Perché alcune lune hanno il loro periodo di rotazione uguale al loro periodo orbitale?


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La nostra luna e la luna di Saturno, Titano, hanno questa caratteristica. Per questo motivo osserviamo solo un lato (emispere) della nostra luna. Perchè è questo? Qual è il Newton o l'astrofisica che spiegherebbe questo? Sembra che sarebbe una sorta di equilibrio che è arrivato nel tempo, ma non lo capisco.


I link di Youtube non sono raccomandati, ma è una bella semplice spiegazione: youtube.com/watch?v=6jUpX7J7ySo Cerca il blocco delle maree per maggiori informazioni.
userLTK

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Me lo stavo chiedendo ieri, strano
MCMastery,

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Non è solo la nostra luna e Titano. Per quanto ne so, ogni grande luna nel sistema solare mostra questo comportamento. Il blocco delle maree è un fenomeno potente.
Mark Foskey,

Risposte:


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La risposta a ciò sono certamente le forze di marea, ma ciò non spiega l'esatto meccanismo per il modo in cui le forze di marea provocano il bloccaggio delle maree , cioè un corpo in orbita che mostra la stessa faccia al corpo centrale mentre orbita a causa della velocità di rotazione e della rivoluzione il tasso è uguale. Descriverò questo meccanismo usando il sistema Terra-Luna in modo da poter essere specifico, ma si applica ugualmente a qualsiasi sistema.

Per iniziare, le forze di marea sono il risultato di forze gravitazionali differenziali attraverso la massa distribuita di un corpo. La Luna non è una massa puntuale, ha una dimensione estesa. La forza di gravità sulla Luna da parte della Terra dipende dalla distanza (così come la forza di gravità per qualsiasi cosa). Ciò significa che sul lato della Luna rivolto verso la Terra, la forza di gravità è più forte e man mano che avanzi attraverso la Luna verso il lato opposto alla Terra, la forza di gravità si indebolisce. Ciò significa che il lato rivolto verso la Terra della Luna viene tirato più forte e più vicino alla Terra mentre il lato opposto alla Terra, mentre viene ancora tirato verso la Terra, non viene tirato così forte o vicino. Alla fine, ciò si traduce nella deformazione della Lunatale che diventa leggermente oblato e disteso nella direzione della Terra. Questa flessione della superficie è nota come maree.

Ora supponiamo che la Luna non sia attualmente ordinatamente bloccata con la Terra, e in effetti gira leggermente più velocemente di quanto orbita. La Terra sta causando maree sulla Luna e la Luna gira sul suo asse. Le maree, causate dalle forze di marea, vogliono rimanere allineate con la linea Terra-Luna poiché questa è la direzione in cui vengono applicate le forze di marea. Tuttavia, ci vuole tempo e molta energia per deformare la Luna. Una volta che la Luna è deformata, girerà e proverà a trascinare quella deformità di marea insieme a essa, spostando efficacemente il rigonfiamento delle maree davanti alla linea Terra-Luna. La Terra sta ancora applicando la forza di marea lungo quella linea Terra-Luna per cercare di riportare il rigonfiamento delle maree in linea. Questa forza costante che cerca di riportare indietro il rigonfiamento delle maree (o in avanti se la Luna gira troppo lentamente) consente un trasferimento di quantità di moto per rallentare la Luna (o di nuovo, accelerarla se è troppo lenta). Il punto principale qui è che il blocco delle maree è uno stato di equilibrio perché se la Luna gira troppo lentamente o troppo velocemente, la Terra che prova a trascinare il rigonfiamento delle maree nella linea Terra-Luna cambierà la velocità di rotazione della Luna fino a quando non diventa tidale bloccato. Una volta bloccato, il rigonfiamento delle maree sarà sempre lungo la linea Terra-Luna e questa forza scomparirà. la Terra che prova a tirare il rigonfiamento delle maree nella linea Terra-Luna cambierà la velocità di rotazione della Luna fino a quando non si bloccherà in modo ordinato. Una volta bloccato, il rigonfiamento delle maree sarà sempre lungo la linea Terra-Luna e questa forza scomparirà. la Terra che prova a tirare il rigonfiamento delle maree nella linea Terra-Luna cambierà la velocità di rotazione della Luna fino a quando non si bloccherà in modo ordinato. Una volta bloccato, il rigonfiamento delle maree sarà sempre lungo la linea Terra-Luna e questa forza scomparirà.

Questo copre circa la metà della risposta però. Quando cerchi di bloccare la Luna sulla Terra, devi considerare due periodi di tempo. Il primo, discusso nel paragrafo precedente, è il tempo di rotazione della Luna attorno al suo asse. L'altro è il tempo di rivoluzione della Luna intorno alla Terra. Entrambi devono corrispondere. Il paragrafo precedente descriveva come il tempo di rotazione della Luna attorno al suo asse potesse essere influenzato, ma c'è anche un modo per influenzare il tempo di rivoluzione della Luna intorno alla Terra. Fortunatamente, questo avviene con un meccanismo quasi identico a quello sopra. In effetti, la Luna provoca anche rigonfiamenti di marea sulla Terra e poiché la Terra sta ruotando, questi rigonfiamenti di marea non saranno direttamente allineati con la linea Terra-Luna. Questo rigonfiamento di marea non allineato sulla Terra agisce per trasferire energia alla velocità orbitale della Luna, facendolo accelerare o rallentare. Per inciso, attraverso la conservazione del momento angolare, questo fa sì che la Luna si allontani da noi ad un ritmo piccolo ma persistente.

In sintesi, le forze di marea causano il bloccaggio delle maree, ma ciò accade attraverso forze complesse e lente per un lungo periodo di tempo che influenzano sia la velocità orbitale della Luna che la velocità di rotazione fino a trovare un equilibrio. Quell'equilibrio è il blocco delle maree.


Se questo vale per qualsiasi sistema, ciò significa che la Terra alla fine sarà bloccata dalle maree sul Sole?
Liren,

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@Liren Sì, anche se ci vorrà molto più tempo. In effetti, la Terra verrà prima bloccata in modo ordinato sulla Luna.
Mark H,

Mi chiedo quali paesi vedranno la luna ... che attrazione turistica! :)
NikoNyrh

@Liren Tecnicamente potrebbe succedere se ci fosse solo la Terra / Sole. Il problema è che abbiamo molti altri pianeti come Giove che hanno notevoli perturbazioni gravitazionali sulla Terra che ci impediscono di raggiungere mai quell'equilibrio del blocco delle maree. Ma vediamo sicuramente che il pianeta si sta avvicinando in modo ordinato alle loro stelle, ad esempio Mercurio (anche se con una risonanza 2: 3 anziché un 1: 1 come la Luna) o i pianeti nel sistema TRAPPIST-1 recentemente annunciato.
Zefiro,

@NikoNyrh Probabilmente nessuno di loro. Si prevede che la Terra impiegherà fino a 50 miliardi di anni per bloccarsi in modo ordinato sulla Luna (gli effetti della Luna sulla Terra sono troppo piccoli per farlo prima) e sappiamo che il Sistema Solare sarà passato da tempo. Il Sole diventerà Red Giant tra circa 5 miliardi di anni.
Zefiro,

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La semplice risposta è: forze di marea, che sono un effetto secondario della gravità. Allo stesso modo in cui la Luna provoca basse e alte maree degli oceani qui sulla Terra, anche la Terra ha un effetto simile sulla Luna.

La forza è della stessa origine, tuttavia molto più forte a causa della massa della Terra. Queste forze di marea provocano una coppia sulla rotazione sulla Luna ed è per questo che mostra solo la stessa faccia sulla Terra.

Fatto curioso, Plutone ed è solo luna Caronte mostrano solo una faccia durante la loro orbita a causa della forza delle maree. Anche le forze di marea stanno rallentando la rotazione della Terra.


Le forze di marea dipendono dall'asimmetria? IOW, se la luna fosse più perfettamente simmetrica tutt'intorno, esisterebbero comunque forze di marea o avrebbero lo stesso effetto?
0tyranny 0poverty

Dipendono dalla massa e dalla natura non costante della forza gravitazionale. Cioè, l'attrazione gravitazionale tra due corpi è più forte ai lati uno di fronte all'altro. Spero che aiuti.
Rumplestillskin,

@ 0tyranny0poverty Tipo di. Se potessi rendere la distribuzione di massa della Luna perfettamente simmetrica (la distribuzione di massa lunare è notoriamente irregolare ) ridurrebbe il tasso di cambiamento del periodo di rotazione della Luna, ma le forze di marea stesse creano un'asimmetria in superficie: il rigonfiamento delle maree. Per eliminare l'effetto del blocco delle maree dovresti avere un corpo perfettamente rigido, e questo è fisicamente impossibile.
PM 2Ring

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@ 0tyranny0poverty Sospetto sia perché è un sistema complesso con molte lune, così come gli anelli. Ciò si traduce in una caotica miscela di effetti gravitazionali e la sincronizzazione di un satellite richiede del tempo e fortuna.
Barmar,

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@ 0tyranny0poverty Perché le forze di marea sono il risultato di forze gravitazionali differenziali . Fondamentalmente è necessario differenziare la legge di gravità di Newton, risultando che la forza di marea è proporzionale a . Vedi la pagina wiki per maggiori dettagli. r3
Zefiro,
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