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認知即思索:什么是洛希極限?(上)

 taotao_2016 2023-01-11 發(fā)布于遼寧

許多人受科幻小說的影響,對洛希極限產(chǎn)生了誤解,提起洛希極限,我們就不得不說明潮汐力,慣性力和萬有引力以及星體解體之間的各種關(guān)系。

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地球是一個離心率很小的橢球體,這是人盡皆知的事情,離心率近似為(肉眼看上去長得和球沒什么兩樣)。它之所以是橢球體,主要原因是地球上所有質(zhì)點都繞軸旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生了慣性離心力。

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當然它也受到月球和太陽等引力的影響,但相對于地球自轉(zhuǎn)來說都次要因素。

說了上面這一大堆,這和洛希極限有什么關(guān)系呢?

我們在分析和推導過程中,總是把不規(guī)則的隕石/彗星看做“橢球體”,而實際上它往往是不規(guī)則的。有些人認為洛希極限是造成隕石裂解的原因,這樣說有些草率,原因在于沒有考察初始條件是什么,以及對公式的片面理解。還有人令“潮汐力和萬有引力相等去求洛希極限,我們就先說一下什么是潮汐力

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潮汐現(xiàn)象主要是月球造成的(太陽也能造成潮汐力,不如月球強烈)。如圖 2,我們設(shè)地球半徑為 re,地球質(zhì)量為Me,月球的質(zhì)量為Mmoon .地心到月心的距離為r地月,定性地看就能知道赤道附近的潮汐力最強。

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兩點差值為:

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人們在作近似處理的時候,直接令這個差值

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筆者認為這樣存在許多問題。原因是把地球近似成了一個“水球”,實際上海洋只覆蓋了地球很淺的一部分,這個差值明顯小于r地。甚至不需要用差值解釋,對于扁橢球的地球,越是靠近月球的海水Δm,其引力就越大,所形成的落差如下圖所示(用引力勢的辦法也可以導出該矢量圖):

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許多人寫公式,只是做些加減微積草草了事,卻不去仔細思考那些公式究竟意味著什么,也不去嚴格地討論其適用范圍究竟是什么:該公式是在什么前提條件下導出的,推導過程中做了何種近似?又有哪些具體的限制其成立的條件?有些人甚至用一種條件下導出來的公式,直接去解釋另一個條件下的現(xiàn)象,這樣做的后果是可想而知的。比如人們在推導所謂的剛性洛希極限就經(jīng)常犯張冠李戴的謬誤。

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我們拿地球作為例子,設(shè)地球質(zhì)量為M,某個外天體的質(zhì)量為M外,當?shù)厍蛑行牡皆撎祗w中心的距離為R時,質(zhì)量為Δm的物體剛好將要脫離地球表面,忽略地球的自轉(zhuǎn),則有:

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首先,這里R必須遠大于r地,因為如果該距離地球相對很近的時候,地球上物體的受到的就不再是標準的潮汐力而是小于萬有引力

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但又大于潮汐力

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的引力,這時,大天體不規(guī)則的幾何形狀不能再作為簡單質(zhì)點去對待。同時,我們還應當注意,如果上面的等式能夠成立,必須滿足,原因正是因為R遠大于r地:

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如果上面的條件都成立,再令

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,解這個等式就能得到:

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這就是剛體洛希極限。

我們應當注意,它并不能說明“小行星撞擊地球時,洛希極限可以有效防止小行星的裂解?!边@件事。原因就在于該公式僅來源于描述大質(zhì)量天體(比如太陽)對地球的影響。

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那么什么可以解釋小行星相關(guān)呢——我們必須用到所謂的“流體洛希極限”。它可以用來描述小行星/隕石/彗星的裂解問題。當然,它也可以描述大質(zhì)量天體(只不過大質(zhì)量天體不斷靠近的問題在太陽系里是不存在的,也只有科幻小說里才能出現(xiàn),比如流浪地球里講的木星-地球洛希極限(但電影里講的10^7km是錯誤的,正確結(jié)果應該是10^5km。 至于什么是流體洛希極限,我們會在下一章講到。

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