物体靠近黑洞时为什么会被拉成面条?固体潮与海洋潮在计算上会有什么不同之处?潮汐导致的地球...|潮汐导致的能量传递 黑洞附近的意大利面效应( 二 )
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有了势场公式 , 只需要对势求梯度并取反方向就能得到力的公式了 。 张朝阳先计算了沿er方向的力:
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然后计算出eθ方向的力:
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然后 , 张朝阳绘制了如下示意图:
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根据示意图容易发现 , 当θ不等于0、π/2或者π时 , Fθ不等于零 , 方向总是朝向z轴的 , 因此物体受到一个往z轴挤压的力 。 另一方面 , er方向的力会向两头拉伸物体 。 所以 , 当m2很大时 , 物体会受到很大的朝两头拉伸的潮汐力以及朝向轴心的挤压力 , 最终会使得物体被拉扯成意大利面形状 , 这就是黑洞附近的意大利面效应 。
进一步地 , 张朝阳计算了z轴上的潮汐力 。 在轴上 , θ=0或者π 。 当θ=0时:
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当θ=π时:
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可见这部分潮汐力确实是把物体往两头拉伸的 。
张朝阳还介绍说 , 潮汐力本质上来源于力场的非均匀性 。 为此 , 张朝阳假设一个人高h=2r , 人的质心近似处在人的中心位置 , 那么人的两端距离质心为r 。 可以借助牛顿万有引力定律求出人的两端以及质心处的引力场大小 , 然后差值就是潮汐力:
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这个结果与前面使用势场所得结果是一样的 。
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(张朝阳介绍黑洞附近的意大利面效应))
潮汐力导致海平面偏离近似计算得出椭球面
在以前的课程中 , 张朝阳计算了海水的潮差 , 当时使用的模型是:假设地球的固体部分是一个球形刚体 , 不受潮汐力影响 , 海水的引力势忽略不计 。 在这一次直播课程中 , 张朝阳进一步推导了海平面方程 。
以地球中心为原点建立极坐标系 , 极轴指向月球 。 设地球的平均半径为R , 极轴方向的地球半径为Rp , 垂直极轴的方向的地球半径为Re , 那么定义偏心率为:
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如果地球海面是旋转对称的椭球面的话 , 在ε的一阶近似下 , 它的方程可以写为:
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定义θ0满足:
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那么R(θ0)=R 。
介绍完椭球面的近似表示 , 张朝阳开始证明海面也可以近似为同样形式的方程 。 为此 , 张朝阳假设R(θ)=R+h(θ) , 其中h(θ)满足h(θ0)=0 。 这里的R还不确定是地球的平均半径 , 它只是θ=θ0时的地球半径 , 不过在证明了海面确实是椭球面之后可以证明这个R就是地球的平均半径 。 假设地球质量为m1 , 月球质量为m2 。 地球引力在海面处的势场为:
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静止流体的表面是一个等势面 , 因此在海面处地球引力势与月球引力势之和为常数 。 借助上一次直播课推导出来的月球剩余势场 , 可以得到:
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