Лунный тормоз

...В истории Земли бывали, наверное, тысячелетия, когда прежние 
Луны притягивались к ней совсем близко и носились 
вокруг Земли с чудовищной скоростью. И, так же как сегодня 
Луна тянет за собой приливную волну высотой в метр или два, 
тогда она, кружа над Землей, волочила за собой гору воды и
ила высотой с какой-нибудь огромный хребет...

Р. Музиль. "Человек без свойств"

Причиной происхождения приливов люди с давних пор считали Луну. Луна притягивает воду мирового океана, и в результате в океане образуется водяной "горб". Этот горб стоит на месте напротив Луны, а Земля вращается вокруг своей оси. наступая на берег, поднявшаяся вода вызывает приливы, а отступая - отливы. Такая теория приливов выглядит довольно естественно, но она приводит к противоречию. Выходит, что приливы должны наблюдаться один раз в сутки, а в действительности они бывают каждые 12 часов.

Первую теорию приливов, объясняющую это явление, создал Ньютон вскоре после открытия закона всемирного тяготения. Для изучения этого вопроса используем понятие сил инерции. Как мы уже обсуждали в предыдущем разделе, и во вращающейся системе отсчета можно пользоваться законами Ньютона, если к силам взаимодействия между телами добавить силы инерции.

Рис. 1

Земля вращается вокруг своей оси, вокруг Солнца и... вокруг Луны. Хотя об этом вращении обычно забывают, именно оно позволяет построить правильную теорию приливов. Представьте себе два шарика: тяжелый и легкий, соединенные нитью и находящиеся на горизонтальной гладкой плоскости (рис. 1). Такие шарики должны вращаться согласованно - каждый из них движется по окружности своего радиуса, но с общим центром, совпадающим с центром инерции системы. Большой шарик вращается по окружности малого радиуса, но он не неподвижен! Точно так же Земля и Луна, притягиваясь друг к другу по закону всемирного тяготения, вращаются в пространстве вокруг общего центра инерции С (рис. 2). Вследствие большой массы! Земли этот центр находится внутри земного шара, но он смещен по отношению к центру Земли О. Угловые скорости ω вращения вокруг точки С Земли и Луны, очевидно, одинаковы.

Рис. 2

Перейдем теперь в систему отсчета, вращающуюся с угловой скоростью со. Тогда в ней Земля и Луна неподвижны относительно друг друга. Но поскольку эта система неинерциальная, то на каждый элемент массы действует не только сила тяготения, но и центробежная сила, которая тем больше, чем дальше отстоит частица от центра вращения.

Для простоты представим себе, что вода однородным слоем покрывает всю поверхность Земли. Может ли она при этом находиться в равновесии? Очевидно, что нет. Луна нарушит такое равновесие, так как появятся дополнительные силы притяжения к Луне и центробежные силы инерции. У поверхности, обращенной к Луне, сила притяжения к Луне и центробежная сила направлены от центра Земли; в результате образуется водяной горб А (рис. 2). Но и у дальней поверхности воды возникает аналогичная ситуация. Здесь увеличивается сила инерции (возрастает расстояние до центра вращения С), а сила притяжения к Луне становится меньшей. Равнодействующая этих сил опять направлена от центра Земли и приводит к образованию еще одного горба В. Равновесию соответствует картина, показанная штрихом на рис. 2.

Конечно, такое объяснение приливов является весьма упрощенным. Оно не учитывает неравномерности распределения воды по поверхности Земли, влияния сил притяжения к Солнцу и многих других факторов, способных существенно изменить описанную картину. Однако ответ на главный вопрос теория дает. Так как горбы неподвижны, а Земля вращается относительно своей оси, то приливы и отливы должны наблюдаться дважды в сутки.

Рис. 3

Ну, а теперь самое время объяснить принцип действия лунного тормоза. Оказывается, что в действительности горбы находятся не на линии, соединяющей центры Земли и соединяющей центры земли и Луны (как это для простоты показано на рис. 2), а несколько смещены в сторону (рис. 3). Происходит это по следующей причине. Земля, вращаясь вокруг своей оси, увлекает вследствие трения за собой воду в океане. Поэтому по мере поворота Земли в приливные горбы должны вовлекаться все новые и новые массы воды. Деформация, однако, всегда запаздывает по отношению к вызывающей ее силе (ведь сила создает ускорение и должно пройти какое-то время, чтобы частицы приобрели скорость и сместились на некоторое расстояние). Поэтому точка максимального поднятия воды {вершина горба) и точка на линии центров, где на воду действует максимальная сила притяжения к Луне, не совпадают. Образование горба происходит с некоторым запаздыванием, и он смещается в сторону вращения Земли. А в таком случае, как это видно из рис. 3, сила притяжения Луны уже не проходит через центр Земли и создает момент, тормозящий ее вращение. Длительность суток каждодневно увеличивается! Впервые это понял замечательный английский физик лорд Кельвин.

"Лунный тормоз" безотказно работает уже многие миллионы лет и способен существенно изменить длительность земных суток. У окаменевших кораллов, живших в океане около 400 миллионов лет назад, ученые обнаружили структуры, названные "суточными" и "годичными" кольцами. Когда "суточные" кольца подсчитали, то оказалось, что на каждый год их приходится 395! Продолжительность года - периода, в течение которого Земля совершает полный оборот вокруг Солнца,- с тех пор, по-видимому, не изменилась. Значит, тогда в сутках было только 22 часа!

Лунный тормоз продолжает работать и сейчас, увеличивая длительность суток. В конце концов, время обращения Земли вокруг своей оси сравняется со временем обращения Луны вокруг Земли, и тогда торможение прекратится. Земля будет обращена к Луне всегда одной стороной, точно так же, как обращена к нам одной стороной Луна (попробуйте сами объяснить, почему это произошло). Длительность суток на Земле увеличится и в результате может измениться климат. Земля будет долго оставаться обращен-ной к Солнцу одной стороной, а на другой стороне в это время будет долгая ночь. Горячий воздух с нагретой стороны с огромной скоростью устремится к холодной, на Земле задуют сильные ветры, поднимутся песчаные бури Но произойдет это очень не скоро, и люди обязательно 1 придумают, как предотвратить такое бедствие.