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分享 潮汐的科普与计算(更新)
岳东晓 2016-7-28 10:20
我之前写过几篇潮汐的科普,并且计算了 潮汐高度随角度的变化 。但这个计算忽略了一项。因此,我重新计算一下。顺便再从概念上讲讲。 古代中国人就知道潮汐主要是由月球引起的。牛顿在发现其运动定律及万有引力之后,对月球和太阳引起的潮汐进行了计算,但据说有错误(由于牛顿的《自然哲学的数学原理》一书只用了简单的几何和代数,其计算非常繁琐,现在很难看清)。在电影《Interstellar》中,浅水出现非常高的潮汐,应该算是过度科普。那么潮汐是怎么引起的呢? 很多人以为月亮在头顶上时,它对地面引力最大,于是把水吸起来了,好像是吸尘器吸篮球上的水一样,但这是一个错误的图像。实际上,地球是一个自由物体,在引力中相当于自由落体,在上面是感觉不到外界(如太阳与月亮)引力的。这跟神舟飞船上的宇航员感觉不到地球引力是同样的道理。但感觉不到引力是一个近似。因为地球引力是不均匀的,宇航员身体不同部分受到的地球引力有细微的差别,如果宇航员头朝地球,头离地球近,头受到的地球引力比脚受到的引力略大,这个力的差别对宇航员来说好像有力在拉伸。这就是所谓潮汐力。由于人的长度远远小于地球轨道半径,这个力差非常微小,人感觉不到。如果人往黑洞里掉,开始也会毫无感觉,自由落体完全失重,但当靠近黑洞中心时,头脚受到引力差很大,或者说潮汐力很大,就会受不了了。 类似的,在月球引力下,地球获得相应的加速度。这个加速度的计算可以把地球看成质量集中于地心的一个点,可以通过月-地的万有引力除以地球质量计算。但是由于面对月球的一面受到的月球引力大些,月球在这一面导致的加速度应该比地心的加速度大,这就造成了涨潮现象。有了这个物理图像,剩下就容易了,我们需要做的是计算月球(或其他天体)在地心的引力与地心外引力的差。 如下图。地心在原点 O,天体质量为 m,x 轴是地心 O 到天体中心Q 的连线,现在我们计算离地心距离为 r某点A的潮汐力, 角度 AQO为 \theta , 角度 OAQ 为 \phi . 潮汐力 f为 (为看起来方便,输入公式也简单点,我把 G*m 挪到了左边) \frac{\vec{f}}{Gm} = \frac{\vec{D} -\vec{r}}{|\vec{D} -\vec{r}|^3} - \frac{1}{D^2} \hat{x} = \frac{1}{D^2 - 2Dr \cos\theta +r^2}(\cos\phi \hat{x} - \sin\phi\hat{y}) - \frac{1}{D^2} \hat{x} 因为 月地距离 D 远远大于 r,我们近似有 \sin\phi \approx \frac{r \sin\theta}{D}; \hspace{0.5cm} \cos\phi \approx 1 - \frac{r^2\sin^2\theta}{2D^2} 代入上面的公式,我们发现 1/D^2 项抵消了。保留到 1/D^3 项,我们有 \frac{\vec{f}(\vec{r})}{Gm} =\frac{r}{D^3} \left(2\cos\theta \hat{x} - \sin\theta\hat{y}\right) 之前我的计算忽略了上面第二项( y 方向)。潮汐力计算出来了,怎么计算潮汐高度呢? 如果水面达到平衡,那么水面各点的引力势相同,因此,我们以地心为原点,计算潮汐力的势 V , V(\vec{r}) = - \int_0^r \vec{f}\cdot d\vec{r} \frac{-V(\vec{r})}{Gm} =\frac{r^2}{D^3} \left( \cos^2\theta - \frac{1}{2}\sin^2\theta\right)= \frac{r^2}{4D^3} \left(3\cos 2\theta+1\right) 或者说 V(\vec{r}) = -Gm\frac{r^2}{4D^3} \left(3\cos 2\theta+1\right) 潮汐高度 H 等于 上述势的地表值除以 重力加速度, 利用 g = GM_e /R^2 (M_e 为地球质量)。 H_{tide}(\vec{R}) = - V(\vec{R})/g = \frac{m R^4}{4M_e D^3} (3\cos 2\theta+1) . 其中 {\displaystyle m} 是造成潮汐的天体质量, {\displaystyle M} 为地球质量, {\displaystyle R} 为地球半径, {\displaystyle D} 为地球到天体的距离, {\displaystyle \theta } 是该地点与地心的连线与地心--天体连线的夹角。由此公式计算出月球产生的最大潮汐高度为40厘米,太阳引发的潮汐高度为16厘米。 其随位置(角度)变化图示如下 上面的公式里有个精确的整数2。这意味着每天要涨两次潮。一次是正对月亮,明月当空,一次是当月亮在地球的背面。
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分享 《地心引力》令中宣部汗颜
热度 5 岳东晓 2013-12-26 03:48
老美确实有商业头脑:电影《地心引力》(Gravity)靠神舟飞船返回。好莱坞耗费巨资的这个大片无疑将提升汉人在全球的技术种族地位(注一),不但迎合、满足汉人提升种族地位的心理需求,而且让全球喜欢娱乐的劳动人民明白一点,汉人是唯一能进行载人航天的非白人种族(注二)。这个提升汉人技术种族地位的效果中宣部、文化部就是耗费10倍的钱也是做不到的。 于是, 《地心引力》 中国大陆票房连续稳居第一,是第二名的两倍。为什么?不但电影3D技术一流,汉人观众看得也过瘾,就像抗日神剧一直风靡一样。中国人民有钱了,但光有钱是不行的,有钱还是可能被人认为是孬种爆发户。张学良家胡子出身,有的是钱、有的是武器,但日本人根本把他当成胡子出身的草包孬种。果然,两万日兵就把张学良30万东北军给简单灭了,如果张学良不是比兔子跑得还快,一个日本最底层的倭兵就能把他踩在脚下让他叫大爷。日本人用事实证明张学良的孬种。所以光有钱有势有女人是不行的。中国人民现在需要的是地位与尊重,让世界人民知道今天的汉人跟南京大屠杀时的汉人不同了。而民族地位的来源一是基因性能得到公认--也就是世界劳动人民承认你种还行,二是侵犯汉民族的得到应有惩处--也就是世界劳动人民承认你还有种。这两点要实现还有一定距离,文艺则能够提供这个娱乐服务,提前享受。 抗日神剧虽然充满痛打日本人的镜头,但战场在中国,属于被动防守,目前没有任何抗日剧敢于表现中国深入倭地屠倭的镜头---估计这种片子就算有,也会被那些亲日或者恐日的审查官给压制了。好莱坞真正做到了 文艺为人民服务(注三)。 这就是美国人跟倭寇的不同,美国人追求双赢,而倭寇则是邪恶地时刻准备破坏与掠夺。 注一:为什么种族地位重要?当年手无寸铁的洋人拉贝在南京仅靠他一张洋人的脸就威慑了日本鬼子,保护了25万汉人不被日本人杀害。这就是种族地位的作用。 注二:好莱坞还夸大了汉人的技术能力,把中国计划中的但还没有实现的空间站提前给你拍出来了,但世界劳动人民大部分是不会去质疑这一点的,他们大多迷信好莱坞 注三:针对《地心引力》是否在讨好中国的疑问,该片导演表示绝无巴结中国观众的企图,他完全是反映目前空间技术现状
个人分类: 地缘政治|6471 次阅读|4 个评论

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