Siła pływowa

Siły pływowe, ciało wywołujące je jest z prawej strony

Siły pływowe w otoczeniu ciała, ciało wywołujące siłę znajduje się poniżej rysunku

Siła pływowa – siła działająca na ciało rozciągłe znajdujące się w polu sił o różnej wartości lub kierunku w różnych punktach ciała. Najczęściej kojarzona z polem grawitacyjnym.

Siła pływowa pojawia się wtedy, gdy siła grawitacji zmienia się znacznie na długości ciała. Część ciała, znajdująca się bliżej źródła siły (najczęściej jakiegoś ciała niebieskiego – gwiazdy, planety, księżyca, czarnej dziury itp.), jest przyciągana znacznie silniej, niż część ciała bardziej odległa od źródła siły.

Odpowiada za różnorodne zjawiska, w tym pływy morskie i atmosferyczne, obrót synchroniczny ciał niebieskich, tworzenie systemów pierścieni planetarnych, rozciąganie ciał, w skrajnych przypadkach przechwytywanie atmosfery i rozpad ciał niebieskich gdy znajdą się blisko innych ciał.

Opis matematyczny

Siłę pływową wzdłuż prostej łączącej oba ciała można w przybliżeniu $(r\ll R)$ opisać wzorem:

$F_{t}={\frac {2GMmr}{R^{3}}},$

Największą wartość siła pływowa osiąga gdy ciała maksymalnie zbliżą się. Przy powyższych założeniach $(r\ll R),$ odpowiadających zbliżeniu niewielkiego ciała do dużego, odległość ciał jest niewiele większa od promienia dużego ciała, przyjmuje postać:

$F_{max}={\frac {2GMmr}{R_{d}^{3}}}={\frac {8}{3}}\pi G\rho _{d}mr$

gdzie:

$G$ – stała grawitacyjna,

$M$ – masa ciała wytwarzającego pole,

$m$ – masa ciała podlegającego sile pływowej,

$R$ – odległość między środkami ciał,

$R_{d}$ – promień ciała wywołującego siłę pływową,

$r$ – odległość od środka ciała podlegającego sile pływowej, dla punktu znajdującego się na powierzchni ciała równa jest promieniowi ciała,

$\rho _{d}$ – gęstość ciała wywołującego siłę pływową.

Siła pływowa zmienia się bardzo szybko (sześciennie) wraz z odległością, najsilniej działa przy względnie niewielkich odległościach od ciał o dużej gęstości. Siła wzrasta liniowo wraz z odległością od środka ciała (r w liczniku), co np. sprawia, że siły pływowe działają silnie na atmosfery ciał, co przy zbliżeniu się ciał (Granica Roche’a) prowadzi do porwania atmosfery ciała o mniejszej gęstości przez ciało o większej masie lub gęstości np. w układach kataklizmicznych.

Przykłady działania sił pływowych

Rozerwana przez Jowisza kometa Shoemaker-Levy 9

Miejscem największego działania sił pływowych jest najbliższe otoczenie czarnej dziury. Każde ciało znajdujące się w jej pobliżu prędzej czy później powinno zostać rozerwane na drobne części, teoretycznie nawet cząstki.

Podobny efekt może wystąpić w pobliżu gwiazd neutronowych, które także mają bardzo dużą gęstość.

Kometa Shoemaker-Levy 9 zbliżając się do Jowisza została rozerwana przez siły pływowe. Fragmenty znajdujące się bliżej planety spadły z większym przyspieszeniem niż te bardziej od niej odległe.

Mniej ekstremalnym przykładem są pierścienie Saturna. Siły pływowe powstrzymują materiał w nich zawarty przed uformowaniem się w księżyce pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego cząstek.

Najbardziej nam znanym efektem działania sił pływowych są pływy morskie. Są one spowodowane przyciąganiem Księżyca (w mniejszym stopniu także Słońca) i ruchem obrotowym Ziemi. Oceany po stronie, po której znajduje się Księżyc oraz przeciwnej wybrzuszają się wzdłuż osi Ziemia-Księżyc.

Wewnątrz ciała podlegającego sile pływowej powstaje tarcie pływowe. Powoduje ono utratę energii kinetycznej i generuje ciepło. Dzięki niemu, na księżycu Jowisza Io występuje olbrzymia aktywność wulkaniczna; na dużo mniejszym lodowym księżycu Saturna, Enceladusie, współcześnie czynne są gejzery.

Utrata energii kinetycznej z powodu tarcia pływowego oraz odkształcenie pływowe Księżyca są przyczynami obrotu synchronicznego, co oznacza, że jest on zawsze obrócony tą samą stroną do Ziemi.

Zobacz też

• granica Roche’a