Podczas wykładów popularyzujących naukę, które kiedyś prowadziłem, zwróciłem uwagę na wiele prostych fizycznych faktów, które są źle, bądź opacznie rozumiane przez wielu ludzi. Jednym z nich jest zagadnienie pływów.
Skąd biorą się przypływy i odpływy? Prawie każdy słusznie odpowie, że związane jest to z grawitacyjnym przyciąganiem Księżyca i Słońca. Jednak na tym prawdziwym stwierdzeniu zazwyczaj wiedza się kończy, a dalej jest już niezrozumienie. Wystarczy zaprezentować taki schematyczny obrazek pływów:
a indagowany rozmówca stwierdza, że chyba coś jest nie tak. Bo skoro Księżyc przyciąga wodę, to cała powinna zgromadzić się w górnej części schematu tj. od strony Księżyca. Co powoduje symetryczną wypukłość po drugiej stronie?
No i tutaj przechodzimy do sedna niezrozumienia problemu. Grawitacja nie wybiera. Grawitacja w pewnym sensie przyciąga wszystko równo. Zarówno ziemię, wodę, jak i człowieka. Przypomnijmy szkolne wzory:
Siła grawitacji F jest proporcjonalna do iloczynu mas dwóch ciał, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
To jednak nie siła jest tutaj istotna, lecz przyspieszenie, bo to ono powoduje ruch:
Podstawiając F, masa pierwsza się skraca i otrzymujemy szkolny wzór na przyspieszenie dowolnego obiektu w polu grawitacyjnym innego:
Dzięki pilnowaniu indeksów wiemy, że przyspieszenie ciała pierwszego zależy tylko od masy ciała drugiego i od odległości między nimi. To stąd bierze się prawdziwe (choć przyjmowanie czasem z niedowierzaniem) twierdzenie, że na Ziemi wszystkie ciała (w próżni) spadają z taką samą prędkością — niezależnie od ich masy.
Dzięki temu prostemu wzorowi możemy np. obliczyć masę Słońca (wystarczy znać parametry orbity dowolnej z planet). Z planetami jest już trudniej. Np. masy Merkurego bądź Wenus nie obliczymy, gdyż planeta o dowolnej masie położona na danej orbicie będzie zachowywać się tak samo (spada z tą samą prędkością). Łatwiej przyjdzie nam np. z Marsem, gdyż ten ma księżyce.
A właśnie wracając do Księżyca i sił pływowych. Możemy więc przyjąć, że przyspieszenie działające na każdy atom naszej planety jest takie samo. Ale to tylko przybliżenie, gdyż zmienia się przecież odległość r. Niektóre atomy będą nieco bliżej Księżyca, a inne nieco dalej. Te, które są bliżej, będą silniej przyciągane, niż te położone dalej, a więc cała Ziemia wraz z jej oceanami będzie poddana rozciąganiu. I na tym właśnie polegają siły pływowe. Na różnicy przyspieszeń, która powoduje rozciąganie całego obiektu.
Do całego zagadnienia dochodzi kolejny proces tj. rotacja Ziemi. Ponieważ planeta obraca się wokół własnej osi, pływy przesuwają się geograficznie zgodnie z ruchem Księżyca (a także Słońca) na niebie. Ten proces zmiany poziomu oceanów można wykorzystać i wykorzystuje się do napędzania elektrowni opartych na pływach:
Tutaj pojawia się refleksja. Czy jest to niewyczerpane źródło energii? Oczywiście fizyka nie do puszcza takiej możliwości. Jeśli my energię zyskujemy, to ktoś musi tę energię tracić. Kosztem czego odbywają się ruchy pływowe? Oczywiście kosztem rotacji Ziemi. Na skutek przypływów i odpływów, a więc energii traconej m.in. na skutek tarć tych ogromnych mas wody Ziemia rotuje coraz wolniej, a doba wydłuża się.
Ziemia nie jest zresztą tutaj odosobnionym przypadkiem. Czy nigdy nie zastanawiało państwa, dlaczego Księżyc jest zwrócony w naszym kierunku zawsze tą samą stroną? Przypadek? Niemożliwe, w naturze takie przypadki się nie zdarzają. Księżyc na pewno rotował kiedyś znacznie szybciej i na skutek sił pływowych wytracił tę energię rotacji do poziomu, przy którym pływy nie mają już żadnego efektu. Jak to jednak możliwe skoro Księżyc nie ma oceanów? Nie ma takiej potrzeby. Księżyc nie jest ciałem idealnie sztywnym, siły pływowe powodowały naprężenia w jego skorupie, to powodowało tarcie i energia rotacji powoli znikała. Ponieważ teraz Księżyc jest zwrócony jedną stroną do Ziemi, jest on przez siły pływowe w tym jednym kierunku rozciągnięty na stałe i żadnych tarć już nie ma.
Czy jakieś inne obiekty astronomiczne podlegają zjawisku oddziaływań pływowych? Oczywiście tak. Przykładem mogą być zwarte układy gwiazd podwójnych. Takie gwiazdy będą wyraźnie rozciągnięte, a w pewnych przypadkach możliwe jest nawet wyrywanie materii z jednej z nich i przepływ do drugiej.
Takich gwiazd oczywiście nie potrafimy rozdzielić w teleskopie, są zbyt blisko siebie, ale przy korzystnej konfiguracji, tak jak na animacji powyżej, możemy obserwować zmiany jasności układu na skutek przesłaniania jednego składnika przez drugi. Głębsze minimum obserwujemy wtedy, gdy zimniejsza gwiazda przesłania jaśniejszą.
Jeszcze innymi obiektami podlegającymi silnym oddziaływaniom pływowym są całe galaktyki. Galaktyka nie jest obiektem zwartym, więc wyrywanie z nich pojedynczych gwiazd jest względnie proste.
Mniejsza galaktyka karłowata orbitująca wokół masywnej galaktyki spiralnej traci gwiazdy na skutek sił pływowych. Gwiazdy te podążają własnymi orbitami tworząc rozległe ogony pływowe.
Podobnie jak galaktyki, siły pływowe dążą np. do rozrywania komet. Sztandarowym przykładem takiego zdarzenia był rozpad na skutek oddziaływania Jowisza komety Schoemaker-Levy 9,
która następnie spadła na planetę.
Z grawitacją w kosmosie nie można więc igrać, a oddziaływania pływowe, biorące się z różnicy sił działających na różne części tego samego obiektu, mogą mieć od zastosowań czysto praktycznych, po nawet katastrofalne skutki.
Komentarze