2019年1月3日， 中國(guó)的“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器成功的在月球背面登陸，它攜帶的月球探測(cè)車(chē)“玉兔二號(hào)”也開(kāi)始了正常的工作，這是人類(lèi)歷史上第一次在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸，揭開(kāi)了人類(lèi)探索月球的新的篇章。

月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)，也在自轉(zhuǎn)。在恒星參考系下，月球公轉(zhuǎn)時(shí)間是27.32天，自轉(zhuǎn)周期同樣也是27.32天，于是，月球總是一面朝著地球。

也正因?yàn)槿绱?，千百年?lái)，月球的背面對(duì)人類(lèi)十分神秘。直到近代，人類(lèi)發(fā)射了許多的人造衛(wèi)星，才終于揭開(kāi)了月球背面神秘的面紗。

那么，為什么月球的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期嚴(yán)格相等呢？潮汐又是如何形成的呢？

1、慣性離心力

力是物體之間的相互作用，需要有施力物體和受力物體，比如重力、摩擦力、彈力、電磁力等都是真實(shí)存在的力。但是，有時(shí)候?yàn)榱藬?shù)學(xué)處理的方便，我們會(huì)引入一些虛擬的力，它們不存在，但是引入之后會(huì)使問(wèn)題的討論變得十分方便，慣性離心力就是這樣一種力。

我們都有過(guò)這樣的經(jīng)歷：在公交車(chē)上，如果公交車(chē)向左轉(zhuǎn)彎，我們的身子會(huì)不由自主的向右歪。在游樂(lè)場(chǎng)里有種類(lèi)似旋轉(zhuǎn)秋千的設(shè)施，一旦轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，人就會(huì)飛到空中，這些都可以看做慣性離心力的作用。

我們可以設(shè)計(jì)這樣的一個(gè)模型來(lái)說(shuō)明慣性離心力：有一個(gè)勻速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)，上方固定了一個(gè)小球。原本小球和圓盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，但是某個(gè)時(shí)刻，小球和圓盤(pán)的連接突然斷掉了。此后，圓盤(pán)會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但是小球會(huì)憑借慣性做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)如果我們站在圓盤(pán)上看，就會(huì)覺(jué)得小球離中心點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)，好像有一種力正在拉著小球向外運(yùn)動(dòng)，我們可以把這種力叫做慣性離心力。

經(jīng)過(guò)物理學(xué)的推導(dǎo)，慣性離心力的公式為：

其中m表示物體的質(zhì)量，r表示物體到旋轉(zhuǎn)圓心的距離，而ω稱為角速度，表示物體旋轉(zhuǎn)的快慢，它的大小等于2π與旋轉(zhuǎn)周期的比。從公式可以看出：物體的質(zhì)量越大，距離中心越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)的越快，那么慣性離心力就越大。

2、潮汐

利用慣性離心力，我們就可以方便的解釋潮汐了。

我們知道：地球時(shí)刻受到太陽(yáng)的萬(wàn)有引力作用，同時(shí)地球在圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，因此還受到了慣性離心力。

萬(wàn)有引力的大小為

其中G是萬(wàn)有引力常數(shù)，M和m分別是太陽(yáng)和地球的質(zhì)量，r是太陽(yáng)和地球的距離。容易看出：萬(wàn)有引力是隨著距離的增大而減小的。

另一方面，如前所述，離心力的大小為

離心力是隨著距離的增大而增大的。

在地球中心O的位置，這兩個(gè)力剛好等大反向，合力為零，因此地球的公轉(zhuǎn)半徑幾乎不變，既不會(huì)靠近太陽(yáng)，也不會(huì)遠(yuǎn)離太陽(yáng)。

不過(guò)，在地球的表面上情況并不是這樣。如果有一個(gè)物體在地面上靠近太陽(yáng)的A點(diǎn)，由于距離太陽(yáng)近，因此萬(wàn)有引力變大，離心力變小，萬(wàn)有引力和離心力的合力指向太陽(yáng)。類(lèi)似的，在地面上遠(yuǎn)離太陽(yáng)的B點(diǎn)，物體所受的萬(wàn)有引力變小，離心力變大，合力背離太陽(yáng)。這里A點(diǎn)和B點(diǎn)所受的合力稱為引潮力，是背離地球的。

地面上有一種非常容易流動(dòng)的物體：水。由于剛才所述的原因，A點(diǎn)和B點(diǎn)的水都會(huì)受到最大的引潮力作用，這會(huì)使水面拱起，形成漲潮。同時(shí)，水會(huì)向A點(diǎn)和B點(diǎn)流動(dòng)，而在地面上另外兩個(gè)位置C和D，水面就會(huì)下降，形成落潮。這種因?yàn)樘?yáng)造成的漲潮和落潮稱為太陽(yáng)潮。

與太陽(yáng)潮類(lèi)似，月球?qū)Φ厍虻奈蛻T性離心力的合力就是月球的引潮力，而且由于月球距離地球更近，月球的引潮力比太陽(yáng)更大。在地球朝向月亮的一側(cè)和背離月亮的一側(cè)，會(huì)形成月亮潮的漲潮，這種潮水稱為太陰潮。

在農(nóng)歷初一（朔）和農(nóng)歷十五（望）的時(shí)候，太陽(yáng)、地球、月球在一條直線上，此時(shí)太陽(yáng)潮和太陰潮的漲潮相互疊加，就會(huì)形成大潮。但如果太陽(yáng)-地球、地球-月球連線相互垂直，就會(huì)造成太陽(yáng)潮和太陰潮相互抵消，形成小潮。

雖然從理論上講大潮的日子都應(yīng)該是農(nóng)歷初一和十五、十六，但是由于地球地形等因素的影響，各地大潮的時(shí)間稍有不同，例如錢(qián)塘江大潮就是在每個(gè)月的初三和十八最為壯觀。

3、潮汐鎖定

理解了離心力和潮汐的原理，我們終于可以解釋為什么月球總是一面朝著地球了，我們稱之為潮汐鎖定。

不光月球?qū)Φ厍蛴幸绷?，地球?qū)υ虑蛲瑯佑幸绷Α５窃虑虮砻嫔蠀s沒(méi)有水，所以也沒(méi)辦法形成潮汐。不過(guò)，在引潮力的作用下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，月球上的巖石也會(huì)發(fā)生流動(dòng)，月球朝向地球和背離地球的兩側(cè)會(huì)被拉長(zhǎng)，月球變成了橢球體。

月球圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，月球的長(zhǎng)軸一直朝向地球。這是因?yàn)椋杭偃缭虑蜣D(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期不嚴(yán)格相等，造成長(zhǎng)軸方向偏離了月地連線，引潮力就會(huì)及時(shí)糾正月球的姿勢(shì)：A點(diǎn)的引潮力指向地球，B點(diǎn)的引潮力背離地球，兩個(gè)力不共線，造成月球轉(zhuǎn)動(dòng)，直到月球的長(zhǎng)軸指向地球，兩個(gè)引潮力共線抵消為止。

就是在引潮力的作用下，經(jīng)過(guò)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，月球被地球鎖定了，所以它只能一面朝著地球。

也許有小朋友要問(wèn)：既然月球被地球鎖定了，地球?yàn)槭裁礇](méi)有被月球鎖定呢？這是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量要比月球大很多，鎖定地球需要經(jīng)過(guò)更加漫長(zhǎng)的時(shí)間。其實(shí)，由于引潮力的原因，地球的自轉(zhuǎn)周期的確在變大，也就是一天的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。再經(jīng)過(guò)幾十億年，地球也會(huì)被月球鎖定，到了那個(gè)時(shí)候，地球的一天和一個(gè)月就是同樣的時(shí)間了。

宇宙中有許多質(zhì)量較小的星球，現(xiàn)在已經(jīng)完成了相互鎖定。例如冥王星和它的衛(wèi)星卡戎，它們就是彼此鎖定的：兩顆星球彼此面對(duì)面，圍繞共同的中心旋轉(zhuǎn)。宛如一對(duì)彼此相思，卻不能在一起的戀人。

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