ก่อนที่นิวตันจะค้นพบกฎของแรงโน้มถ่วง  ไม่มีใครสามารถตอบได้อย่างชัดเจนว่า น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากสาเหตุใด  พูดง่ายๆก็คือไม่มีใครรู้จริงนั่นเอง  แต่ก็ทราบคร่าวๆว่าวันหนึ่งๆมีน้ำขึ้นน้ำลง 2  ครั้ง   ซึ่งในตอนนั้นมีการอธิบายง่ายๆอยู่เหมือนกัน ว่า เหตุผลที่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงก็เพราะ โลกมันหมุน     จึงทำให้น้ำบนผิวของโลกไปรวมตัวกันอยู่ด้านหนึ่ง และด้านตรงข้ามดังรูป

รูป  ขณะที่โลกหมุน น้ำจะไปรวมตัวกันอยู่ที่ด้าน 2  ด้านตรงกันข้ามกัน

         ทั้งสองด้านนี้จึงทำให้ดูเหมือนกับโลกนูนขึ้นมา  โดยที่บริเวณทั้งสองคงที่ ไม่เปลี่ยนแปลงตามการหมุน  เมื่อตำแหน่งใดของโลกหมุนมาที่บริเวณนี้  มันก็จะเกิดปรากฎการน้ำขึ้น   และเมื่อหมุนมาอยู่ระหว่างกลางของทั้งสองด้าน น้ำก็จะลง  วันหนึ่งโลกหมุนครบ หนึ่งรอบ ก็จะเกิดน้ำขึ้นและลงอย่างละสองครั้ง  การอธิบายง่ายๆแบบนี้ดูเหมือนจะถูกต้อง  แต่ถ้าคิดให้ลึกซึ้ง  ถ้าพื้นแผ่นดินหรือทวีปไปผ่านบริเวณนี้เข้า น้ำจะไม่ท่วมแผ่นดินหรือ  และทำไมการขึ้นลงของน้ำทั้งสองครั้ง ไม่เท่ากัน  เพราะถ้าเป็นการอธิบายแบบข้างบนการขึ้นของน้ำทั้งสองครั้งน่าที่จะเท่ากัน

         หลังจากที่นิวตันค้นพบกฎของแรงโน้มถ่วง  ท่านได้พยายามอธิบายปรากฎการณ์นี้  โดยบอกว่า  การขึ้นลงของน้ำ  เกิดจากแรงดึงดูดของโลกกับดวงจันทร์ต่างหาก    แรงที่โลกดึงดูดดวงจันทร์จะเท่ากับแรงที่ดวงจันทร์ดึงดูดโลก อันนี้ก็คือกฎข้อที่สามของนิวตันนั่นเอง  แรงดึงดูดนี้ทำให้ดวงจันทร์หมุนอยู่รอบโลก  หรือจะพูดว่าโลกหมุนอยู่รอบดวงจันทร์ก็ได้เช่นเดียวกัน   การหมุนรอบซึ่งกันและกันนี้ ทำให้มีจุดหมุนร่วมกันจุดหนึ่ง  ซึ่งอยู่ระหว่างมวลทั้งสอง   จุดนี้ก็คือจุดศูนย์กลางมวลของโลกและดวงจันทร์   เพราะว่ามวลของโลกใหญ่กว่าดวงจันทร์มากดังนั้นจุดศูนย์กลางนี้จะอยู่ใกล้กับโลกมากกว่า หรืออยู่ภายในโลกนั่นเองดังรูป

จุดศูนย์กลางมวลของโลกกับดวงจันทร์ตั้งอยู่ภายในโลกแต่เยื้องออกไปจากแกนกลางของโลก

ลองตอบคำถามด้วยตนเอง

         แรงดึงดูดระหว่างโลกกับดวงจันทร์เป็นไปตามกฎข้อที่เท่าไรของนิวตัน

ตอบ

        กฎข้อที่สามของนิวตัน  ที่เขียนไว้ว่า  แรงกริยาจะเท่ากับแรงปฏิกิริยาเสมอ    นั่นคือ แรงที่โลกดึงดูดดวงจันทร์จะเท่ากับแรงที่ดวงจันทร์ดึงดูดโลก

          จากกฎข้อที่สามของนิวตัน เราสามารถนำมาใช้อธิบายการเกิดน้ำขึ้นและลงได้   การที่ดวงจันทร์หมุนรอบโลกหรือโลกหมุนรอบดวงจันทร์    แสดงว่าต้องมีความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง (centripetal  acceleration)  ความเร่งนี้แหละที่เป็นหัวใจสำคัญสำหรับน้ำขึ้นและลง  

          ลองพิจารณาว่าโลกอยู่เหนือดวงจันทร์ และถูกดวงจันทร์ดูดโลกเข้าไป  ทำให้โลกวิ่งเข้าหาดวงจันทร์  ดังรูป

         แรงดึงดูดนี้เป็นแรงดึงดูดที่เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวล  ขนาดของแรงแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างมวลยกกำลังสอง  ดังนั้นแรงที่กระทำกับโลกบริเวณที่ใกล้กับดวงจันทร์มากที่สุด จะเกิดแรงมากที่สุดด้วย  น้ำในมหาสมุทรจึงถูกดูดเข้ามาในบริเวณนี้มากกว่าบริเวณอื่น ส่วนน้ำด้านข้างของโลกทั้งสองจะลีบลง  ส่วนด้านตรงกันข้ามมีแรงกระทำเหมือนกัน  แต่ว่าน้อยกว่าด้านที่ติดกับดวงจันทร์ มันจึงดูดน้ำจำนวนมหาศาลให้ติดกับผิวโลก  แต่ไม่สามารถเลื่อนมาทางด้านหน้าได้  จึงเกิดการนูนขึ้นอีกด้านหนึ่ง  ซึ่งเป็นด้านตรงกันข้าม แต่ว่าการนูนน้อยกว่า ด้านใกล้

          ด้วยเหตุผลนี้ที่ทำให้ด้านที่ติดกับดวงจันทร์ เกิดน้ำขึ้น  ส่วนด้านตรงกันข้ามก็น้ำขึ้นเหมือนกันแต่น้อยกว่าด้านแรก  ส่วนด้านข้างสองด้าน   ซึ่งมีลักษณะลีบ  น้ำจะลง    วันหนึ่งๆ  โลกหมุนรอบตัวเองครบ  1  รอบ  น้ำจะขึ้นและลงอย่างละ 2  ครั้ง  ให้เราสังเกตดูว่า  การขึ้นของน้ำในแต่ละวัน  จะไม่เป็นเวลาเดียวกัน   เหตุผลนั้นคุณตอบได้หรือไม่      

         เวลาปกติระหว่างน้ำขึ้น ถึงน้ำขึ้นอีกครั้ง  เท่ากับ  12  ชั่วโมง  25  นาที  น้ำขึ้นจะไม่เกิดเมื่อดวงจันทร์อยู่บนศีรษะ แต่จะต้องใช้เวลาอีก 6  ชั่วโมง  หลังจากที่มาอยู่บนศีรษะแล้ว   เหตุผลเกิดจากแรงเสียดทานและความเฉื่อยของน้ำ   และยังมีความลึกที่แตกต่างกันของมหาสมุทรด้วย

         ความสูงของน้ำขึ้นและลง วัดในมหาสมุทรมีความแตกต่างกันประมาณ  1  เมตร   แต่ถ้าไปวัดตามชายฝั่งจะได้มากกว่านี้  เพราะว่า ลักษณะของชายฝั่งจะช่วยให้การขึ้นลงของน้ำทะเลเพิ่มระดับขึ้นมาได้   ยกตัวอย่างอ่าวฟันดี้ในประเทศแคนาดา  ระดับน้ำขึ้นและลงวัดได้ต่างกันถึง  16  เมตร หรือ  54 ฟุต

          

รูป  ตัวอย่างการขึ้นและลงของน้ำในทะเล

          เราสามารถนำกฎของนิวตันไปใช้กับแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์กับโลกได้ในลักษณะเดียวกัน  จากการคำนวณพบว่า  ความสูงของน้ำที่เกิดจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์  เป็นครึ่งหนึ่งของที่เกิดจากดวงจันทร์    ซึ่งมีค่าน้อยกว่า ทั้งๆที่แรงดึงดูดของดวงอาทิตย์กับโลกมีมากกว่าจากดวงจันทร์  180  เท่า  แต่ว่าผลของดวงอาทิตย์กลับน้อยกว่า  เนื่องจากว่าโลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มาก  ทำให้ผลที่เกิดบนโลกทั้งสองด้านมีความแตกต่างไม่มากเท่าที่ควร     และถ้าเป็นผลจากดาวนพเคราะห์ดวงอื่นๆที่อยู่ในระบบสุริยะจักรรวาล  ยิ่งมีผลน้อยลงไปอีก  ยกตัวอย่างเช่นดาวพฤหัสบดี มีผลเพียง  1  ใน  10  ล้าน เมื่อ เทียบกับผลของดวงอาทิตย์

       สำหรับพื้นผิวบนโลก  เช่น เปลือกทวีป ถึงแม้ว่าจะแข็งกว่ามหาสมุทร   แต่ว่าพื้นผิวทวีปก็มีการขึ้นและลงเช่นเดียวกันกับมหาสมุทร  เมื่อน้ำขึ้น  มีคนเคยไปวัดพบว่าแผ่นดินมีการพองขึ้นจากเดิมประมาณ 23  เซนติเมตร หรือ  9  นิ้ว   แต่เนื่องจากพื้นดินกว้างมาก และพองขึ้นมาพร้อมๆกัน จึงไม่สามารถจะสังเกตผลอันนี้ได้

ลองตอบคำถามด้วยตนเอง

          น้ำขึ้นสูงสุดและต่ำสุด แสดงว่า  ดวงอาทิตย์   ดวงจันทร์  อยู่ด้านเดียวกับโลก   (เริ่มข้างขึ้น)   หรืออยู่ตรงกันข้าม( ขึ้น 15  ค่ำ)   หรือทำมุมฉากกัน

ตอบ

          น้ำขึ้นได้สูงสุดและต่ำสุด เกิดขึ้นเมื่อ  ดวงอาทิตย์   ดวงจันทร์  อยู่ด้านเดียวกับโลก   (เริ่มข้างขึ้น)   หรืออยู่ตรงกันข้าม( ขึ้น 15  ค่ำ)  

มีอีกทฤษฎีหนึ่งที่เขียนเกี่ยวกับน้ำขึ้นน้ำลง

           มองดูผิวเผินคุณอาจคิดว่าด้านที่อยู่ใกล้กับดวงจันทร์มากที่สุดน้ำจะขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ เราทราบว่าทั้งโลกและดวงจันทร์หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลค่าหนึ่ง และจุดศูนย์กลางดังกล่าวก็อยู่บนโลกเสียด้วย ดังนั้น ด้านที่อยู่ใกล้กับดวงจันทร์จะถูกแรงดึงดูดทำให้น้ำขึ้น

          ส่วนอีกด้านหนึ่งแรงหนีศูนย์กลางของโลกจะเหวี่ยงน้ำทำให้น้ำขึ้นทางด้านตรงข้ามกับดวงจันทร์ได้เช่นเดียวกัน จากรูป โลกจะดูคล้ายกับลูกรักบี้ เนื่องจากน้ำไปออกันอยู่ทั้ง 2 ด้าน โชคดีที่ว่าโลกมีแรงดึงดูดมากกว่าดวงจันทร์ ไม่เช่นนั้นโลกจะถูกแรงดึงดูดของดวงจันทร์แย่งน้ำไปหมด และที่ระดับน้ำขึ้นลงต่างๆนั้นก็เพราะว่าผิวของโลกโค้ง ทำให้ระยะห่างจากดวงจันทร์ไม่เท่ากันทุก ๆ จุด จึงมีผลทำให้แรงดึงดูดไม่เท่ากันไปด้วย