潮汐能?

凡是到过海边的人们,都会看到海水有一种周期性的涨落现象:到了一定时间,海水推波逐澜,迅猛上涨,达到高潮;过后一些时间,上涨的海水又自行退去,留下一片沙滩,出现低潮。如此循环重复,永不停息。海水的这种运动现象就是潮汐。法国文学称之为“大海的呼吸”。

大家都知道,地球上的海洋潮汐现象主要来自于月球、地球海洋、太阳三者的共同作用,海洋作为流体受到引力作用产生形变,那么引发潮汐现象的力究竟是一种什么形式呢?在物理学看来,在非惯性系下,引潮力是月球的万有引力和与之对应的惯性力,还有太阳的万有引力和与之对应的惯性力等四种力的合力。有的资料提到“离心力”也是引潮力的分力之一,物理学中有离心现象的提法,却没有“离心力”的概念和定义。不过“离心力”的本意正是惯性力。可以通过图解来说明这个力带来的具体影响:

8d5494eef01f3a297608dbbd9925bc315d607c84.jpg

 聪明的人类瞬间发现了这个现象是有利可图的,于是人们对涨潮时的水位加以约束,利用涨潮水位与落潮水位的高度差所产生的重力势能转化成动能继而转化为电能,由此产生了潮汐发电原理。

那么潮汐能究竟是什么东西发生的呢?根据能量守恒定律,有能量的产生就会有相等能量的消耗,假设地月系为一个系统,人们大可把潮汐能所产生的电能输送至该系统以外,若该系统能量守恒,那么减少的又是什么能量呢?纵观整个能量的形成,我们可以发现只有引力引发的一系列力做了功,那么是引力被消耗了吗?

我们来看引力的产生,根据艾萨克·牛顿的万有引力定律:任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。那么问题来了,地月系的质量并没有发生变化,也就是说引力并没有消耗,损耗的究竟是什么?

根据公式   F=(G×M1×M2)/R2

我们得出了一个可怕的猜想,变化的是月球与地球之间的距离?!

查阅资料可得月球质量约为7.349×1022千克,而地球质量约为5.965×10^24kg,地球上每年产生的海洋潮汐能若全部利用可以产生约12400亿度电,也就是1.24×10^11×3.6×10^6J=4.467×10^17J的热量,我们假设地球的轨道位置相对于太阳系不发生变动,那么根据动能定理可得E=(1/2)mv^2

解得速度V≈6.209×10^-7m/s(字体什么鬼)

若该结论成立,月球正在以该速度向我们靠近。

已知地月平均轨道半径为384,403km,减去地月半径之和8116.14km,得到地月表面相距376286860m

根据计算可得约6.06×10^14s后地月相遇(高中知识水平有限这里没有考虑地球与月球自转与公转的动能)也就是>>19217229.92年后

我的思路真的正确吗?求解



来自:宇宙和天文 / 天文与空间科学
zx-16533
2年11个月前 修改于 2年11个月前
1楼

其实考虑到地月系统的角动量守恒,最终平衡的结果应当是地球自转与月球公转共同平衡到比现在的月球公转速度略快的速度上.也就是地球被月球潮汐锁定,届时将发生在地球固定地点观察月球位置基本不变的现象(如同目前已在月球发生的现象).潮汐锁定需要时间似乎有个误差极大的公式可以估算,具体可以搜一搜.

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虎哥
2年11个月前
2楼

同意楼上观点。通常说的潮汐现象来自于相对运动而非引力。假设地球全是海洋,无非是背面的水降下去了,正面的水升起来了,但只有地球转(以及月球公转),才会有不同位置交替起落的现象。潮汐能利用的是交替起落这种现象,而不是地月之间的引力。所以后果是地球自转会变慢,自转的动能转变为潮汐能。最后动能没有了,潮汐的“高”就固定在月球方向,就没有“潮汐”这种现象了。

-1
学术分
虎哥
2018-11-11
信口开河,误导观众。
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3
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暮光之羽作者
2年11个月前
3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
同意楼上观点。通常说的潮汐现象来自于相对运动而非引力。假设地球全是海洋,无非是背面的水降下去了,正面...

我们来假设这一天的到来,就是地球相对于月球或月球相对于地球静止的那一天,也就是月球成为了地球的同步卫星(同步轨道上移),那么问题来了,当月球每次转到面向太阳的一面时(也就是地球上那时27.32天一次的日全食时)都会受到太阳巨大引力的一次拉扯,如图:

IMG_20181110_210647.jpg

 此时的地月系就如同一个偏心轮,太阳拉扯月球、月球与地球互相拉扯,合力指向太阳,那么也就是地月系逐渐被太阳所吞噬的一个过程……哇⊙∀⊙!难道说这间接证明了太阳系中所有具有卫星的行星都在逐步靠近恒星的事实?


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zx-16533
2年11个月前
4楼
引用暮光之羽发表于3楼的内容
我们来假设这一天的到来,就是地球相对于月球或月球相对于地球静止的那一天,也就是月球成为了地球的同步卫...

这段逻辑有点跳跃......例如

那么问题来了,当月球每次转到面向太阳的一面时(也就是地球上那时27.32天一次的日全食时)都会受到太阳巨大引力的一次拉扯,

为何只有转到太阳一面才会受到"太阳巨大引力的'一次'拉扯"?难道转到另一面就不受太阳引力拉扯了?

 此时的地月系就如同一个偏心轮,太阳拉扯月球、月球与地球互相拉扯,合力指向太阳,那么也就是地月系逐渐被太阳所吞噬的一个过程

难道没有月球,地球就不会受到"拉扯"和"指向太阳的合力"了?受到合力指向太阳就会被太阳所逐渐吞噬?

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量子隧道
2年10个月前
5楼
引用虎哥发表于2楼的内容
同意楼上观点。通常说的潮汐现象来自于相对运动而非引力。假设地球全是海洋,无非是背面的水降下去了,正面...

"假设地球全是海洋,无非是背面的水降下去了,正面的水升起来了"

这个判断是有问题的。潮汐是引力对距离的函数(平方反比率)的高阶效应。背面和正面的水都会鼓起来。侧面的水才会降下去。

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暮光之羽作者
2年10个月前
6楼
引用zx-16533发表于4楼的内容
这段逻辑有点跳跃......例如那么问题来了,当月球每次转到面向太阳的一面时(也就是地球上那时27....

等等。。。我的思维好像有点混乱

我的意思是当月球对地为同步卫星时,地球上受到月球的引潮力就恒定了,也就是说地球不会受到月球带来的潮汐能,但是地球也会受到来自太阳的引潮力啊。那么我们假设太阳带给地球的引潮力也不发生变化时,那是怎样的一个状态,地球就变成了太阳的同步轨道行星。那么问题来了,既然月球相对地球静止而地球又相对太阳静止,那么月球就会相对太阳静止,这是一组平行关系吧?那也就是说月球公转周期变为了365天,但是这与之前得出的结论——月球公转周期27天相矛盾,若根据轨道、周期、角速度的关系来看的话,公转半径势必会发生变化

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虎哥
2年10个月前
7楼
引用量子隧道发表于5楼的内容
"假设地球全是海洋,无非是背面的水降下去了,正面的水升起来了"这个判断是有问题的。潮汐是引力对距离的...

我犯了信口开河的错误。

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zx-16533
2年10个月前 修改于 2年10个月前
8楼
引用暮光之羽发表于6楼的内容
等等。。。我的思维好像有点混乱我的意思是当月球对地为同步卫星时,地球上受到月球的引潮力就恒定了,也就...

如果只考虑月球带来的影响的话结果是地球被月球潮汐锁定,即地球自转速度与月球公转速度同步.

如果只考虑太阳对地球影响的话则是地球被太阳潮汐锁定,即地球自转速度与地球公转速度同步.(而不是"地球就变成了太阳的同步轨道行星")

当然实际上太阳和月球对地球自转的影响是同时发生的,最终会产生的效果可能需要一些定量的分析才能得到.不过可以肯定的是,地球的自转速度的变化趋势是逐渐减慢的.

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暮光之羽作者
2年10个月前 修改于 2年10个月前
9楼
引用zx-16533发表于8楼的内容
如果只考虑月球带来的影响的话结果是地球被月球潮汐锁定,即地球自转速度与月球公转速度同步.如果只考虑太...

若同时考虑太阳和月球的话最终趋于稳定时,地球自转速度应该是两者一个中间值对吗

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zx-16533
2年10个月前 修改于 2年10个月前
10楼
引用暮光之羽发表于9楼的内容
若同时考虑太阳和月球的话最终趋于稳定时,地球自转速度应该是两者一个中间值对吗

这个可能需要一些定量的计算。不过就定性的来看,既然无法同时被两个天体同时发生潮汐锁定,就说明仍然在存在潮汐现象,也就是说仍然存在能量的消耗,因此不会是“最终稳定”的状态。潮汐作用也会改变公转的轨道参数,但是考虑的公转和自传的能量和角动量在数量级上的差别,公转参数的变化会是比自转参数变化缓慢得多的过程。

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