如果像木星这样的大型物体飞越地球,它需要多近距离才能将人们拉离地面?


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我知道这是一个愚蠢的假设,但我要求的是7岁的孩子,所以请多多包涵。

想象一下,一个星际杂散气体巨人飞过我们的太阳系。

如果我们不担心它也会窃取我们的大气并制造破坏一切的潮汐力量……需要接近多大的力量才能将人们抬离地面并将其拉入自己的轨道?


10
现在的问题是一个相当小体(如小而致密的月亮甚至更好,一个小黑洞),其重力场附近比地球强,但远太弱吸地球的更有趣。
彼得-恢复莫妮卡

5
@Chappo利用其引力场的不均匀性,不是相同质量而是更小质量,并且更接近质量。想象一下,我们上方10公里处有一个黑洞,向我们施加了1克重量。(它的质量将比木星的质量小得多。)距离地球12000公里的另一端,只会经历(12000/10)^ 2〜1.4E-6 g,即几乎没有吸引力。也就是说黑洞在飞过9公里的距离将我们吸起来,而一些地壳上部1公里。
彼得-

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我认为,如果您写信给what-if.xkcd.com,可能会得到更多“有趣”的答案。
Barmar

4
@Barmar:假设它仍然很活跃-至少几个月前的最后一篇文章。
肖恩

8
这是超越身体的罗氏极限的确切定义。
洛伦·佩希特尔

Answers:


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TL:DR木星的密度不足以使其重力梯度在地球半径范围内产生1g的潮汐加速度,即使在木星表面也是如此。

感谢PeterCordes


木星的引力将拉动地球本身以及地球上的一切。

它不像是一种真空吸尘器,它可以选择性地提起轻巧的小物体,重力会随每个物体的质量而变化;如果地球比我们大十亿倍,那么木星的引力也将大十亿倍。

这意味着地球将向木星加速,我们将与之一起加速,因此我们不会像人们所怀疑的那样强烈地“拖拉”。

相反,让我们考虑一下地球的大小,以及近端人比木星质心更靠近木星,而远端人将更远的事实。

由于距离木星较近的人会感觉到比地球重心稍强的加速度,因此他们会感到很平缓的牵引力。我们将在一分钟内进行计算。

但是,不管您相信与否,位于地球另一端的人们感觉拖船的感觉比地球的质心少,他们会相信他们正朝着相反的方向被拉!它们并不会真正脱离木星,但它们不会像地球一样快地向木星加速,因此感觉就像被击退了一样。

这种力称为潮汐力,这是该概念经常使用的图形:

在此处输入图片说明 来源将“卫星”替换为“木星”

我们由于重力而感觉到的加速度表示为

aG=GMr2

G6.674×1011

5.972×10+24

如果木星在114,000,000米或114,000公里之外,则地球向其加速的速度为1 g,但是近端和远端的人的加速度却大不相同。在较近的一侧,距离较近6,378公里,会感觉到加速度增加了1.2 m / s ^ 2,因此他们会感到重量减轻了12%。而且远方的人也会感到轻了大约相同的数量,因为他们感觉到的加速度比地球小。

如果木星如此之近以至于实际上与地球接触,那么假设地球保持完好无损,它仍然不会脱离地球。但这不会持续很长时间!!!地球将以约20.9 m / s ^ 2的速度向木星加速,而近侧的人会感觉向木星的加速度为24.8,但相对于地球只有3.9 m / s ^ 2,因此不足以克服地球的引力-9.8 m / s ^ 2。

在地球的另一端,它是相似的。朝木星的加速度为17.8 m / s ^ 2,但减去地球的加速度-20.9则为-3.0 m / s ^ 2,但这还不足以克服对地球的吸引力+9.8 m / s ^ 2 2。

当地球接触木星时,我们会感觉到地球近侧的重量减轻了约40%,而地球另一端的重量减轻了31%,但我们不会离开地面。

但是,在短短几分钟内,我们将被深深地吸引到木星中,以至于我们将被木星的内部大气压压碎。

肯定会很有趣,但是不会持续太久!


GMJ/(RE+RJ)2=20.9

5
TL:DR木星的密度不足以使其重力梯度在地球半径上产生1g的潮汐加速度,即使在木星表面也是如此。
彼得·科德斯

1
@PeterCordes比我刚才所说的要好得多,谢谢。请随时进一步编辑答案!
uhoh

1
很高兴我能提供帮助,感谢您完成数学并编写了本书,这是一个有趣的问答。:)我曾考虑过为远方的人们增加“将地球从其下方拉出(甚至比对地+木星的额外拉动要快)”的措词,但我看不到放置它的地方而不是冗余或重写整个块。
Peter Cordes

1
“在近端,距离6378公里,会感觉到加速度降低了1.2 m / s ^ 2” <-1.2 m / s ^ 2 吗?
洛根接机

17

约70,000公里 如果地球绕木星运行(或飞越)更近,那么我们不仅将离开地面,而且整个地球将解体,因为其所有质量也将离开。

70,000 km是木星的罗氏极限(尽管它的实际值根据其他相关物体的不同而有很大差异),潮汐力(已经在uhoh的答案中进行了解释)压倒重力的半径以及任何绕行的物体都无法依靠自身的重量来保持自身。在这种情况下,表面上的人的行为与岩石没有什么不同。

顺便说一句,在youtube视频中也探讨了这种情况。我不会说这很好,但是将Roche限值解释为7岁可能会有所帮助。


5
请注意,70,000公里也恰好是木星的半径,因此行星需要接触。(并且没有“ the” Roche限制;它取决于次要对象(在此示例中为地球)的密度)。
Henning Makholm

5
人们不会被引力束缚在一起,因此处于Roche极限之内不会像行星那样将他们拉开。在这方面,表面上的人的行为确实不同于岩石-一堆砾石被木星的引力井吸起时会分离成单个的卵石,但一个人会保持完整。
核王

17
@NuclearWang但是...人们完全是靠重力束缚在地上的。处于roche限制之内不会使人类分裂,但是我们仍然会像那些鹅卵石一样行动,因为每个人都不会再因重力而粘在地球上。
J ...

6
刚刚的洛希极限内,在@ uhoh的回答数学表明,宽松对象不是字面上扯掉表面。我认为,即使对于完全非刚性的砾石集,该机制也是渐进式的:由于其自身的重力在其他方向上不受影响,因此它将在潮汐力方向上延伸。这会使末端离质心越来越远,并增加了重力梯度的距离。这最终导致其被撕裂,但是快速通过并不会将松散的物体从表面撕掉(特别是对于像地球一样坚硬/粘稠的物体)
彼得·科德斯

4
Rm(2ρM/ρm)1/371493000 * (2 * 1326/5513)^(1/3)

9

240003=20

我们的棕色矮人在银河系中徘徊不定,发现我们的太阳,并决定近距离观察。它在双曲线轨道上通过内部太阳系尖叫,这意味着当它以微弱的速度错过地球时,它的移动速度将比太阳逃逸速度高-称为100 km / s。切换角度,我们可以说地球以100 km / s的速度到达棕色矮星,并且几乎是未命中。如果我们在最接近的时候几乎碰到了棕色矮星,那么这个速度使我们可以在罗氏极限内度过几乎半小时。

0.1m/s29.820.1+9.823=0.997

(敏锐的读者会注意到,这些数字表示地球的远端实际上从来不在13万公里范围之内,但真正重要的是棕矮星引力场的一阶导数,因此,如果您站着,在对映点上,即使您自己超出限制,地球的质心仍然会被拉开,即使您自己超出限制(无论如何,这些数字都是近似值)。

(另一方面,在新的情况下,几分钟显然不足以使地球内部的熔融物流入静水平衡状态,因此使用刚体公式是合适的)。

那会发生什么呢?

首先,当然,这是一个了不起的景象。棕色矮星以60°到100°之间的某个角直径在天空中占主导地位。

然后,可能会变得不舒服。不一定是“山在融化”热,甚至不一定是“海在沸腾”。但是这个说,最冷的褐矮人们关于一个烤炉的温度,并且具有天空在150℃显著部分可以使任何人的汗水。不过,不用担心,这一切都将在几个小时内结束,因此,请进去加快AC的工作;可以解决的。

在接近罗氏时,零重力在地面平稳地减小。当它超过零G时,您将自由下落并开始缓慢向上漂浮。除了您周围的一切-汽车,房屋,树木,土壤本身-还在自由下落,因为唯一使它们坠落的是重力。因此,最简单的做法是,您当地的经验不是摆脱地球,而是失重。(或者是?请参阅下文。)

同理。

这里出现的一个问题是大气层正在逃逸到太空中。由于没有重力可将其压低,因此它的逃逸速度要比在自身压力的推动下汽车,树木和人的轻柔漂浮快得多。甚至在我们到达罗氏之前,空气可能已经变得稀薄而无法呼吸。另一方面,新鲜的空气将从周围区域涌入,以填补空缺,形成所有飓风的曾祖母。(当然,还有在对映体周围的曾曾祖父)。

在距地面零点90°的大圆圈上,重力增加到约1.7G。您会感到沉重。哼

这些区域之间发生了戏剧性的事情。距地面零(或对立面)约45度,潮汐力与垂直方向成直角,因此重力的强度与我们惯用的强度差不多,但其方向不同。好像世界倾斜了数十度,就像科幻电影假装“进入引力场”的效果一样。高层建筑翻倒;许多不那么高的只是倒塌了。湖泊和海洋所做的事情使“海啸”这个词收拾起来,回家了,无可救药。没得到的水,将产生不可阻挡的岩石滑坡。而且,别忘了当大气层几乎不受阻碍地“向下”滑动时,超强风向来。

当然,这假定下面的地面是刚性的。事实并非如此,尽管它可能具有足够的结构完整性,以至于上一段仍然适用。无论如何,地球的整个地壳都开始向着地面零(或像往常一样对立)滑动“向下”。但是,地壳的不同部分以不同的速度滑动。在“嗡嗡声”区域附近,地壳被拉伸。在地面零或对立面,地壳堆积。实际上,没有什么时间最多(最粗略地)从其起始位置移动超过几十公里,但这足以使地球上每个构造活动区发生灾难性的超地震。在没有活动区域可以承受压力的地方,会出现新的区域。

我不完全确定地幔在做什么,但这可能不是一件好事。

地幔正在做的一件事发生在地面零附近。没有任何净重力来保持地壳向下,下部岩石圈中的静水压力降至零。各地的岩浆中溶解的挥发物试图除气,形成气泡并使岩浆膨胀,直到上覆岩层的纯粹惯性抵抗为止。效果是将地壳向上推的速度快于被潮汐拉动的速度。因此,站在零地上可能根本无法体验失重。相反,您必须站在地球历史上最大的火山爆发之上。真正的一生经验。

然后三分钟到了,棕色矮人又消失了。

在零地面时,您和周围的所有物体现在至少比起步时高出一公里,并且仍以每小时数十公里的速度向上移动。这远小于逃逸速度,因此上升的必须再次下降。除了“下降”,现在很可能是沸腾的火山地狱。您不是很高兴没有被棕色矮人烤成一团吗?

滑动的构造板块还需要停止滑动,“ ho hum”区域的新裂谷仍需要开始与地面零火山竞争。除非地球内部发生弹性变形,否则一切都会向后滑动。

不过,这个星球仍然存在。实际上没有质量损失。另一方面,这次相遇确实使我们的集体速度每秒改变几十公里,这与我们通常的轨道运动大致相当。这将在各个季节造成严重破坏。

那好吧。似乎我们当中没有人会抱怨这一点。


(以前眼神敏锐的读者会注意到,即使没有完全达到罗氏极限,大多数灾难也会发生。因此,如果世界必须终结,木星的引力场毕竟可能有足够的能力。)

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