2019年1月3日， 中国的“嫦娥四号”探测器成功的在月球背面登陆，它携带的月球探测车“玉兔二号”也开始了正常的工作，这是人类历史上第一次在月球背面实现软着陆，揭开了人类探索月球的新的篇章。

图片发自简书App

嫦娥四号探测器

月球在围绕地球公转时，也在自转。在恒星参考系下，月球公转时间是27.32天，自转周期同样也是27.32天，于是，月球总是一面朝着地球。

月球一面朝向地球

也正因为如此，千百年来，月球的背面对人类十分神秘。直到近代，人类发射了许多的人造卫星，才终于揭开了月球背面神秘的面纱。

月球的正面与背面

那么，为什么月球的自转周期和公转周期严格相等呢？潮汐又是如何形成的呢？

1、惯性离心力

力是物体之间的相互作用，需要有施力物体和受力物体，比如重力、摩擦力、弹力、电磁力等都是真实存在的力。但是，有时候为了数学处理的方便，我们会引入一些虚拟的力，它们不存在，但是引入之后会使问题的讨论变得十分方便，惯性离心力就是这样一种力。

我们都有过这样的经历：在公交车上，如果公交车向左转弯，我们的身子会不由自主的向右歪。在游乐场里有种类似旋转秋千的设施，一旦转动起来，人就会飞到空中，这些都可以看做惯性离心力的作用。

惯性离心力作用下人向外偏

我们可以设计这样的一个模型来说明惯性离心力：有一个匀速旋转的圆盘，上方固定了一个小球。原本小球和圆盘一起旋转，但是某个时刻，小球和圆盘的连接突然断掉了。此后，圆盘会继续旋转，但是小球会凭借惯性做匀速直线运动。

惯性离心力的来源

此时如果我们站在圆盘上看，就会觉得小球离中心点越来越远，好像有一种力正在拉着小球向外运动，我们可以把这种力叫做惯性离心力。

经过物理学的推导，惯性离心力的公式为：

其中m表示物体的质量，r表示物体到旋转圆心的距离，而ω称为角速度，表示物体旋转的快慢，它的大小等于2π与旋转周期的比。从公式可以看出：物体的质量越大，距离中心越远，旋转的越快，那么惯性离心力就越大。

2、潮汐

利用惯性离心力，我们就可以方便的解释潮汐了。

我们知道：地球时刻受到太阳的万有引力作用，同时地球在围绕太阳做圆周运动，因此还受到了惯性离心力。

有引力和惯性离心力

万有引力的大小为

其中G是万有引力常数，M和m分别是太阳和地球的质量，r是太阳和地球的距离。容易看出：万有引力是随着距离的增大而减小的。

另一方面，如前所述，离心力的大小为

离心力是随着距离的增大而增大的。

在地球中心O的位置，这两个力刚好等大反向，合力为零，因此地球的公转半径几乎不变，既不会靠近太阳，也不会远离太阳。

不过，在地球的表面上情况并不是这样。如果有一个物体在地面上靠近太阳的A点，由于距离太阳近，因此万有引力变大，离心力变小，万有引力和离心力的合力指向太阳。类似的，在地面上远离太阳的B点，物体所受的万有引力变小，离心力变大，合力背离太阳。这里A点和B点所受的合力称为引潮力，是背离地球的。

万有引力和惯性离心力大小不同

地面上有一种非常容易流动的物体：水。由于刚才所述的原因，A点和B点的水都会受到最大的引潮力作用，这会使水面拱起，形成涨潮。同时，水会向A点和B点流动，而在地面上另外两个位置C和D，水面就会下降，形成落潮。这种因为太阳造成的涨潮和落潮称为太阳潮。

太阳潮

与太阳潮类似，月球对地球的吸引力和惯性离心力的合力就是月球的引潮力，而且由于月球距离地球更近，月球的引潮力比太阳更大。在地球朝向月亮的一侧和背离月亮的一侧，会形成月亮潮的涨潮，这种潮水称为太阴潮。

在农历初一（朔）和农历十五（望）的时候，太阳、地球、月球在一条直线上，此时太阳潮和太阴潮的涨潮相互叠加，就会形成大潮。但如果太阳-地球、地球-月球连线相互垂直，就会造成太阳潮和太阴潮相互抵消，形成小潮。

太阳潮和太阴潮叠加

虽然从理论上讲大潮的日子都应该是农历初一和十五、十六，但是由于地球地形等因素的影响，各地大潮的时间稍有不同，例如钱塘江大潮就是在每个月的初三和十八最为壮观。

钱塘江大潮

3、潮汐锁定

理解了离心力和潮汐的原理，我们终于可以解释为什么月球总是一面朝着地球了，我们称之为潮汐锁定。

不光月球对地球有引潮力，地球对月球同样有引潮力。但是月球表面上却没有水，所以也没办法形成潮汐。不过，在引潮力的作用下，经过漫长的岁月，月球上的岩石也会发生流动，月球朝向地球和背离地球的两侧会被拉长，月球变成了椭球体。

潮汐力作用下月球被拉长

月球围绕地球转动的过程中，月球的长轴一直朝向地球。这是因为：假如月球转动过程中自转周期与公转周期不严格相等，造成长轴方向偏离了月地连线，引潮力就会及时纠正月球的姿势：A点的引潮力指向地球，B点的引潮力背离地球，两个力不共线，造成月球转动，直到月球的长轴指向地球，两个引潮力共线抵消为止。

引潮力对月球的作用

就是在引潮力的作用下，经过十分漫长的过程，月球被地球锁定了，所以它只能一面朝着地球。

也许有小朋友要问：既然月球被地球锁定了，地球为什么没有被月球锁定呢？这是因为地球的质量要比月球大很多，锁定地球需要经过更加漫长的时间。其实，由于引潮力的原因，地球的自转周期的确在变大，也就是一天的时间越来越长。再经过几十亿年，地球也会被月球锁定，到了那个时候，地球的一天和一个月就是同样的时间了。

宇宙中有许多质量较小的星球，现在已经完成了相互锁定。例如冥王星和它的卫星卡戎，它们就是彼此锁定的：两颗星球彼此面对面，围绕共同的中心旋转。宛如一对彼此相思，却不能在一起的恋人。

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