обеих сторон Земли. Выпуклость на стороне, ближайшей к Луне, возникает из-за того, что вода притягивается к Луне с большей силой на единицу массы, чем остальная часть Земли. Это вызывает прилив. Вода поднимается ближе к верхней части причала.

На противоположной стороне Земли сама Земля притягивается Луной с большей силой на единицу массы, чем вода. Поскольку Земля слегка оттягивается от воды, это также вызывает прилив. Силы, создаваемые Луной, малы по сравнению с силой, с которой вода и Земля взаимодействуют друг с другом, но все же достаточны для создания приливов.

Когда Солнце и Луна выстраиваются в одну линию с Землей во время новолуния или полнолуния, Солнце также вносит вклад в разницу сил и создает выпуклости с обеих сторон Земли, усиливая те, что создаются Луной. Самые высокие приливы происходят во время полнолуния или новолуния из-за этого сочетания воздействий Луны и Солнца.

Почему цикл длится 25 часов, а не 24 часа? Выпуклости приливов возникают с обеих сторон Земли вдоль линии, соединяющей Луну и Землю. Земля вращается под этими выпуклостями с периодом 24 часа, но за это время Луна также перемещается, так как она вращается вокруг Земли с периодом 27,3 дня. Таким образом, за один день Луна проходит примерно 1/₂₇ своей орбиты, что приводит к тому, что время, через которое Луна снова оказывается на одной линии с определенной точкой на Земле, немного превышает 24 часа. Это дополнительное время составляет примерно 1/₂₇ от 24 часов, или чуть меньше часа.

Эта модель была предложена Ньютоном и аккуратно объясняет основные особенности приливов. Изменение гравитационной силы в зависимости от расстояния является ключом к объяснению.