I. Tiến Động là gì? 1. Định nghĩa.

Tiến động hay tuế sai, là hiện tượng trong đó trục của vật thể quay (ví dụ một phần của con quay hồi chuyển) "lắc lư" khi mômen lực tác động lên nó. Hiện tượng này được quan sát phổ biến trong các con quay, tuy nhiên mọi vật thể quay cũng chịu tiến động.

Trong hiện tượng này, khi một vật thể xoay tròn, trục của nó nghiêng và quay theo vòng tròn ngược hướng với hướng quay của vật thể. Nếu như vận tốc góc và mômen lực tác động lên vật thể quay là các hằng số thì trục sẽ tạo ra một hình nón. Trên chuyển động này, vận tốc góc luôn vuông góc với mô men lực.


Chuyển động Tiến Động của vật thể quay


2. Đối với các thiên thể, điển hình là Trái Đất.

- Nguyên nhân: Do Trái Đất có chuyển động tự quay nên nó phình ra ở xích đạo, điều đó có nghĩa vật chất phân bố không phải ở dạng khối cầu hoàn hảo. Do đó lực hấp dẫn của Mặt Trời, Mặt Trăng và các thiên thể khác tương tác với Trái Đất không thể coi như là lực tác dụng lên 1 chất điểm ở tâm Trái Đất. Lực tác dụng này là tổng hợp của 3 lực: Lực F tác dụng lên khối phỏng cầu có tâm tại tâm Trái Đất. Lực F1 tác dụng lên phần nhô ra (đối với dạng cầu hoàn hảo) của nửa vành xích đạo nằm gần Mặt Trời. Lực F2 tác dụng lên phần nhô của nửa vành xích đạo phía xa Mặt Trời. Ta biết rằng cường độ lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên F1 > F2.

- Hệ quả: Vì F1 > F2 nên các lực tác dụng của Mặt Trời tạo nên 1 lực có xu hướng làm cho Trái Đất có mặt phẳng xích đạo trùng với mặt phẳng Hoàng Đạo. Điều đó không thể xảy ra do Trái Đất còn có một chuyển động là chuyển động tự quay.

Điều đó khiến trục quay của Trái Đất không cố định mà xoay đảo xung quanh Hoàng Cực (trục vuông góc với mặt phẳng Hoàng Đạo) với 1 góc 23,5 độ theo chiều ngược chiều quay của trục tạo thành một hình nón trong không gian. Đó chính là hiện tương Tiến động - Precession của trục quay Trái Đất. Mặt Trăng cũng gây nên hiện tượng này nhưng ở mức độ yếu hơn. Nó sẽ khiến cho trục quay của Trái Đất di chuyển. Hiện nay trục quay đó nằm gần ngôi sao Bắc Cực (Polaris) nhưng nó sẽ thay đổi theo thời gian và chuyển đến nằm gần một ngôi sao khác.


Vòng tròn di chuyển của cực Bắc trục Trái Đất trên bầu trời sao theo thời gian. Hình vẽ này là gần đúng vì chưa tính đên chương động hay các nhiễu loạn bậc cao khác.


Ngoài ra hiện tương này còn gây thêm 1 hệ quả đó là Tiến động của quỹ đạo hành tinh.


 

Hiện tượng lắc lư của trục Trái Đất làm thay đổi chậm thời điểm giao mùa từ năm này sang năm khác, do mùa phụ thuộc vào hướng và độ nghiêng của trục so với hệ tọa độ hoàng đạo. Sau khoảng 5.000 năm nữa thì thời điểm xuân phân ở bắc bán cầu tương ứng với vị trí Trái Đất trên điểm cận nhật trong quỹ đạo quanh Mặt Trời


- Chu kì : Chu kì của Tiến Động là 25920 năm. Thường được gọi là năm Platon.


3. Bản chất Vật Lý

Khi một mômen lực, Q, áp dụng lên một vật thể, vật thể sẽ quay với gia tốc góc, a, được tính theo công thức rất giống với định luật 2 Newton, ở dạng véctơ:
với I là mômen quán tính của vật thể.

Khi vật thể có sẵn chuyển động quay với vận tốc góc v, sự tác động của mômen lực làm thay đổi véctơ vận tốc góc:

Nếu mômen lực là véctơ trùng phương với vận tốc góc, chuyển động quay của vật chỉ đơn giản là nhanh dần đều hay chậm dần đều. Nếu mômen lực vuông góc với vận tốc góc, gia tốc góc cũng vuông góc với vận tốc góc, điều này dẫn đến độ lớn của vận tốc góc không đổi (vật quay đều), nhưng phương của vận tốc góc luôn đổi (theo chiều luôn vuông góc với véctơ vận tốc) và vận tốc góc bị xoay tròn.

Việc véctơ vận tốc góc xoay tròn được thể hiện là sự xoay của trục quay của vật thể.

Gọi vận tốc góc của chuyển động tiến động là w. Khi ấy, do v không đổi độ lớn và quay đều trong mặt phẳng chứa a và v, ta có phương trình liên hệ sau:
Do 3 véctơ w, v và a tạo thành 1 tam diện thuận nên ta thu được:

Chu kỳ của tiến động được tính như sau:

Lưu ý rằng , với Ts là chu kỳ quay xung quanh trục quay, ta thu được:


Trong thực tế, mômen lực có thể có thành phần vuông góc và thành phần cùng phương với vận tốc góc, khiến chuyển động của vật vừa tiến động vừa nhanh dần hay chậm dần, tuân thủ các biến đổi phức tạp hơn nhiều so với giả định này.


Tiến động trên con quay hồi chuyển

Con quay nằm ngang có mômen động lượng biểu diễn bởi véctơ màu lam. Trọng lực không đổi, véctơ màu lục, gây ra mô men lực, véctơ màu đỏ, khiến con quay quay tròn.


II. Chương động


- Ngoài hiện tượng tiến động, trục quay Trái Đất còn có một chuyển động nhiễu loạn bé được gọi là Chương Động , đó là những dao động ngắn và nhỏ kiểu “ gật gù “ của trục xoay quanh Trái Đất, làm thay đổi độ nghiêng của trục xoay khoảng 9,2 “ ( được gọi là Hằng số chương động ) quanh vị trí trung bình với chu kỳ 18,6 năm (= 18 năm 220 ngày). Chương động lồng vào tiến động là cho trục xoay của Trái Đất chuyển động thành hình sin quay quanh một hình nón tiến động.


Tổng hợp của Sự Tự quay, Tiến Động và Chương Động

 

Nguyễn Văn Tân_PAC
Tham khảo :
http://www.vatlyvietnam.org
http://vi.wikipedia.org

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.


Bài viết xem nhiều