月は自転してる？

Question

たとえば　飛行機が地球を一周したとします（月の公転に相当)　そのとき飛行機は地球を一周した結果　前方宙返りを一回転してしまいます
月の自転と言っている回転は飛行機の前方宙返り回転と同質の運動では・・・と考えるのですが如何でしょうか？
よろしくお願いします。

First_Noel · Accepted Answer

＞惑星探査機のスイングバイは　ある重力場を等速運動で
＞通過するから可能なのでって　

これは違います，スイングバイでは，惑星探査機は双曲線方向から進入して，
そして出て行きますので，常に惑星からの距離は変化しています，
即ち，重力ポテンシャル（すり鉢のくぼみ）の谷を下り，
そしてまた上って出て行きます，等速運動ではなく加速度運動です．

スイングバイでは，惑星の自転や公転の運動量を探査機が奪うことで，
探査機が加速され（振り回されるような感じです）ます．

＞月も地球の重力場を直進運動しているから地球の周りを
＞（同じ顔を見せながら）回っているとかんがえます　 

もしこの仮説が正しいとすると，人類が打ち上げて特にスピン制御していない
人工衛星は全て地球に常に同じ面を向けていなければならないことになります．
しかし実際はそうではなく，無制御の人工衛星はあっちこっち向いてます．

＞宇宙の諸々の事を考えるとき　この逆転的観かただと
＞都合がいいと思うのですが・・・　いかがでしょうか

表面上はアナロジーとしてとらえることは可能だと思います．
しかし「地球と月」の場合ならそれでよいですが
「火星とフォボス」などの「非同期衛星」の場合にはあてはめることが出来ません，
科学的思考では，一は十に通じて，十は一に通じることが求められますので，
物理的な議論となると，＃１０や＃１２に書いたようなことを反論してしまいます．

でも私は，oshou3さまに言われて初めて，そう言えばそう見えるものだな，と
気付きましたので，面白い！と思いました．

noname#136764 · Answer

ども。#6のものです。

御質問の意図はわかっているつもりで、結論としては、飛行機と月は同質ではないと思います。

>あなたの前の紙に円を描いてください
>それが地球です上を北極とします
>中心を通る横線を赤道とします
>飛行機は北極上から左に進むものとします。

>飛行機が地球の経線上を一周したとします
>飛行機は北極上では水平です

ここまではＯＫですが、もし飛行機が一切自転運動をしないなら、左の赤道上でも水平で、南極上でも水平で、右の赤道上でも水平です。

この運動は、大気圏内の飛行機では実際には不可能ですが、月には可能です。月がもし自転していなければ、そのように運動するでしょう。

jedimaster · Answer

私も似たような(←たぶん)疑問をかつて持ち、NASDAの宇宙飛行士候補の方に次のように尋ねたことがあります。

惑星を真ん中において、その周囲に衛星状のものを公転軌道に「投入」して、それを外から観察した場合、衛星はどういう挙動を示すのか。外から見て衛星は「姿勢を変えずに」公転するのか、あるいは地球に対する月のように、惑星に常に同じ面を向けて公転する、換言すれば外から観察すれば自転しながら公転するのかという問いです。

この私の問いが、oshou3さんの問いと「同質」と問いならば、答は以下のとおりです。

質量が均質な球体を、自転エネルギーを加えずに公転軌道に投入したならば、投入したときの挙動は「外部観察者に同じ方向を向けて」公転軌道に入る。
中心の惑星からこの衛星を観察すると、見える面が次々に変わって見える。
この状態の衛星は、「公転はしているが自転はしていない」と表現される。

衛星の質量が均質でなければどうなるか。たとえば起き上がりこぼしのダルマのように、ダルマの底面部分に質量が偏っている衛星を公転軌道に投入するとどうなるか。
この場合、ダルマに自転の初期エネルギーを与えずに公転軌道に投入しても、ダルマは質量の重い側を惑星に向けて公転軌道に入る。これは地球から見た月の状態と同じ。
この状態の衛星は、「公転しながら自転していて、公転周期と自転周期が一致している」と表現される。

飛行機や船の例えは、これらの乗物が地球を静止系として捉えた場合の物理法則の範疇で設計されているので、宇宙的視野で物事を考える場合の例えとしては混乱のもとではないでしょうか。しかしあえて例えるならば、ご質問の例では「飛行機は公転しながら自転した」と表現されるはずです。仮に飛行機が自転していないならば、地球から見て飛行機は地球一周する間に普通の宙返りを一回するはずです。

つまり、観察者は「外」にいて、観察者からみた衛星の向きが変われば自転していない、向きが変われば自転していると表現されるということです。どこを静止系と考えるかが定義上明確なわけですね。地球外から冒頭の「飛行機」を観察したら、飛行機は姿勢が変化しているから「自転」の一種と考えられるというのが宇宙的視野からみた正解ではないでしょうか。

First_Noel · Answer

もし運動の本質，作用する外力などをいっさい考えず，
動きだけを考えるなら，
＞月の自転と言っている回転は飛行機の前方宙返り回転と同質の運動では・・・
は同じです．どちらも相手を１周する間に自分も１回転しているからです．

そして，Ａさんが，常にＢさんに正面を見せながらＢさんの周りを
てくてく１周するのも「同じ」です．

＞月自体は地球の重力場の中で（このさい太陽など他の重力場は無視します）直進運動しています

円運動を直進運動と置き換えることは出来ないです．
それは，前者が加速度運動に対し，後者は加速度０の等速運動だからです．

月と地球の場合，剛体同士の重力の影響によって，お互いに干渉し合い，
結果，月は地球に対して「同期衛星」になりました．
重力による干渉で，月は地球の運動量を奪い，月は地球の運動量を奪います．
（同様のことは，惑星探査機のスイング・バイで応用されています．）
そして海や大気の動きによる摩擦熱が熱放射で宇宙へ逃げて行く等の要因により，
月と地球の両者の運動量の合計は，段々減少しています．
実際，地球の自転周期は，地球創世時，１８時間程度であったと推定されています．

＞地球の重力場をすり鉢の内面と見たてていただければどうでしょうか
＞月はその面を　自体の重力場を持ったまま公転します。

もしすり鉢と玉（月を表します）との間に摩擦がなく，
更に玉に自転運動が最初からなければ，玉は「自転」することはないので，
地球に見せる面は常に変化してしまいます．
Ａさんが常に北を正面にしながらＢさんの周りを回るのと同じになります．

hot-tea · Answer

＃７です。
マゼランが世界一周航海で同じ港に帰ってきたとき、航海日誌と現地日付に一日のずれがありました。観測者が太陽の昇り降りで日を数えると、停止している者と、地球一周した者で、一日ずれます。これは太陽も地球も同時に見える観測者からすればすぐわかることです。だから、月と地球を同時に眺められる場所から、月の自転を決めていると思うのです（地球の公転も絡むので知らない）。
月の自転と飛行機の前方宙返り回転を同じと見るのは、月がいつも同じ顔をしていることの結果のことと思うのです。結果を同じとしても、これが月の自転の原因を証明できないのです。月の自転を知りたいなら質問になりますが、結果が同じですねという確認はあまり質問になじまないと思ったからこんな回答になりました。

First_Noel · Answer

月の公転周期と自転周期とが一致している（同期衛星と言います）のは，偶然ではありません．
木星の衛星など，太陽系では同期衛星は非常にたくさんあります．

No.5さまのおっしゃるような原因で，衛星の公転と自転とは，いずれ同じになってしまいます．
これは地球の自転と月の自転のエネルギーが，重力や潮汐力，
そして熱損失などがあって，次第に同調していくことが原因です．

ですから，質問者さまおっしゃる運動が，長い時間を経て，
次第に「１回転」に収束するようになります．

あと，No.5さまの補足欄内で誤解があります．

＞月自体は地球の重力場の中で（このさい太陽など他の重力場は無視します）直進運動していま
＞よって地球からの引力や自らの遠心力は作用していません。 
＞ゆえに　この説は間違っています。

円運動では常に「進行方向と垂直な方向に力」が働いています．
これに釣り合う力が「遠心力」となり，これらが釣り合っているので
月はぽーんと飛んでいかず，地球の周りを回っています．
従って，月が地球の周りを回っているのは，地球の重力の影響です．
つまり，いくら重力ポテンシャルが同じところを回っている（実際は楕円運動なので，
ポテンシャル中を上ったり下ったりしています）とは言っても，
重力が働かねば月は地球の周りを回ることができません．

上記については，糸のついた玉を回すとき，速く回そうとするには
糸をひっぱる感じで回すと速くなることと全く同じです．

noname#108554 · Answer

>これは観測されたものでしょうか　あるいは公転周期と自
>転周期が同じであることから導き出されたものでしょうか

さあ、詳しいことは分かりませんが、
月には地震計が置いてあるそうなので月震と、
月の周りに人工衛星を飛ばして重力分布を調べて、
密度分布を調べる、というのは可能ではないか、と。

基本的には地球の内部を調べるときと同じです。

noname#108554 · Answer

質問者の意図は、おそらく「飛行機が地球を一周した後、
飛行機は地球に対して自転したといえるのか？」
だと思うのですが、いかがでしょうか？

>月自体は地球の重力場の中で（このさい太陽など他の重力
>場は無視します）直進運動しています　よって地球からの
>引力や自らの遠心力は作用していません。 

確かに質点ならそうかもしれません。
しかし、実際の月は大きさを持っており、
さらに重要なことに内部密度分布は球対称ではありません。
極端に言えば、月はダンベルのようなもので
長い年月のうちにダンベルの片方が地球に向くようになってしまうのです。

hot-tea · Answer

たとえば、船で地球を一周したとします（陸があるので南北に蛇行しますが）。船は常に船底を地球に向けて一周出来ます。これは飛行機の前方宙返り回転と同質の運動では・・・
同質の運動というかぎり、同じ法則、同じ原則で運動しているものと考えます。
飛行機はエンジンと浮力があるので、月とは運動する法則が違います。あるひとつの見た目の現象が同じであっても、同質とはいいません。同質という言葉の意味をはっきりさせてください。

noname#136764 · Answer

飛行機は地面に対してほぼ水平にしか飛べませんから、地球を１周しようとすれば、姿勢の制御を自分でしなくてはなりません。でも月にはそんな義理はないですから、同じではないと思います。

月に例えるならば、とんでもない豪腕投手がブン！とボールを投げて、それが地球をグルリ回って帰ってきたとする方が近いでしょう。

豪腕投手の投げたボールは、公転周期と関係なく自転することができます。月もそうです。

ただ月の場合は、長い年月の潮汐力で今の周期にされてしまっているだけです。

月は自転してる？

＞惑星探査機のスイングバイは ある重力場を等速運動で

ども。

私も似たような(←たぶん)疑問をかつて持ち、NASDAの宇宙飛行士候補の方に次のように尋ねたことがあります。

この回答への補足

もし運動の本質，作用する外力などをいっさい考えず，

この回答への補足

＃７です。

月の公転周期と自転周期とが一致している（同期衛星と言います）のは，偶然ではありません．

この回答への補足

>これは観測されたものでしょうか あるいは公転周期と自

質問者の意図は、おそらく「飛行機が地球を一周した後、

この回答への補足

たとえば、船で地球を一周したとします（陸があるので南北に蛇行しますが）。

この回答への補足

飛行機は地面に対してほぼ水平にしか飛べませんから、地球を１周しようとすれば、姿勢の制御を自分でしなくてはなりません。

この回答への補足

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>これは観測されたものでしょうか　あるいは公転周期と自