为什么某些卫星的自转周期等于其轨道周期？

我们的卫星和土星的卫星泰坦（Titan）具有此功能。因此，我们只能观察到月亮的一侧（半边形）。为什么是这样？牛顿或天体物理学能解释什么？似乎随着时间的流逝会达到某种平衡，但我不明白。

答案当然是潮汐力，但这并不能解释潮汐力如何导致潮汐锁定的确切机制，即，由于旋转速度和公转，一个绕着轨道运行的物体显示出与中央物体相同的面率相等。我将使用Earth-Moon系统来描述这种机制，因此我可以进行具体说明，但它同样适用于任何系统。

首先，潮汐力是横跨身体分布质量的重力差的结果。月亮不是点质量，它具有扩展的大小。地球在月球上的引力取决于距离（任何事物的引力也一样）。这意味着在月球面向地球的一侧，重力更强，并且当您穿过月球到达与地球相对的一侧时，重力变得更弱。这意味着月亮的面向地球的一面被拉得越来越近，而与地球相对的一面虽然仍然被拉向地球，却没有被拉得那么紧或近。最终，这导致月球变形这样它变得略微扁圆并向地球方向伸展。表面的这种弯曲称为潮汐。

现在，让我们假设月球目前还没有被潮汐锁定在地球上，实际上它的自旋速度比它的轨道快。地球在月球上引起潮汐，月球在其轴上旋转。潮汐力是由潮汐力引起的，因此希望与潮汐线保持一致，因为这就是施加潮汐力的方向。但是，使月球变形需要时间和大量精力。月亮变形后，它将旋转并尝试将潮汐变形拉到一起，从而有效地将潮汐凸起移动到地月线之前。地球仍沿那条月亮月亮线施加潮汐力，试图将潮汐凸起拉回原位。这种恒定的力试图将潮汐向后拉（如果月球旋转太慢，则向前推），以便传递动量来减慢月球的速度（如果太慢，则再次加速）。这里的主要观点是潮汐锁定是一种平衡状态，因为如果月球旋转得太慢或太快，地球试图将潮汐凸起拉入地月线将改变月球的旋转速率，直到潮汐变为潮汐。锁定。一旦潮汐锁定，潮汐隆起将始终沿地月线，并且该力将消失。试图将潮汐凸起拉入地月线的地球会改变月球的旋转速度，直到潮汐被潮汐锁定。一旦潮汐锁定，潮汐隆起将始终沿地月线，并且该力将消失。试图将潮汐凸起拉入地月线的地球会改变月球的旋转速度，直到潮汐被潮汐锁定。一旦潮汐锁定，潮汐隆起将始终沿地月线，并且该力将消失。

但这大约涵盖了答案的一半。当试图将月球锁定在地球上时，您必须考虑两个时间段。在上一段中讨论的第一个是月亮绕其轴的旋转时间。另一个是月球绕地球旋转的时间。两者必须匹配。上一段描述了月球绕其轴的旋转时间如何受到影响，但是还有一种方法可以影响月球绕地球旋转的时间。幸运的是，这是通过与上述几乎相同的机制实现的。实际上，月球还会在地球上引起潮汐凸起，并且由于地球正在旋转，所以这些潮汐凸起不会与地月线直接对齐。地球上未对齐的潮汐凸起将能量传递到月球的轨道速度，导致其加速或减速。顺便说一句，通过保持角动量，这必然导致月球以很小但持续的速度从我们身上漂移。

总而言之，潮汐力会引起潮汐锁定，但它会在很长一段时间内通过复杂而缓慢的力发生，从而影响月球的轨道速度和自转速度，直到找到平衡为止。这种平衡是潮汐锁定。

简单的答案是：潮汐力，这是重力的次要作用。就像月球在地球上引起海洋涨潮一样，地球对月球也有类似的影响。

力的起源相同，但是由于地球的质量，其力量要大得多。这些潮汐力在月球的自转上产生扭矩，这就是为什么它只向地球显示相同的面孔。

有趣的是，由于潮汐力的作用，冥王星和唯一的月亮Charon在他们的轨道上只露出一张脸。潮汐力也正在减慢地球的自转。