Dlaczego niektóre księżyce mają okres rotacji równy okresowi ich obiegu?

Nasz księżyc i księżyc Saturna, Tytan, mają tę funkcję. Z tego powodu obserwujemy tylko jedną stronę (półkulę) naszego księżyca. Dlaczego to? Co tłumaczy to Newtonian lub astrofizyka? Wydaje się, że byłaby to jakaś równowaga, która z czasem zostanie osiągnięta, ale ja tego nie rozumiem.

Odpowiedzią na to są z pewnością siły pływowe, ale to nie wyjaśnia dokładnego mechanizmu, w jaki sposób siły pływowe powodują zablokowanie pływowe , tj. Ciało orbitujące pokazujące tę samą powierzchnię ciała centralnego, co orbituje z powodu prędkości obrotu i obrotu stawka jest równa. Opiszę ten mechanizm za pomocą systemu Ziemia-Księżyc, abym mógł być konkretny, ale dotyczy to również każdego systemu.

Na początek siły pływowe są wynikiem różnicowych sił grawitacyjnych w rozłożonej masie ciała. Księżyc nie jest masą punktową, ma rozszerzony rozmiar. Siła grawitacji na Księżycu przez Ziemię zależy od odległości (podobnie jak siła grawitacji dla czegokolwiek). Oznacza to, że po stronie Księżyca zwróconej ku Ziemi siła grawitacji jest silniejsza, a gdy przechodzisz przez Księżyc do strony przeciwnej do Ziemi, siła grawitacji zmniejsza się. Oznacza to, że zwrócona ku Ziemi strona Księżyca jest przyciągana silniej i bliżej Ziemi, podczas gdy strona przeciwna do Ziemi, wciąż przyciągana do Ziemi, nie jest przyciągana tak silnie ani tak blisko. Ostatecznie powoduje to deformację Księżycatak, że staje się lekko spłaszczony i rozciągnięty w kierunku Ziemi. To wyginanie powierzchni jest znane jako pływy.

Załóżmy teraz, że Księżyc nie jest obecnie zablokowany pływowo z Ziemią i faktycznie obraca się nieco szybciej niż na orbicie. Ziemia powoduje przypływy na Księżycu, a Księżyc wiruje wokół własnej osi. Fale spowodowane przez siły pływowe chcą pozostać w linii z linią Ziemia-Księżyc, ponieważ w tym kierunku działają siły pływowe. Jednak odkształcenie Księżyca wymaga czasu i dużej ilości energii. Kiedy Księżyc zostanie zdeformowany, zacznie się obracać i spróbować pociągnąć za sobą tę deformację pływową, skutecznie przesuwając wybrzuszenie pływowe przed linię Ziemia-Księżyc. Ziemia wciąż przykłada siłę pływową wzdłuż linii Ziemia-Księżyc, próbując przyciągnąć wypukłość z powrotem do linii. Ta stała siła próbująca przyciągnąć wybrzuszenie pływowe do tyłu (lub do przodu, jeśli Księżyc obraca się zbyt wolno) pozwala na przeniesienie pędu w celu spowolnienia Księżyca (lub ponownie, przyspieszenia, jeśli jest zbyt wolne). Głównym punktem tutaj jest to, że blokowanie pływów jest stanem równowagi, ponieważ jeśli Księżyc obraca się zbyt wolno lub zbyt szybko, Ziemia próbująca przyciągnąć wybrzuszenie pływowe do linii Ziemia-Księżyc będzie zmieniać prędkość obrotową Księżyca, aż stanie się pływowa zablokowany. Po zablokowaniu pływów wypukłość pływowa zawsze będzie przebiegać wzdłuż linii Ziemia-Księżyc i ta siła zniknie. Ziemia próbująca przyciągnąć wybrzuszenie pływowe do linii Ziemia-Księżyc będzie zmieniać prędkość obrotową Księżyca, dopóki nie zostanie on zablokowany. Po zablokowaniu pływów wypukłość pływowa zawsze będzie przebiegać wzdłuż linii Ziemia-Księżyc i ta siła zniknie. Ziemia próbująca przyciągnąć wybrzuszenie pływowe do linii Ziemia-Księżyc będzie zmieniać prędkość obrotową Księżyca, dopóki nie zostanie on zablokowany. Po zablokowaniu pływów wypukłość pływowa zawsze będzie przebiegać wzdłuż linii Ziemia-Księżyc i ta siła zniknie.

To obejmuje jednak około połowy odpowiedzi. Próbując zablokować Księżyc na powierzchni, musisz wziąć pod uwagę dwa okresy. Pierwszy, omówiony w poprzednim akapicie, to czas obrotu Księżyca wokół jego osi. Drugi to czas rewolucji Księżyca wokół Ziemi. Oba muszą się zgadzać. W poprzednim akapicie opisano, w jaki sposób można wpłynąć na czas obrotu Księżyca wokół jego osi, ale istnieje również sposób wpłynięcia na czas obrotu Księżyca wokół Ziemi. Na szczęście jest to prawie identyczny mechanizm jak powyżej. W efekcie Księżyc powoduje również wypukłości pływowe na Ziemi, a ponieważ Ziemia się obraca, wypukłości pływowe nie będą bezpośrednio wyrównane z linią Ziemia-Księżyc. To nierównomierne wybrzuszenie pływowe na Ziemi przenosi energię do prędkości orbitalnej Księżyca, powodując, że przyspiesza lub zwalnia. Nawiasem mówiąc, poprzez zachowanie momentu pędu powoduje to, że Księżyc odpływa od nas w niewielkim, ale trwałym tempie.

Podsumowując, siły pływowe powodują blokowanie pływów, ale dzieje się to poprzez zawiłe i powolne siły w długim okresie czasu, wpływające zarówno na prędkość orbitalną Księżyca, jak i szybkość rotacji, aż do znalezienia równowagi. Ta równowaga jest blokowaniem pływów.

Prosta odpowiedź brzmi: siły pływowe, które są wtórnym efektem grawitacji. W ten sam sposób, w jaki Księżyc powoduje niskie i wysokie fale oceanów tutaj na Ziemi, Ziemia ma również podobny wpływ na Księżyc.

Siła jest tego samego pochodzenia, jednak znacznie silniejsza ze względu na masę Ziemi. Te siły pływowe powodują moment obrotowy podczas obrotu na Księżycu i dlatego pokazuje on tylko tę samą twarz Ziemi.

Zabawne jest to, że Pluton i jego księżycowy Charon pokazują tylko jedną twarz na swojej orbicie z powodu siły pływowej. Również siły pływowe spowalniają obroty Ziemi.