潮汐作用的原理是啥？

如果你经常看月亮，你会发现，无论月亮的圆缺变化进行到了什么阶段，月面上的暗轮廓的相对位置总是不变的：

换句话说：月球总是以同一面朝着地球。只要月球绕地球公转周期等于月球自转周期且两者旋转方向相同，月球就会永远以相同的一面朝着我们。

这种现象就叫“潮汐锁定”。那么，潮汐锁定的原理到底是啥？

在我们的脑海里，地球、月亮、火星……这些天体应该都是“很硬”的球，形状不会改变。但要理解潮汐作用，我们就要抛弃掉这种思想，把天体想象成富有弹性的、“柔软”的球——就像我们平常玩的足球、篮球一样。这意味着，天体可以在外力的作用下发生变形。对于大部分天体来说，这个“外力”就是引力。

我们先来讨论月球的情况，不考虑太阳对月球的引力，只考虑地球对月球的引力。那么，地球引力会对月球造成什么后果呢？

在高中我们利用万有引力定律解题时，都是把天体看成一个“质点”——即忽略天体的大小，一律只看成一个点。但是，在分析潮汐作用时，天体的大小就不能忽略掉。

在图中我们可以看到，月球上不同的部位与地球的距离是不一样的，这意味着月球不同部位所受到的地球引力不同，面向地球的部分受到的引力稍大，而背向地球部分受到的引力稍小。面向地球的部分因为受力大而“凸起”，这很容易理解。那么背向地球的一面为什么也会凸起来呢？原来，月球由于自转和公转都会分别产生离心力，在背向地球的一面离心力的方向是与引力方向相反的。这一面由于所受地球引力较小，离心力占了上风，因此背面也会被“拉长”。

这种把月球“拉扁”的合力就叫引潮力。地球对月球的引潮力实际上是由地球引力、月球引力、月球自转离心力、月球公转离心力等因素综合起来的结果。

在上图所示的情况，就是月球自转周期等于公转时周期的情况。那么，假如在月球形成初期，月球的自转角速度大于月球公转角速度，这时又会发生什么情况呢？

若月球自转速度较快，由于月球的形变会稍微滞后一些，这个椭球体的长轴就会向着自转方向偏移，此时月球的“最凸起”的位置不是正指向地球中心。自转角速度相比公转角速度越快，这个偏移量越大。因此，面向地球部分所受的引力将与背向地球的部分的引力不共线，两个力综合在一起就形成了一个扭矩，这个扭矩与月球自转方向相反，会一直阻碍月球自转，直到月球自转角速度降低到与公转角速度相等。

此外，由于月球不断形变，月球内部的岩石也在发生摩擦，从而消耗动能。

实际上作用到月球的潮汐力是很小的，月球也不会像图中一样发生如此明显的变形。但是经过了数十亿年的累积之后，如此微小的潮汐作用也足以产生明显的效果，将月球自转速度“锁住”。

既然地球对月球有潮汐力，那么月球对地球有没有这种效应呢？答案是肯定的。在月球对地球的引力、地球自身引力以及地球自转产生的离心力之间的综合作用下，地球每天都会发生涨潮与落潮现象，这就是“引潮力”的名称的由来。月球对地球的潮汐作用会减慢地球的自转：

由于地球自转角速度大于月球公转角速度，月球会给地球一个阻碍地球自转的扭矩。此外，由于海水摩擦、地球内部岩层摩擦等现象，部分地球的动能也会被消耗。科学家已经有充足的证据显示，在很久很久以前地球上的一天是短于24小时的。观测和推算表明，现在大约每过一世纪，一昼夜平均就要加长0.001秒。

根据作用力与反作用力互相存在的原理，月球给了地球减慢其自转的作用力，地球也会给月球一个趋向于加快其公转速度的力。速度加快产生的离心作用使得月球不断远离地球。换句话说就是：地球将自转的动能传递给了月球。（如果了解过角动量守恒定理会更易理解：地球减小的角动量必须由月球增大公转半径以增加角动量来弥补）。根据测算，月球正在以平均每年约4厘米的速度远离地球。

由此可见，天体之间的受力情况是多么的复杂！我们分析的已经是简化的情况。实际上由于太阳引力、月球轨道复杂性等诸多因素的影响，月球向着地球的一面是会有轻微的摆动的。让我们来看看一个浓缩在几秒里的朔望月周期：

可以看到，月球仿佛一个天平一样发生了轻微的摆动。这就是有名的“天平动”现象。