两天体接近时,小天体是金属球,还会在超过洛希极限后被撕碎吗?
要在洛希极限附近被撕碎,固体金属需要达到100km尺度,液体金属稍小,但也需要10m尺度。
如果是小金属珠,需要坠入中子星才能撕碎。而金属小液滴,坠入白矮星就足够了。
以下是计算和探讨过程:
如果一个天体是刚体,在引力下不会发生形变,那么它的洛希极限就是刚体洛希极限。
符合公式:
如果一个天体是流体,在引力下会发生形变,那么它的洛希极限就是流体洛希极限。
符合公式:
两个公式中, ρM 为中心天体密度, ρm 为卫星密度, R 为中心天体半径。
固体金属具有一定的延展性,所以,固态金属天体,其实介于流体和刚体之间。
取个平均值,洛希极限:
我们假设存在一个金属天体围绕地球公转,它的主体为钢结构。
它的密度7850kg/m^3,带入地球半径6371km,密度5507.85 kg/m^³
求得这个金属天体的洛希极限为:
d=11786km
减去地球半径,得到达洛希极限到地球表面的高度:
h=d−R=5415km
可以看出,小球在到达地面之前,就已经达到洛希极限,是否意味着它能被撕碎呢?
当然不一定。
是否被撕碎,其实还要看它的潮汐力,是否显著大于内部的结合力。
而对于固体金属球来说,内部主要是分子间作用力。
当金属天体足够小时,他内部作用力是显著大于天体引力的。
洛希极限的定义是,一个天体自身的引力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。
从这个定义就可以看出,只有当一个天体自身的引力大于金属天体内部的强度时,洛希极限处的潮汐力,也就能对它进行破坏。
Q235A钢材的强度为400MPa左右。
多大的金属球,受到的潮汐力才会破坏钢结构?
对于任意一个密度均匀的天体,中心受到的压强为:
当引力产生的内部压强,显著大于Q235A钢材强度时,它在洛希极限的潮汐力才能轻松撕碎该天体。潮汐力除了对抗引力外,还会对抗钢材强度。进入洛希极限时就能看到撕碎,则意味着在一个半径范围内增加的潮汐力,大于Q235A钢材强度。
求得,
也即,金属天体半径大于438公里,足足能够覆盖5.6个江苏省面积时,进入洛希极限时,才会被撕碎。
而比这个小的天体,则不会在进入洛希极限时立即被撕碎。
随着金属天体坠向地球表面,潮汐作用力也会越来越大。
那么,在坠入表面之前,能被撕碎的最小半径是多少呢?
已知潮汐力是距离的三次方正比,金属天体半径的一次方正比。
行星半径不变时,金属天体坠到地球表面受到的潮汐力,是进入洛希极限范围时的(d/R)^3倍。
那么,要保持潮汐力不变,则金属天体半径需缩小(d/R)^3倍。
带入相关数据可得,金属天体坠入地球表面前,最小撕碎半径为98.6km。
四舍五入就是100km。
也即,落到地面之前,100km~5000km半径的金属天体,都会被地球撕碎。
越小的球,被撕碎的程度越低。
当金属天体足够大时,地球同样会被撕碎。
随着中心天体密度的增加,落地前能够被撕碎的钢球也就越小。
如果坠入白矮星,多大的金属天体能被撕碎呢?
白矮星平均密度在10^8~10^10kg/m^3,易得:
大于5.43cm的钢球,落入白矮星表面前都可能被引力撕碎,但不能撕碎更小的钢珠。
如果是中子星呢?
中子星密度高达10^17kg/m^3,可知:
哪怕钢珠小至5nm,在坠入中子星表面前就会被引力撕碎,引力触及原子尺度。
总结一下:
对于固体金属球来说—— 进入洛希极限是否被撕碎,主要由钢球自身强度的大小所决定,与中心天体数据无关。内部强度越高,密度越小的金属,越不容易被撕碎,球体更大。例如,对于一般强度的铝合金,被撕碎的大小和钢球相当,但对于高强度铝合金来说,能被撕碎的尺度,就会被钢球大几倍。 坠入中心天体表面是否被撕碎,主要由中心天体的密度所决定。密度越大,能被撕碎的球体就越小。当达到白矮星级别,除了微小型金属球,都能够被引力撕碎。坠入中子星前,统统都能被撕碎。
最后再简单探讨一下液体金属。
以水银举例,水银密度是13590kg/m^3。
容易求得,地球对它的流体洛希极限为:
水银是否撕碎,除了引力外,其实还受到表面张力的影响。
水银表面张力为470达因/厘米,相当于0.47N/m
可得,当水银半径大于10m时,引力就会显著影响水银表面张力。
那么,坠入地球表面之前,大于4m的液体水银球会被地球引力撕碎。
而对于白矮星来说,大于20μm的水银球都会被撕碎,这个尺度差不多正好在人类可视范围以上。
至于能撕碎原子的中子星,自然也就没讨论必要了。
最后我们再总结一下(也即开篇的结论):
金属天体要在洛希极限附近被撕碎,固体金属天体需要达到100km尺度,液体金属天体则需要达到10m尺度。
当金属球足够小时,如果是固体,需要坠入中子星表面,才会被引力撕碎。如果是液体,在坠入白矮星表面之前,都可以被引力撕碎。
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