Daugiau

11.3: Žemės ir mėnulio elipsinių orbitų poveikis potvyniams - geomokslai


Tai užima Žemę 365,242 dienos kad Žemė skrietų aplink Saulę. Mėnulis įveikia vieną orbitą aplink Žemę 27,3 dienos (vadinamas šalutinis mėnuo). Tačiau dėl Žemės judėjimo aplink Saulę ji nebaigė viso ciklo, kol nepasiekė savo orbitos taško, kuriame Saulė yra toje pačioje padėtyje (29,53 dienos) - tai laikas nuo viena pilnatis į kitą.

Tačiau tiek Žemės, tiek Mėnulio orbitos yra nežymios elipsės formos (ne apskritimas). Tai turi įtakos potvynių ciklų intensyvumui (11.6 pav.).

  • Perigėjus yra tada, kai Mėnulis yra arčiausiai Žemės.
  • Apogee tolimiausias nuo Žemės mėnulis.
  • Perihelionas yra tada, kai Žemė yra arčiausiai Saulės (sausio pradžioje).
  • Aphelionas Žemė yra labiausiai nutolusi nuo Saulės (liepos pradžioje).

Kadangi Mėnulis daro didesnę įtaką atoslūgiams, didžiausi potvyniai įvyksta perigeje, kai būna pilnatis ar jaunatis. Tai vyksta porą kartų per metus ir yra vadinama karaliaus potvyniai. Karaliaus potvyniai įvyksta, kai Žemė, Mėnulis ir Saulė yra sulygiuoti perigeje ir perihelyje, todėl per metus matomi didžiausi potvynių diapazonai.


11.3: Žemės ir mėnulio elipsinių orbitų poveikis potvyniams - geomokslai

Vėjas yra pagrindinė jėga, sukelianti vandenyno paviršiaus bangas, tačiau ji nesukelia potvynių. Potvyniai ir atoslūgiai yra kasdieniai vandenyno lygio pokyčiai bet kurioje vietoje. Pagrindiniai atoslūgius sukeliantys veiksniai yra Mėnulio ir Saulės traukos jėga (14.10 pav.).

14.10 pav: Potvynis (kairėje) ir atoslūgis (dešinėje) Fundy įlankoje, Meino įlankoje Šiaurės Amerikoje. Fundy įlankoje yra vienas didžiausių potvynių diapazonų Žemėje.

14.11 pav: Atoslūgis atsiranda dėl mėnulio traukos, kuri traukia vandenį link jo. Priešingoje Žemės pusėje esantį vandenį mažiausiai traukia mėnulis, todėl vanduo išsipūtęs nuo mėnulio. Potvynis įvyksta ten, kur vanduo išsipūtęs. Atoslūgis įvyksta ten, kur jo nėra.

Kaip Mėnulis veikia vandenynus? Kadangi Mėnulis yra gana didelis kosmoso objektas, esantis labai arti Žemės, jo gravitacija iš tikrųjų traukia Žemės vandenį į jį. Visur, kur yra mėnulis, skriejantis aplink Žemę, kyla potvynis ir bangos, susidedančios su Mėnuliu. Toliausiai nuo Mėnulio esanti Žemės pusė taip pat turi atoslūgį ‘bulble ’. Taip yra todėl, kad Žemė yra arčiau mėnulio nei vanduo tolimoje jo pusėje. Mėnulio gravitacija traukia planetą daugiau nei vanduo priešingoje pusėje. Šie du vandens išsipūtimai priešingose ​​Žemės pusėse, suderinti su Mėnuliu, yra potvyniai. Kadangi dviejų atoslūgių srityse vandenyno vanduo traukiamas aukščiau, tarp dviejų potvynių yra mažiau vandens. Šios sritys yra atoslūgiai (14.11 pav.).

The potvynių diapazonas yra skirtumas tarp vandenyno lygio atoslūgio metu ir nuo vandenyno atoslūgio metu (14.12 pav.). Kai kuriose vietose potvynių diapazonas yra didesnis nei kitose. Potvyniai įvyksta maždaug du kartus per dieną, maždaug kas 12 valandų ir 24 minutes.

14.13 pav: Pavasario potvyniai įvyksta, kai Žemė, Saulė ir Mėnulis yra suderinti, o tai padidina vandenynų trauką. Kartais Saulė ir Mėnulis yra priešingose ​​Žemės pusėse, o kitu metu - toje pačioje pusėje. Atoslūgiai įvyksta, kai Žemė, Saulė ir Mėnulis sudaro stačią kampą, pirmą ir paskutinį Mėnulio ketvirtį.

Mėnulio gravitacija daugiausia lemia mūsų potvynius, tačiau Saulė taip pat vaidina svarbų vaidmenį (14.13 pav.). Saulė yra daug didesnė už mūsų mėnulį. Jo masė yra maždaug 27 500 000 kartų didesnė nei Mėnulio. Labai didelis objektas, kaip Saulė, sukeltų didžiulius potvynius, jei būtų taip arti Žemės kaip Mėnulis. Tačiau jis yra taip toli nuo Žemės, kad jo poveikis atoslūgiams yra tik perpus stipresnis nei Mėnulio ’. Kai Saulė ir Mėnulis yra sulygiuoti, kiekvieno efektas susumuojamas, sukuriant didesnį nei įprasta potvynį pavasario potvyniai.

Pavasario potvyniai yra potvyniai, kurių atoslūgių diapazonas yra didžiausias. Nepaisant pavadinimo, pavasario potvyniai vyksta ne tik pavasarį, bet ir ištisus metus, kai Mėnulis yra jaunaties ar pilnaties fazėje, arba maždaug kas 14 dienų.

Nelaimės potvyniai ir atoslūgiai, turintys mažiausią potvynių diapazoną ir įvyksta, kai Žemė, Mėnulis ir Saulė sudaro 90 ° kampą. Jie atsiranda lygiai pusiaukelėje tarp pavasario potvynių, kai Mėnulis yra pirmojo ar paskutinio ketvirčio metu. Taip atsitinka todėl, kad Mėnulio atoslūgis įvyksta toje pačioje vietoje kaip ir Saulės atoslūgis, o Mėnulio atoslūgį prideda Saulės atoslūgis.

Medžiaga, kuri seka potvynių metu, buvo iškirpta iš vandenyno judėjimo skyriaus, esančio pakrančių procesuose

Atoslūgiai yra kasdieninis jūros lygio kilimas ir kritimas bet kurioje vietoje. Mėnulio traukos jėga Žemėje yra pagrindinė atoslūgių priežastis, o Saulės traukos jėga Žemėje yra antra priežastis (Pav žemiau). Mėnulis turi didesnį poveikį, nes, nors yra daug mažesnis už Saulę, jis yra daug arčiau. Mėnulio trauka yra maždaug dvigubai didesnė nei Saulės.

Potvynis (kairėje) ir atoslūgis (dešinėje) Fundy įlankoje Meino įlankoje. Fundy įlanka turi didžiausius potvynių diapazonus Žemėje - 38,4 pėdos.

Dienos potvynių modeliai

Norint suprasti potvynius, lengviausia pradėti nuo Mėnulio poveikio Žemei. Kai Mėnulis sukasi aplink mūsų planetą, jo gravitacija traukia Žemę link jos. Litosfera negali daug judėti, tačiau vandenį traukia gravitacija ir susidaro išsipūtimas. Šis išsipūtimas yra potvynis po Mėnuliu. Tada Mėnulio gravitacija traukia Žemę link savęs, palikdama vandenį priešingoje planetos pusėje. Tai sukuria antrą potvynio iškilimą priešingoje Žemės pusėje nuo Mėnulio. Šie du vandens išsipūtimai priešingose ​​Žemės pusėse, suderinti su Mėnuliu, yrapotvyniai.

Kadangi tiek daug vandens patenka į du potvynius, atoslūgiai susidaro tarp dviejų atoslūgių (Pav žemiau). Žemei besisukant po Mėnuliu, vienoje vietoje kasdien bus du potvyniai ir du atoslūgiai.

Gravitacinis Mėnulio potraukis vandenyno vandeniui sukuria potvynius ir atoslūgius.

Išsami Mėnulio potvynių animacija rodoma čia: http://www.pbs.org/wgbh/nova/venice/tides.html.

The potvynių diapazonas yra skirtumas tarp vandenyno lygio atoslūgio metu ir nuo vandenyno atoslūgio metu (Pav žemiau). Potvynių ir atoslūgių diapazonas tam tikroje vietoje priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant jūros dugno nuolydį. Atrodo, kad vanduo švelniu nuolydžiu juda didesnį atstumą nei stačiu šlaitu.

Potvynių ir atoslūgių diapazonas yra skirtumas tarp vandenyno lygio atoslūgio ir atoslūgio metu.

Mėnesio potvynių modeliai

Jei pažvelgsite į potvynių ir atoslūgių diagramą Pav aukščiau, pamatysite, kad potvyniai yra bangos. Taigi, kai tikitės, kad atoslūgiai atrodys, kai Saulė ir Mėnulis susilygins?

Bangos yra adityvios, todėl kai abiejų kūnų traukos jėga yra ta pačia kryptimi, padidėja potvyniai ir atoslūgiai (Pav žemiau). Aukščiausias lygis yra žemesnis ir žemesnis nei kitu mėnesio laiku. Šie ekstremalūs potvyniai, turintys didesnį potvynių diapazoną, vadinami pavasario potvyniai. Pavasario potvyniai įvyksta ne tik pavasarį, bet ir kiekvieną kartą, kai Mėnulis yra jaunaties ar pilnaties fazėje, maždaug kas 14 dienų.

Pavasario potvyniai atsiranda, kai Mėnulio ir Saulės potvyniai yra išlyginti. Šiame paveikslėlyje Mėnulis yra pilnas apatiniame vaizde Mėnulis pasirodytų kaip jaunas Mėnulis.

Nelaimės potvyniai ir atoslūgiai, kurių atoslūgių diapazonas yra mažiausias, ir jie atsiranda, kai Žemė, Mėnulis ir Saulė sudaro 90 o kampą (Pav žemiau). Jie atsiranda lygiai pusiaukelėje tarp pavasario potvynių, kai Mėnulis yra pirmojo ar paskutinio ketvirčio metu. Kaip susidaro atoslūgiai, kad susidarytų neapibrėžti potvyniai? Mėnulio atoslūgis įvyksta toje pačioje vietoje kaip ir Saulės atoslūgis, o Mėnulio atoslūgis - toje pačioje vietoje kaip ir Saulės atoslūgis. Atoslūgių metu potvynių diapazonas yra palyginti mažas.

Atoslūgiai įvyksta, kai Žemė, Saulė ir Mėnulis sudaro stačią kampą, kai Mėnulis yra pirmame ar trečiame ketvirtyje.

Potvyniai įvyksta maždaug du kartus per dieną, maždaug kas 12 valandų ir 25 minutes. Priežastis ta, kad Mėnulis vieną kartą apsisuka aplink Žemę 24 valandas ir 50 minučių, taigi Mėnulis yra toje pačioje vietoje po 24 valandų ir 50 minučių. Kadangi potvyniai įvyksta du kartus per dieną, vienas atvyksta kas 12 valandų ir 25 minučių. Koks yra laikas tarp atoslūgio ir kito atoslūgio?

Ši animacija rodo Mėnulio ir Saulės poveikį potvyniams: http://www.onr.navy.mil/focus/ocean/motion/tides1.htm.

Kai kurios pakrančių zonos visiškai nesilaiko šio modelio. Šiose pakrančių zonose gali būti vienas atoslūgis ir vienas atoslūgis per dieną arba skirtingas laikas tarp dviejų atoslūgių. Šiuos skirtumus dažnai lemia vietinės sąlygos, pavyzdžiui, pakrantės, į kurią atplaukia banga, forma.


Apie autorių

Peržiūrėkite vaizdo įrašų lentelę ir peržiūrėkite mūsų vaizdo įrašų biblioteką, suderintą su sąvokinio fizinio mokslo vadovėliu.

Į Studentą: Norėdami užsiregistruoti, jums reikės instruktoriaus kurso ID. Prisijungę būsite nukreipti į savo profilio puslapį. Iš ten galite peržiūrėti savo pažymių knygelę ir įvesti individualų kursą, kuriame mūsų vaizdo įrašų biblioteka, skatinimo pagrindu sukurta namų darbų sistema ir daug daugiau yra suskirstyta į jūsų tvarkaraščio kalendorines datas. Jei turite klausimų, rašykite adresu [email protected]

Instruktoriui: Dėkojame, kad lankotės mūsų instruktorių palaikymo svetainėje: ConceptualScience.com, kur rasite daug mokymo išteklių. Sveiki atvykę į CA bendruomenę! Tikimės išgirsti ir tiesiogiai su jumis dirbti.

Visiems: Jei norite atrinkti naujausią vaizdo įrašo kūrinį, dėkojame, kad apsilankėte mūsų „Conceptual Academy“ „YouTube“ kanale.


13.6 Potvynių ir atoslūgių pajėgos

Žemės vandenynų potvynių kilmė buvo nuolat tiriama daugiau nei 2000 metų. Tačiau Niutono darbas laikomas tikrojo reiškinio supratimo pradžia. Vandenyno potvyniai yra gravitacinių potvynių jėgų rezultatas. Tos pačios potvynio jėgos yra bet kuriame astronominiame kūne. Jie yra atsakingi už vidinę šilumą, kuri sukuria vulkaninį aktyvumą Io, viename iš Jupiterio mėnulių, ir žvaigždžių, kurios priartėja prie juodųjų skylių, išsiskyrimą.

Mėnulio potvyniai

Jei gyvenate vandenyno pakrantėje beveik bet kurioje pasaulio vietoje, galite stebėti jūros lygio kilimą ir kritimą maždaug du kartus per dieną. Taip yra dėl Žemės sukimosi aplink savo ašį ir Mėnulio bei Saulės traukos.

Pirmiausia pagalvokime apie Mėnulio poveikį. (Paveikslėlyje) mes žiūrime „žemyn“ į Žemės Šiaurės ašigalį. Viena Žemės pusė yra arčiau Mėnulio nei kita, atstumu, lygiu Žemės skersmeniui. Taigi gravitacinė jėga yra didesnė artimoje pusėje nei tolimoje pusėje. Dydis Žemės centre yra tarp šių verčių. Štai kodėl abiejose Žemės pusėse atsiranda potvynio iškilimas.

13.22 pav Potvynio jėga ištempia Žemę išilgai linijos tarp Žemės ir Mėnulio. Skirtumas tarp gravitacinės jėgos iš tolimosios pusės į artimiausią pusę sukuria potvynio iškilimą abiejose planetos pusėse. Vandenynų potvynių pokyčiai yra kelių metrų, todėl ši diagrama yra labai perdėta.

Dėl grynosios jėgos Žemėje ji skrieja aplink Žemės-Mėnulio masės centrą, esantį maždaug 1600 km žemiau Žemės paviršiaus išilgai linijos tarp Žemės ir Mėnulio. The potvynio jėga galima vertinti kaip skirtumas tarp jėgos Žemės centre ir bet kurioje kitoje vietoje. (Paveikslėlyje) šis skirtumas parodytas jūros lygyje, kur stebime vandenyno potvynius. (Atkreipkite dėmesį, kad jūros potvynio pokytis, kurį sukelia šios potvynio jėgos, yra matuojamas nuo bazinio jūros lygio. Anksčiau matėme, kad Žemė dėl savo sukimosi išsikiša daug kilometrų ties pusiauju. Tai apibrėžia bazinį jūros lygį ir čia mes atsižvelgiame tik į daugumą mažesnis potvynio iškilimas, matuojamas nuo to bazinio jūros lygio.)

13.23 pav Potvynio jėga yra skirtumas tarp gravitacinės jėgos centre ir kitur. Šiame paveiksle potvynio jėgos parodytos vandenyno paviršiuje. Artėjant prie Žemės centro šių jėgų sumažėtų iki nulio.

Kodėl potvyniai kyla ir krinta du kartus per dieną? Pažvelkite dar kartą (pav.). Jei Žemė nesisuktų ir Mėnulis būtų fiksuotas, tada išsipūtimai liktų toje pačioje Žemės vietoje. Palyginti su Mėnuliu, išsipūtimai lieka fiksuoti - išilgai linijos, jungiančios Žemę ir Mėnulį. Tačiau Žemė sukasi (mėlynos rodyklės nurodyta kryptimi) maždaug kas 24 valandas. Per 6 valandas artimos ir tolimos Žemės vietos persikelia į ten, kur įvyksta atoslūgis, o po 6 valandų šios vietos grįžta į atoslūgio padėtį. Kadangi Mėnulis taip pat skrieja aplink Žemę maždaug kas 28 dienas ir ta pačia kryptimi, kuria sukasi Žemė, laikas tarp potvynių ir atoslūgių iš tikrųjų yra apie 12,5 valandos. Faktinį potvynių laiką apsunkina daugybė veiksnių, iš kurių svarbiausias yra kitas astronominis kūnas - Saulė.

Saulės poveikis potvyniams

Be Mėnulio potvynių jėgų Žemės vandenynuose, Saulė taip pat daro potvynio jėgą. Saulės traukos jėga bet kuriame Žemės objekte yra beveik 200 kartų didesnė nei Mėnulio. Tačiau, kaip vėliau parodysime pavyzdyje, potvynis ir potvynis Saulės poveikis yra mažesnis nei Mėnulio, bet vis dėlto reikšmingas. Priklausomai nuo Mėnulio ir Saulės padėties Žemės atžvilgiu, grynasis potvynio efektas gali būti sustiprintas arba susilpnintas.

(Pav.) Iliustruoja santykines Saulės ir Mėnulio pozicijas, kurios sukuria didžiausius potvynius, vadinamus pavasario potvyniai (arba šuolių potvyniai). Pavasario potvynių metu Žemė, Mėnulis ir Saulė yra sulygiuoti, o potvynių ir potvynių poveikis padidėja. (Prisiminkite, kad potvynio jėgos sukelia išsipūtimus iš abiejų pusių.) (Paveikslas) (c) rodo santykines mažiausių potvynių, vadinamųjų neapo potvyniai. Įtakos turi ir kraujas, ir atoslūgis. Pavasario potvyniai įvyksta per jaunatį ar pilnatį, o neužliejami-pusmėnulio metu.

Galite pamatyti vieną ar dvi judančių potvynių animacijas.

13.24 pav (a ir b) Pavasario potvyniai įvyksta, kai Saulė ir Mėnulis yra sulygiuoti, tuo tarpu c) atoslūgiai įvyksta, kai Saulė ir Mėnulis sudaro stačiakampį su Žeme. (Paveikslas nubraižytas ne pagal mastelį.)

Potvynių dydis

Turint tikslius duomenis apie Mėnulio ir Saulės padėtį, galima tiksliai numatyti maksimalių ir minimalių potvynių laiką daugumoje mūsų planetos vietų.

Apsilankykite šioje svetainėje, kad sukurtumėte potvynių prognozes iki 2 metų praeityje ar ateityje, daugiau nei 3000 vietų visoje JAV.

Tačiau potvynių dydis yra daug sudėtingesnis. Santykiniai Žemės ir Mėnulio kampai lemia pavasario ir atoslūgių potvynius, tačiau šių potvynių dydžius veikia ir atstumai nuo Žemės. Potvynio jėgos yra didesnės, kai atstumai yra mažesni. Tiek Mėnulio orbita aplink Žemę, tiek Žemės orbita aplink Saulę yra elipsės formos, todėl pavasario potvynis yra ypač didelis, jei jis įvyksta, kai Mėnulis yra perigėjoje, o Žemė - perihelyje. Ir atvirkščiai, jis yra palyginti mažas, jei jis atsiranda, kai Mėnulis yra apogėjuje, o žemė - afelyje.

Didžiausios potvynių atotrūkio priežastys yra vietinės pakrantės reljefas ir vandenyno dugno batimetrija (gylio profilis). Potvynių diapazonas dėl šių padarinių yra stulbinantis. Nors vandenyno potvyniai daugelyje pasaulio vietų yra daug mažesni nei metras, atoslūgiai prie Fundy įlankos ((pav.)), Rytinėje Kanados pakrantėje, gali siekti net 16,3 metro.

13.25 pav Laivai Fundy įlankoje atoslūgio ir atoslūgio metu. Du kartus per dieną besikeičiantis jūros lygis sukuria tikrą iššūkį saugiam valčių švartavimui. (kreditas: Dylanas Kerelukas)

Pavyzdys

Lyginant potvynių pajėgas

Palyginkite Mėnulio traukos jėgą į 1,0 kg masę, esančią artimoje Žemės pusėje, o kitą-tolimojoje Žemės pusėje. Pakartokite tai Saulei ir palyginkite rezultatus, kad patvirtintumėte, jog Mėnulio potvynio jėgos yra maždaug dvigubai didesnės už Saulės.

Strategija

Mes naudojame Niutono gravitacijos dėsnį, pateiktą (pav.). Mums reikia Mėnulio ir Saulės masių ir jų atstumų nuo Žemės, taip pat Žemės spindulio. Mes naudojame astronominius duomenis iš astronominių duomenų.

Sprendimas

Mes pakeisime Mėnulio masę ir vidutinį atstumą nuo Žemės iki Mėnulio

Vardiklyje mes naudojame minuso ženklą artimai pusei ir pliuso ženklą tolimai pusei. Rezultatai yra

Artimiausioje Žemės pusėje Mėnulio gravitacinė jėga yra beveik 7% didesnė nei tolimojoje pusėje, tačiau abi jėgos yra daug mažesnės nei pačios Žemės jėgos, sveriančios 1,0 kg masę. Nepaisant to, šis nedidelis skirtumas sukuria potvynius. Dabar kartojame problemą, bet pakeičiame Saulės masę ir vidutinį atstumą tarp Žemės ir Saulės. Rezultatai yra

Turime išlaikyti šešis reikšmingus skaitmenis, nes norime palyginti jų skirtumą su Mėnulio skirtumu. (Nors mes negalime pateisinti absoliučios vertės šiuo tikslumu, nes visos skaičiavimo vertės yra vienodos, išskyrus atstumus, skirtumo tikslumas vis dar galioja iki trijų skaitmenų.) Skirtumas tarp artimosios ir tolimosios jėgos 1,0 kg masė dėl Mėnulio yra

kadangi Saulės skirtumas yra

Atkreipkite dėmesį, kad tinkamesnis požiūris yra parašyti dviejų jėgų skirtumą su aiškiai išreikštu artimų ir tolimų atstumų skirtumu. Turėdami šiek tiek algebros, galime tai parodyti

yra vienodi iki trijų reikšmingų skaitmenų, tačiau jų skirtumas

, lygus Žemės skersmeniui, taip pat žinomas trimis reikšmingais skaitmenimis. Skaičiavimo rezultatai yra vienodi. Šis metodas būtų reikalingas, jei reikiamų reikšmingų skaitmenų skaičius viršija skaičiuoklėje ar kompiuteryje esantį skaičių.

Reikšmingumas

Atkreipkite dėmesį, kad Saulės veikiamos jėgos yra beveik 200 kartų didesnės nei Mėnulio jėgos. Bet skirtumas tose Saulės jėgose yra pusė mėnulio. Tai yra potvynio jėgų pobūdis. Mėnulis turi didesnį potvynio efektą, nes dalinis atstumo pokytis nuo artimos pusės iki tolimosios pusės yra daug didesnis Mėnuliui nei Saulės.

Patikrinkite savo supratimą

Žemė Mėnuliui daro potvynio jėgą. Ar jis didesnis nei tas pats ar mažesnis už Mėnulio Žemėje? Atsakydami būkite atsargūs, nes potvynio jėgos kyla iš skirtumas gravitacinėse jėgose tarp vienos ir kitos pusės. Pažvelkite į skaičiavimus, kuriuos atlikome dėl potvynių jėgos Žemėje, ir apsvarstykite reikšmes, kurios reikšmingai pasikeistų Mėnulio atžvilgiu. Mėnulio skersmuo yra ketvirtadalis Žemės. Potvynio jėgas Mėnulyje nėra lengva aptikti, nes paviršiuje nėra skysčio.

[atskleisti-atsakymas q = ”fs-id1168327989599 ″] Rodyti sprendimą [/atskleisti-atsakymas]

Apsvarstykite paskutinę aukščiau pateiktą lygtį. Vertybės

išlieka beveik tas pats, tačiau Mėnulio skersmuo,

, yra ketvirtadalis Žemės. Taigi potvynio jėgos Mėnulyje yra maždaug ketvirtadaliu didesnės nei Žemėje.
[/paslėptas atsakymas]

Kiti potvynių ir potvynių padariniai

Potvynio jėgos egzistuoja tarp bet kurių dviejų kūnų. Poveikis ištempia kūnus išilgai linijos tarp jų centrų. Nors potvynių poveikis Žemės jūroms pastebimas kasdien, ilgalaikių pasekmių neįmanoma pastebėti taip lengvai. Viena iš pasekmių yra sukimosi energijos išsisklaidymas dėl trinties pačių kūnų lenkimo metu. Žemės sukimosi greitis lėtėja, nes potvynio jėgos perkelia sukimosi energiją į šilumą. Kitas efektas, susijęs su šiuo išsklaidymu ir kampinio impulso išsaugojimu, vadinamas „užrakinimu“ arba potvynių sinchronizavimu. Tai jau atsitiko daugumai mūsų Saulės sistemos mėnulių, įskaitant Žemės Mėnulį. Mėnulis nukreipia vieną veidą į Žemę - jo sukimosi greitis užfiksuotas orbitos greičiu aplink Žemę. Tas pats procesas vyksta ir su Žeme, ir galiausiai jis išlaikys vieną veidą link Mėnulio. Jei taip atsitiktų, mes nebematytume potvynių ir atoslūgių, nes potvynio banga liktų toje pačioje Žemės vietoje, o pusė planetos niekada nematytų Mėnulio. Tačiau šis užrakinimas užtruks daug milijardų metų, galbūt ne iki mūsų Saulės pabaigos.

Vienas iš dramatiškesnių potvynių potvynių pavyzdžių yra Io, viename iš Jupiterio mėnulių. 1979 m Keliautojas erdvėlaiviai „Io“ atsiuntė dramatiškus ugnikalnių veiklos vaizdus. Tai vienintelis kitas astronominis mūsų Saulės sistemos kūnas, kuriame radome tokią veiklą. (Paveikslėlyje) parodyta naujesnė „Io“ nuotrauka, padaryta Nauji horizontai erdvėlaivis pakeliui į Plutoną, naudodamas Jupiterio gravitacijos pagalbą.

13.26 pav „Io“ galima pamatyti dramatiškų potvynių potvynių įrodymų. Mėlynos spalvos išsiveržimas atsiranda dėl vidinės šilumos, kurią sukuria potvynio jėgos, kurias Jupiteris daro Io.

Kai kurioms žvaigždėms potvynių potvynių poveikis gali būti katastrofiškas. Potvynio jėgos labai artimose dvejetainėse sistemose gali būti pakankamai stiprios, kad perplėstų materiją iš vienos žvaigždės į kitą, kai potvynio jėgos viršija darnias savitraukos jėgas, kurios laiko žvaigždes kartu. Šį efektą galima pastebėti įprastose žvaigždėse, skriejančiose aplink netoliese esančias kompaktiškas žvaigždes, pavyzdžiui, neutroninėse žvaigždėse ar juodosiose skylėse. (Paveikslėlyje) parodytas menininko šio proceso perteikimas. Kai medžiaga patenka į kompaktišką žvaigždę, ji suformuoja kaupimosi diską, kuris tampa labai įkaitęs ir spinduliuoja rentgeno spindulių spektru.

13.27 pav „Io“ galima pamatyti dramatiškų potvynių potvynių įrodymų. Mėlynos spalvos išsiveržimas atsiranda dėl vidinės šilumos, kurią sukuria potvynio jėgos, kurias Jupiteris daro Io.

Šių dvejetainių sistemų energijos išeiga gali viršyti tipinę tūkstančių žvaigždžių galią. Kitas pavyzdys gali būti kvazaras. Kvazarai yra labai tolimi ir nepaprastai ryškūs objektai, dažnai viršijantys visų galaktikų energijos išeigą. Yra bendras astronomų sutarimas, kad jie iš tikrųjų yra didžiulės juodosios skylės, skleidžiančios spinduliuojančią energiją, nes į jas patenka medžiaga, kuri buvo kruopščiai išplėšta iš netoliese esančių žvaigždžių.

Santrauka

  • Žemės potvynius sukelia Mėnulio ir Saulės gravitacinių jėgų skirtumai skirtingose ​​Žemės pusėse.
  • Pavasaris arba neapytinkis (potvynis) įvyksta, kai Žemė, Mėnulis ir Saulė yra išlygiuoti, o atoslūgis arba (atoslūgis) įvyksta, kai jie sudaro stačiakampį trikampį.
  • Potvynių ir atoslūgių jėgos gali sukelti vidinį įkaitimą, orbitos judėjimo pokyčius ir net orbitoje esančių kūnų sunaikinimą.

Konceptualūs klausimai

Kai objektas patenka į juodąją skylę, potvynio jėgos didėja. Ar šios potvynio jėgos visada suplėšys objektą, kai jis priartės prie Schwarzschildo spindulio? Kaip jūsų atsakymą veikia juodosios skylės masė ir objekto dydis?

Problemos

a) Kuo skiriasi jėgos 1,0 kg masei artimoje Io pusėje ir tolimoje pusėje dėl Jupiterio? Io vidutinis spindulys yra 1821 km, o vidutinis orbitos spindulys apie Jupiterį - 421 700 km. (b) Palyginkite šį skirtumą su skirtumu, apskaičiuotu Žemės skirtumui dėl Mėnulio, apskaičiuoto (pav.). Potvynio jėgos yra Io ugnikalnio veiklos priežastis.

Jei Saulė sugriūtų į juodąją skylę, tyrėjo negrįžimo taškas būtų maždaug 3 km nuo centro singuliarumo. Ar tyrėjas sugebėtų išgyventi apsilankęs net 300 km nuo centro? Atsakykite į tai, sužinoję skirtumą tarp gravitacinės traukos, kurią juodosios skylės daro 1,0 kg masei tyrėjo galvoje ir kojose.

[atskleisti-atsakymas q = ”fs-id1168328330614 ″] Rodyti sprendimą [/atskleisti-atsakymas]

19 800 N tai akivaizdžiai neišgyvena

Apsvarstykite (paveikslą) potvynio pajėgose. Ši diagrama atspindi potvynių potvynių potvynių jėgas. Nubraižykite panašią atoslūgių diagramą. (Patarimas: Kad būtų paprasčiau, įsivaizduokite, kad Saulė ir Mėnulis prisideda vienodai. Jūsų diagrama būtų dviejų jėgos laukų vektorinė suma (kaip parodyta paveikslėlyje), sumažinta du kartus ir uždėta stačiu kampu.)


Perigean ir Apogean Tides

Mėnulio traukos jėga sukelia potvynius.

Didžiausias skirtumas tarp atoslūgio ir atoslūgio yra aplink pilnatį ir jaunatį, žinomą kaip pavasario potvyniai arba karaliaus potvyniai. Šiose Mėnulio fazėse Mėnulio ir Saulės gravitacinės jėgos kartu traukia vandenyno vandenį ta pačia kryptimi.

Perigeano pavasario atoslūgiai yra maždaug 5 cm (2 coliais) didesni nei įprasti pavasariniai potvyniai, o apogėjų pavasario potvyniai yra maždaug 5 cm (2 coliais) mažesni nei įprasti potvyniai.


Kūrybos tyrimų institutas

Kai 1990 metais erdvėlaivis „Voyager 1“ pasiekė mūsų Saulės sistemos kraštą, jis pasuko fotoaparatą ir fotografavo Žemę. Iš tokio milžiniško atstumo žemė atrodo kaip mažas melsvai baltas smėlio grūdelis, pasimetęs juodame vandenyne. Šis garsus Žemės vaizdas pavadintas šviesiai mėlynu tašku. Žvelgiant iš pasaulietinės perspektyvos, visa Žemė yra maža uoliena ir vanduo milžiniškoje ir beprasmėje atsitiktinumų visatoje. Tačiau krikščioniškoje pasaulėžiūroje šis šviesiai mėlynas taškas yra svarbiausia visatos planeta.

Žemės savybės

Žemė skrieja aplink saulę vidutiniškai 93 milijonų mylių atstumu. Kadangi patogu palyginti kitas orbitas su Žemės ir rsquos orbita, šį atstumą vadiname vienu astronominiu vienetu arba AS. Viename AS Žemei reikia vienerių metų orbitai užbaigti. Daugelis vienetų yra apibrėžti pagal Žemės ir rsquos orbitos ar sukimosi charakteristikas. Saulės diena Žemėje ir rsquos yra 24 valandos, ir tai paprastai turime omenyje, kai žodį & ldquoday & rdquo naudojame be jokių kitų kriterijų. Žemė vieną kartą sukasi 23 valandas ir 56 minutes, palyginti su žvaigždėmis ir midaša.

Fiziškai Žemės ir rsquos savybės yra panašios į kitų sausumos planetų: Merkurijaus, Veneros ir Marso. Tai visi tvirti, uolėti pasauliai, skriejantys gana arti saulės. Visi jie turi kalnus, slėnius, plyšius, kanjonus ir kraterius. Žemė yra didžiausia iš šių keturių planetų, kurių skersmuo ir mastai yra du ir pusę karto didesni už Merkurijų, beveik du kartus mažesni už Marsą ir tik penkiais procentais didesnė už Venerą. Taigi, dydžiai nėra labai skirtingi. Tačiau nepaisant šių panašumų, Žemė daugeliu atžvilgių yra unikali.

Žemės unikalumas

Svarbiausia, kad Žemė yra vienintelė planeta, kurioje yra gyvų organizmų. Ir jie yra visur. Praktiškai kiekvienoje šios planetos aplinkoje atrandame klestinčių būtybių. Tai akivaizdžiai kontrastuoja su negyvu, nevaisingu kitų planetų paviršiumi. Atrodo, kad daugelis kitų Žemės ir kitų unikalių savybių yra specialiai sukurtos tokiam gyvenimui palaikyti.

Daugiau nei 70 procentų Žemės yra padengta skystu vandeniu. Nė viena žinoma planeta neturi tokios gausos vandens. Kadangi vanduo yra esminis visos žinomos gyvybės reikalavimas, atrodo, kad vandens buvimas Žemėje yra pagrindinis dizaino bruožas. Žemė skrieja reikiamu atstumu nuo saulės, kad temperatūra būtų skystas. Žemės ir atmosferos slėgis taip pat tinka skystam vandeniui. Visos šios savybės atrodo sukurtos visam gyvenimui.

Žemės ir atmosferos atmosferoje yra apsauginis ozono sluoksnis, kuris iš dalies blokuoja ultravioletinę spinduliuotę. Tokia spinduliuotė gali labai pakenkti gyviems audiniams, todėl tai taip pat yra dizaino ypatybė. Skirtingai nuo Veneros, Žemė turi stiprų magnetinį lauką. Šis laukas nukreipia kenksmingą kosminę spinduliuotę, apsaugodamas Žemės ir rsquos paviršiaus gyventojus. Magnetinio lauko stiprumas lėtai, bet nuolat mažėjo, nes mokslininkai sugebėjo jį išmatuoti beveik prieš du šimtmečius. Šis kritimas atitinka maždaug 6 000 metų Žemės ir rsquos biblinį amžių, tačiau nepaprastai neatitinka pasaulietinės milijardų metų prielaidos. 1

Žemė savo ašies atžvilgiu yra pakreipta 23,4 laipsnio, palyginti su jos orbita aplink saulę. Dėl to Žemė patiria sezonus. Nuo kovo pabaigos iki rugsėjo pabaigos Žemė yra toje orbitos dalyje, kur jos Šiaurės ašigalis yra pakreiptas į saulę. Tie iš mūsų, kurie gyvena šiauriniame pusrutulyje, pastebi, kad saulė danguje atrodo aukščiau nei kitu metu, ir mes patiriame daugiau dienos šviesos valandų. Kadangi šiuo metų laiku gauname daugiau sukauptos saulės energijos, mūsų temperatūra yra šiltesnė nei kitais metų laikais. Nuo rugsėjo pabaigos iki kovo pabaigos Žemė yra toje savo orbitos dalyje, kur Šiaurės ašigalis yra nutolęs nuo saulės. Per šį laiką pietinis pusrutulis gauna daugiau šilumos ir šviesos iš saulės, o šiaurinio pusrutulio gyventojai mato saulę žemiau danguje ir patiria mažiau nei 12 valandų dienos šviesos. Metų laikai yra ne sukelia šiek tiek elipsinė Žemės orbita. Priešingai, Žemė yra šiek tiek arčiau į saulę šiauriniame pusrutulyje žiemą. 2

Atrodo, kad šis pasvirimas yra gerai suplanuotas visam gyvenimui. Jei Žemė būtų pakreipta mažiau, poliariniai regionai gautų mažiau energijos, sumažindami gyvenamą planetos plotą. Jei žemė būtų labiau pakreipta, sezonai taptų ekstremalūs, o tai gali sumažinti augalų auginimo sezonus ir padaryti aplinką mažiau svetingą.

Žemė yra vienintelė planeta, turinti plokščių tektoniką. Nors kitos planetos turi tektoninį aktyvumą, kaip rodo ugnikalniai, jų pluta nėra padalinta į plokštes. Daugelis kūrybos mokslininkų mano, kad Žemė ir rsquos žemynai buvo sujungti dar prieš pasaulinį potvynį ir potvynių metais išsiskyrė. Geofizikas Johnas Baumgardneris ir „rsquos“ & ldquorunaway subduction & rdquo modelis paaiškina pasaulinę Nojaus potvynio ir rsquos dieną, kalbant apie katastrofišką plokščių tektoniką, kuri, matyt, įvyko potvynio metais. 3 Atrodo, kad Dievas sukonstravo Žemę turėdamas pajėgumų sukelti ir patirti pasaulinį potvynį. Nė viena iš kitų planetų šiuo metu neturi skysto vandens. Ir net jei jie tai padarytų, jie neturėtų jokio bėgimo pavaldumo mechanizmo.

Žemėje taip pat yra didelis natūralus palydovas ir mėnulis. Žemė ir rsquos mėnulis yra penktas pagal dydį mėnulis Saulės sistemoje. Jo skersmuo yra daugiau nei ketvirtadalis Žemės dydžio. Jokia kita planeta neturi tokio dydžio mėnulio proporcingai planetos dydžiui. Mėnulis skatina gyvybę Žemėje, skatindamas potvynius. 4 Potvyniai neleidžia vandenynams sustingti ir valo krantus. Mėnulis taip pat suteikia šviesos naktį, o mdashit & ldquorules naktį ir rdquo (Pradžios 1:16), yra daug ryškesnis nei bet kuris kitas įprastas naktinis dangaus objektas. Nė vienos kitos planetos naktiniame danguje nėra tokio šviesaus mėnulio.

Mėnulio paviršius yra nevaisingas, uolėtas ir kraterinis. Mėnulis turi aukštumas, kurios yra labai kraterinės. Jame taip pat yra žemesni, palyginti lygūs regionai, vadinami maria. Šios marijos (lot. & Ldquoseas & rdquo) mėnulio vaizduose rodomos kaip dideli tamsūs regionai. Matyt, tai yra dideli smūgio baseinai, užpildyti magma, ištrinant visus ankstesnius kraterių įrašus. Įdomu tai, kad marijos beveik visiškai yra į Žemę nukreiptoje mėnulio pusėje, kur jie sukuria vizualų & ldquoman mėnulio įspūdį. & Rdquo Mėnulis neturi esminės atmosferos, todėl jo dangus išlieka juodas net ir saulei tekant. Neturint atmosferos šilumos energijai perskirstyti, Mėnulio temperatūra dieną gali viršyti 200 laipsnių ir naktį nukristi iki -280 laipsnių.

Mėnulis sukasi lėtai, vieną kartą sukasi 27,3 dienos. Taip pat tiksliai per kiek laiko Mėnulis skrieja aplink Žemę. Dėl šios priežasties stebėtojai Žemėje gali matyti tik vieną mėnulio pusę. Kai kuriems žmonėms susidaro įspūdis, kad mėnulis nesisuka, nes mes visada matome tą pačią pusę. Bet taip nėra. Jei mėnulis nesisuktų (žvaigždžių atžvilgiu), mes matytume skirtingas jo puses, kai jis skrieja aplink Žemę. Tai, kad mėnulio sukimosi ir apsisukimo laikotarpis yra visiškai tas pats, vadinamas potvynio fiksavimu. 5 Tokia konfigūracija yra labai stabili. If the moon did not rotate at the same rate it revolved, Earth would induce land-tides on the moon, forcing it eventually to become tidally locked. All large and many small moons in our solar system are tidally locked.

The Uniqueness of the Moon

The moon has a number of distinctive characteristics. It is both 400 times smaller and 400 times closer to Earth than the sun is. This means that the moon and sun have about the same apparent size in our sky on average. 6 This makes total solar eclipses possible. Earth is the only known planet that can experience eclipses where its moon so precisely covers the sun. 7 This has made possible the discovery of the solar chromosphere. The chromosphere can only be seen by eye during a total solar eclipse. 8

The moon orbits very close to the ecliptic&mdashthe plane of Earth&rsquos orbit around the sun. 9 All other large moons in the solar system orbit in the plane of their planet&rsquos equator except Triton, which orbits neither in the ecliptic nor the equatorial plane of its planet. This makes solar and lunar eclipses more common on Earth than they would be if the moon orbited around the planet&rsquos equator as other moons do. Yet, because the moon does not orbit exactly in the ecliptic, we do not have eclipses every month.

A Young Moon

As the moon induces tides on Earth, the planet rotates faster than the moon orbits and the tidal bulges get &ldquoahead&rdquo of the moon. They then pull forward on the moon, causing it to gain orbital energy and move away from Earth. The effect is small but measurable&mdashthe moon moves away from the Earth by about 1.5 inches every year. The recession effect would have been larger in the past, because if the moon were closer to the earth, the tides would be larger. If we extrapolate this effect into a hypothetical past, we find that the moon would have been touching Earth 1.4 billion years ago. 10 So, Earth and the moon cannot be older than that. Yet secular scientists claim that Earth and the moon are over four billion years old. The evidence from the recession of the moon is inconsistent with the secular age estimate. Of course, 6,000 years ago, the moon would have been only 730 feet closer to Earth. So, lunar recession is not a problem for the biblical timescale.

Of the planets in our solar system, Earth is uniquely designed for life, and the moon is uniquely designed to aid life on Earth. God chose to spend five of the six days of creation working on Earth, making it just the way He wanted it to be. All the other planets were created in one day&mdashDay Four (Genesis 1:14-19). 11 It is as if God took extra care to create Earth.

Astronomers have now discovered hundreds of planets orbiting other stars, and it is likely that billions more remain undiscovered. Yet, of all the planets in the universe, Earth is where God chose to place the creatures whom He made in His own image. It is our planet where Almighty God, out of His great love for us, took on human nature, died our death, and rose in glory. Not bad for a pale blue dot!


6.5 Newton’s Universal Law of Gravitation

What do aching feet, a falling apple, and the orbit of the Moon have in common? Each is caused by the gravitational force. Our feet are strained by supporting our weight—the force of Earth’s gravity on us. An apple falls from a tree because of the same force acting a few meters above Earth’s surface. And the Moon orbits Earth because gravity is able to supply the necessary centripetal force at a distance of hundreds of millions of meters. In fact, the same force causes planets to orbit the Sun, stars to orbit the center of the galaxy, and galaxies to cluster together. Gravity is another example of underlying simplicity in nature. It is the weakest of the four basic forces found in nature, and in some ways the least understood. It is a force that acts at a distance, without physical contact, and is expressed by a formula that is valid everywhere in the universe, for masses and distances that vary from the tiny to the immense.

Sir Isaac Newton was the first scientist to precisely define the gravitational force, and to show that it could explain both falling bodies and astronomical motions. See Figure 6.20. But Newton was not the first to suspect that the same force caused both our weight and the motion of planets. His forerunner Galileo Galilei had contended that falling bodies and planetary motions had the same cause. Some of Newton’s contemporaries, such as Robert Hooke, Christopher Wren, and Edmund Halley, had also made some progress toward understanding gravitation. But Newton was the first to propose an exact mathematical form and to use that form to show that the motion of heavenly bodies should be conic sections—circles, ellipses, parabolas, and hyperbolas. This theoretical prediction was a major triumph—it had been known for some time that moons, planets, and comets follow such paths, but no one had been able to propose a mechanism that caused them to follow these paths and not others.

The gravitational force is relatively simple. It is always attractive, and it depends only on the masses involved and the distance between them. Stated in modern language, Newton’s universal law of gravitation states that every particle in the universe attracts every other particle with a force along a line joining them. The force is directly proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them.

Misconception Alert

The magnitude of the force on each object (one has larger mass than the other) is the same, consistent with Newton’s third law.

The bodies we are dealing with tend to be large. To simplify the situation we assume that the body acts as if its entire mass is concentrated at one specific point called the center of mass (CM), which will be further explored in Linear Momentum and Collisions. For two bodies having masses m m size 12 <> and M M size 12 <> with a distance r r size 12 <> between their centers of mass, the equation for Newton’s universal law of gravitation is

Substituting known values for Earth’s mass and radius (to three significant figures),

and we obtain a value for the acceleration of a falling body:

This is the expected value and is independent of the body’s mass. Newton’s law of gravitation takes Galileo’s observation that all masses fall with the same acceleration a step further, explaining the observation in terms of a force that causes objects to fall—in fact, in terms of a universally existing force of attraction between masses.

Take-Home Experiment

Take a marble, a ball, and a spoon and drop them from the same height. Do they hit the floor at the same time? If you drop a piece of paper as well, does it behave like the other objects? Explain your observations.

Ryšių užmezgimas

Attempts are still being made to understand the gravitational force. As we shall see in Particle Physics, modern physics is exploring the connections of gravity to other forces, space, and time. General relativity alters our view of gravitation, leading us to think of gravitation as bending space and time.

In the following example, we make a comparison similar to one made by Newton himself. He noted that if the gravitational force caused the Moon to orbit Earth, then the acceleration due to gravity should equal the centripetal acceleration of the Moon in its orbit. Newton found that the two accelerations agreed “pretty nearly.”

Example 6.6

Earth’s Gravitational Force Is the Centripetal Force Making the Moon Move in a Curved Path

(a) Find the acceleration due to Earth’s gravity at the distance of the Moon.

(b) Calculate the centripetal acceleration needed to keep the Moon in its orbit (assuming a circular orbit about a fixed Earth), and compare it with the value of the acceleration due to Earth’s gravity that you have just found.

Strategy for (a)

Solution for (a)

Strategy for (b)

Centripetal acceleration can be calculated using either form of

We choose to use the second form:

Solution for (b)

Given that the period (the time it takes to make one complete rotation) of the Moon’s orbit is 27.3 days, (d) and using

The centripetal acceleration is

The direction of the acceleration is toward the center of the Earth.

Diskusija

The centripetal acceleration of the Moon found in (b) differs by less than 1% from the acceleration due to Earth’s gravity found in (a). This agreement is approximate because the Moon’s orbit is slightly elliptical, and Earth is not stationary (rather the Earth-Moon system rotates about its center of mass, which is located some 1700 km below Earth’s surface). The clear implication is that Earth’s gravitational force causes the Moon to orbit Earth.

Why does Earth not remain stationary as the Moon orbits it? This is because, as expected from Newton’s third law, if Earth exerts a force on the Moon, then the Moon should exert an equal and opposite force on Earth (see Figure 6.23). We do not sense the Moon’s effect on Earth’s motion, because the Moon’s gravity moves our bodies right along with Earth but there are other signs on Earth that clearly show the effect of the Moon’s gravitational force as discussed in Satellites and Kepler's Laws: An Argument for Simplicity.

Atoslūgiai

Ocean tides are one very observable result of the Moon’s gravity acting on Earth. Figure 6.24 is a simplified drawing of the Moon’s position relative to the tides. Because water easily flows on Earth’s surface, a high tide is created on the side of Earth nearest to the Moon, where the Moon’s gravitational pull is strongest. Why is there also a high tide on the opposite side of Earth? The answer is that Earth is pulled toward the Moon more than the water on the far side, because Earth is closer to the Moon. So the water on the side of Earth closest to the Moon is pulled away from Earth, and Earth is pulled away from water on the far side. As Earth rotates, the tidal bulge (an effect of the tidal forces between an orbiting natural satellite and the primary planet that it orbits) keeps its orientation with the Moon. Thus there are two tides per day (the actual tidal period is about 12 hours and 25.2 minutes), because the Moon moves in its orbit each day as well).

The Sun also affects tides, although it has about half the effect of the Moon. However, the largest tides, called spring tides, occur when Earth, the Moon, and the Sun are aligned. The smallest tides, called neap tides, occur when the Sun is at a 90º 90º size 12 <"90" rSup < size 8< circ >> > <> angle to the Earth-Moon alignment.

Tides are not unique to Earth but occur in many astronomical systems. The most extreme tides occur where the gravitational force is the strongest and varies most rapidly, such as near black holes (see Figure 6.26). A few likely candidates for black holes have been observed in our galaxy. These have masses greater than the Sun but have diameters only a few kilometers across. The tidal forces near them are so great that they can actually tear matter from a companion star.

”Weightlessness” and Microgravity

In contrast to the tremendous gravitational force near black holes is the apparent gravitational field experienced by astronauts orbiting Earth. What is the effect of “weightlessness” upon an astronaut who is in orbit for months? Or what about the effect of weightlessness upon plant growth? Weightlessness doesn’t mean that an astronaut is not being acted upon by the gravitational force. There is no “zero gravity” in an astronaut’s orbit. The term just means that the astronaut is in free-fall, accelerating with the acceleration due to gravity. If an elevator cable breaks, the passengers inside will be in free fall and will experience weightlessness. You can experience short periods of weightlessness in some rides in amusement parks.

Microgravity refers to an environment in which the apparent net acceleration of a body is small compared with that produced by Earth at its surface. Many interesting biology and physics topics have been studied over the past three decades in the presence of microgravity. Of immediate concern is the effect on astronauts of extended times in outer space, such as at the International Space Station. Researchers have observed that muscles will atrophy (waste away) in this environment. There is also a corresponding loss of bone mass. Study continues on cardiovascular adaptation to space flight. On Earth, blood pressure is usually higher in the feet than in the head, because the higher column of blood exerts a downward force on it, due to gravity. When standing, 70% of your blood is below the level of the heart, while in a horizontal position, just the opposite occurs. What difference does the absence of this pressure differential have upon the heart?

Some findings in human physiology in space can be clinically important to the management of diseases back on Earth. On a somewhat negative note, spaceflight is known to affect the human immune system, possibly making the crew members more vulnerable to infectious diseases. Experiments flown in space also have shown that some bacteria grow faster in microgravity than they do on Earth. However, on a positive note, studies indicate that microbial antibiotic production can increase by a factor of two in space-grown cultures. One hopes to be able to understand these mechanisms so that similar successes can be achieved on the ground. In another area of physics space research, inorganic crystals and protein crystals have been grown in outer space that have much higher quality than any grown on Earth, so crystallography studies on their structure can yield much better results.

Plants have evolved with the stimulus of gravity and with gravity sensors. Roots grow downward and shoots grow upward. Plants might be able to provide a life support system for long duration space missions by regenerating the atmosphere, purifying water, and producing food. Some studies have indicated that plant growth and development are not affected by gravity, but there is still uncertainty about structural changes in plants grown in a microgravity environment.


Archa from India on October 04, 2012:

Gražus įrašas. Thank you for sharing the knowledge.

Teresa Coppens (author) from Ontario, Canada on July 15, 2012:

Marcus, thank you for your lovely comment. Thanks also for the extra piece of information. I&aposm always interesting in how they determine those incredibly long distance measurements!

Marcus Faber from London, UK on July 15, 2012:

Gravity is such a tricky subject to explain but you did a brilliant job, voted up! Just on Nell&aposs point the moon is indeed moving away from Earth at 3.8 cm per year. They measure the distance by firing lasers at mirrors placed on the moon by the Apollo astronauts in the 1960s and 70&aposs!

Teresa Coppens (author) from Ontario, Canada on July 10, 2012:

Nell, glad you found this interesting. Seems you know a fair bit about the moon yourself. Comments much appreciated. Teresa

Nell Rose from England on July 10, 2012:

This was fascinating, I remember seeing a tv program explaining Moon and gravity, I remember they mentioned that the moon is moving away from us at 2cm a year? not sure about that, and its said that when the moon has moved past a particular spot then the Earth will start to &aposwobble&apos slightly on its axis and day and night will change, with one side of the earth being dark most of the year and the other side light. It seems our moon is the most important thing apart from the Sun that keeps us the way we are today, great hub and a fascinating read, voted up! cheers nell

Teresa Coppens (author) from Ontario, Canada on July 09, 2012:

Interesting musings Window Pain. Gravity, a weak yet powerful force. Definitely weird or what! Thanks for your comments.

Window Pain on July 09, 2012:

Gravity is so perplexing. It is so incredibly weak that I can overcome the entire Earth&aposs gravitation pull on any object I can lift. Compared to the other sub-atomic forces, gravity is by orders-of-magnitude the weakest force.

And yet it&aposs the farthest reaching. The Moon, the Sun are one thing, but consider that stars pull our Sun along through the Milky Way, and the Milky Way is being pulled around by far off galaxies.

And we haven&apost even got a clue what gravity is or how it works. We can only observe its Rules.

And the weirdest part of all is that, according to Einstein, Time is part of Gravity. One cannot exist without the other.

Teresa Coppens (author) from Ontario, Canada on July 07, 2012:

CS I was thinking of all of you near the ocean when I wrote this piece. Glad you enjoyed it!

Sarah Johnson from Charleston, South Carolina on July 07, 2012:


Hidden history of the Moon


Formation of the Moon. © NASA

When a moon forms along with the parent planet, it has the same chemical composition as the parent planet. Earth’s moon seems to have been formed by the collision of a Mars sized body with the Earth about 4.5 billion years ago. The debris of its impact coalesced into the Moon that we now see. The material ejected into orbit was mostly surface material, primarily light elements like aluminum and silica.

Denser materials like iron had settled in Earth’s core by the time the Mars-sized body hit the Earth and while less was lost in the impact. This is why the Moon has little iron and no molten core of its own. If the Moon had formed from the same material as the Earth, it would have more iron. A lot of water also boiled away in the impact. Much of the water vapor would freeze in space and coalesce with the new moon. When the new moon cooled and solidified, ice would boil on exposure to sunlight. The molecular bonds of the water would be broken. Hydrogen is lost to the solar wind while the oxygen remains and combined to create the aluminum oxide abundant on the Moon today. There is still water ice on the Moon today, buried underground.

The disproportionate material loss on the side of the planet where the impact occurred is also a possible explanation for the formation of the super-continent Pangaea later in Earth’s history.


Tides in two easy pieces

Let's start with the equilibrium theory of tides, and let's ignore the Sun for a moment. The moon accounts for about 2/3rd of the Ocean tides anyway, so we'll have almost everything. Also, the concepts we develop for the moon apply equally to the Sun-Earth system.

There are a few simple things to keep straight with tides. The first involves the assumptions we make for the equilibrium theory, when trying to show the simplest way to understand things. In this view, there are two ocean tidal bulges on opposite sides of Earth. One is under the moon and the other is opposite to that. The one under the moon is thought of as 'gravitational.' Newton told us that every point mass in the universe is attracted to every other mass, via gravity, with resulting force proportional to the product of the masses divided by the square of the distance between the masses. He also showed that a spherical body can be represented as a point mass at its center. Tidal forcing is proportional to the ratio of mass over distance cubed.

So, in our simple picture, the tidal bulge under the moon is produced by gravitational attraction between water molecules in the ocean and the moon. Now, what about the other bulge? Well, you have to think about inertia and what happens when masses rotate around a point. One relevant common experience is that of swinging a bucket of water around with your arm. The rotation produces a 'centrifugal force' that holds the water in the bucket, even when it's overhead and gravity is trying to make the water fall out of the bucket. The same thing happens during a lunar month as the Earth-moon system rotates. The moon orbits Earth, but the rotation axis for this orbit is not at Earth's center. Both the moon and Earth move during the roughly 28 day period it takes for the orbit, and because of this, water in the ocean is thrown to the outside, the same as the water in your bucket. The tidal bulge on the opposite side of Earth from the moon is produced by this inertial effect, referred to as centrifugal force.

There are some simplification here that we need to be clear about, but before we do that, let's follow through and see the logical conclusions of our model. We have two ocean tidal bulges. During a 24-hr. period, the moon is roughly stationary with respect to our simple diagram. This means that our tidal bulges are roughly stationary, and if that is true, it means that a point on Earth's surface rotates under each of these bulges and under each of the 'troughs' of low water level that are produced by the ocean water that was attracted to the moon gravitationally and thrown off the side of Earth, inertially, respectively, to produce high tides. The water to produce the high tides, associated with the tidal bulges, has to come from somewhere, and this means that sea level is lower (low tide) at locations between the high tides. Let's make things as simple as possible and imagine a situation where the moon is more or less directly over the equator, with one tidal bulge centered on the Prime Meridian. Then the other tidal bulge is centered on 180 deg. longitude. Imagine we are on the beach in Ecuador, and lets see what happens. During a 24-hour period, we'll have two high tides and two low tides, as our coast rotates under a tidal bulge (high tide) then a trough (low tide) then the other bulge (high tide) and the other trough (low tide). This situation is referred to as semi-diurnal tides and this type of tidal situation is the most common along coasts world wide. Now, let's think a bit more carefully about our assumptions and the equilibrium theory.

Tides are a product of Gravitational forces and Inertial (or Centrifugal) forces. Tides are produced by the Moon and the Sun.

Tidal forcing is proportional to: ( m a s s r 3 )

Moon: 7.4 × 10 22 [ k g ] ( 3.8 × 10 8 )^ 3 [ m 3 ] = 0.0013

Sun: 2.0 × 10 30 [ k g ] ( 1.5 × 10 11 )^ 3 [ m 3 ] = 0.0006

The Moon has about 2x the effect of the sun.

First, let's realize that both tidal bulges in our model are produced by gravity in a rotating reference frame. The moon is in orbit around Earth due to gravitational attraction. The Earth-moon system rotates around it's center of mass, which is located at a point within Earth, but not at Earth's center. How would you go about calculating the location of the center of mass? So, when you see a diagram of Earth with two bulges, one labeled gravitational and one labeled 'centrifugal,' you can smirk and think about why it's not strictly correct the 'centrifugal force' is actually produced by gravity and inertia. Earth is rotating around the center-of-mass in a 28 day period, and ocean water is thrown off toward the outside (think of your bucket of water.)

Ok, is that all? Well, think about the water in the Atlantic ocean and then think about a place like, say, Daytona Beach. What if the moon is actually over the longitude of Kansas? Hmmm, where are the tidal bulges? For the Atlantic, one bulge might be toward the west coast of the ocean basin, but clearly the ocean tidal bulge is not over Kansas. Here's the problem with the equilibrium theory of tides: we ignore ocean basins and coastlines, and we just think in terms of an ocean that covers the entire Earth. Obviously, this isn't correct, but it allows us to make progress, so it's a good place to start. For now, we can envisage some islands that are scattered here and there, so as to have some point of reference for sea level and for reckoning high and low tide.

The equilibrium theory sounds far fetched (no ocean basins? no coast lines, humph) but when we get to the dynamic theory of tides, I think you'll see why we started simple. We're going to have to bring in Coriolis and other complicating factors. For now, let's take a couple more steps with the equilibrium theory. As we've already seen, it does a pretty good job of predicting semi-diurnal tides, which are the most commonly observed tides. What happens when the moon is not over the equator, and what about times when the moon is closer to Earth (Perigee

0.36x10^6 km) or farther from Earth (Apogee,

0.4x10^6 km)? The moon's orbit around Earth is elliptical, so at certain times of the lunar month it will be closer to Earth. When the moon is closer to Earth, the 'gravitational' bulge is larger than when the moon is farther from Earth. Recall that the plane of the moon's orbit around Earth is generally not parallel to the equator and can be as much as 28.5 degrees. When the moon's declination is large, an interesting 12-hour asymmetry develops for semi-diurnal tides, and it's possible to understand it with the equilibrium theory of tides. The tidal bulges are positioned under the moon and antipodal to this point. Therefore, when a given location on Earth makes one revolution in a 24 hour period it experiences one high tide that is higher than the other and one lower low tide. Despite the success of the equilibrium theory of tides, at some point we have to admit that Earth is not covered by a single ocean.

The dynamic theory of tides takes into account ocean basins of finite size and other complexities associated with coastlines. Many factors must be taken into account in order to accurately predict the tides in a given coastal setting. For example, the solid Earth experiences a tide --the amplitude of which can be 10 cm or more-- and the finite viscosity and flow properties of water need to be taken into account in order to predict resonance effects where water is flowing in and out of a restricted basin (e.g., the Bay of Fundy or the Gulf of Mexico.) The dynamic theory of tides is complex, but includes a simplifying concept know as amphidromic circulation. The idea is that tides can be thought of as shallow water waves that circulate around a point in the ocean, known as the amphidromic point. The tidal range is zero at the amphidromic point and increases with distance from this point, such that tidal range is maximum along the coast lines far from the amphidromic point (which is generally near the center of the ocean basin.) It's useful to think first in terms of a hypothetical ocean basin (we can assume it's square in map view) and then once we have the general picture down, to look at a real amphidromic circulation.

Amphidromic circulation stems from two basic effects. First, the water in a given ocean basin stays in that ocean basin. So when Earth spins under the tidal bulges, rather than the water staying in place as the Earth spins, as we assumed in the equilibrium theory, the water first builds against the west side of the ocean basin, and then sloshes back toward the center of the ocean as the continent spins under the moon, or antipodal to it. The water sloshes from West to East (think of a big basin of water that you tip from side to side --this is the scale that we are thinking in terms of for tides) but rather than going in a direct line, the motion is impacted by the Coriolis effect. In the Northern hemisphere it causes the wave to bend to the right, creating a counter-clockwise circulation, and it's the opposite in the Southern hemisphere. The tidal bulge sloshes from west to east, but ends up against the southern coast of our ocean basin. Then it sloshes back toward the center, from south to north, but it's bent to the right (Northern Hemisphere) and ends up against the East side of the ocean basin. In the Northern Hemisphere, this creates a ccw amphidromic circulation around the amphidromic point.

OK, that's it for Tides. Complete the activity on Canvas and you'll be in good shape.

Meantime, spend time on your projects and catch up with other work.

Recall: shallow water waves occur when water depth is less than roughly a factor of one half of the wavelength.

And, make plans to watch the next lunar eclipse.

A fun tool to find eclipses (lunar and solar) near you: Time and Date.

Once you've completed all lesson tasks, think about how you would teach a topic from this lesson in your own classroom that might be a useful start for thinking about your Capstone Project for the course


Žiūrėti video įrašą: Water Cycle (Spalio Mėn 2021).