מקום בו מגיעה תופעה זו לשיא מבחינת ההבדל בין גובה המים בגאות ובשפל הוא מפרץ פאנדי בקנדה וארצות הברית.
הסבר פיזיקלי לתופעה.
כדור הארץ והירח סובבים סביב נקודת מרכז המסה שלהם. סיבוב זה גורם לכוח צנטריפוגלי שכיוונו מנקודת מרכז המסה החוצה, הפועל על חלקיקי המים הן בנקודה A והן בנקודה B המתוארות באיור. הכוח הצנטריפוגלי הוא בעצם כוח מדומה הנוצר כתוצאה מההתמדה של טיפות המים בסיבוב כדור הארץ.
לפי חוק הכבידה העולמי של ניוטון, כוח המשיכה קטן ככל שהמרחק גדל, ולכן בנקודה B הוא חלש יותר מאשר במרכז כדור הארץ, ובמרכז כדור הארץ הוא חלש יותר מאשר בנקודה A. כוח הגאות הוא למעשה ההפרש הווקטורי בין הכוח הצנטריפוגלי (הקבוע בכל הנקודות) וכוח המשיכה של הירח (המשתנה עם המרחק).
כוח המשיכה של כדור הארץ חזק עשרות מונים מזה של הירח ומן הכוח הצנטריפוגלי, ולכן בנקודות A ו-B אין די בהשפעת הכוחות כדי "למשוך" את טיפות המים. אלא שבנקודות C ו-D תורגש השפעת הכוחות, מפני שבנקודות אלה יש לכוח השקול רכיב מקביל לפני כדור הארץ שאינו פועל בניגוד לכוח המשיכה של כדור הארץ. רכיב זה של הכוח גורם לטיפת המים "לגלוש" לכיוון הירח או בכיוון ההפוך. רכיב זה משתנה בגודלו, וקטן ככל שמתקרבים לנקודות A ו-B. בנקודות A ו-B אין לכוח רכיב המקביל לפני כדור הארץ ולכן המים "מצטברים" באזורים A ו-B. כיוון וכדור הארץ מסתובב, נקודה מסוימת על פניו לעיתים משנה את מיקומה במהלך הסיבוב מ- A, ל-C, ל-B ול-D - כך שלעיתים היא באזור בו יש "הרבה" מים (למשל, A ו-B; נקודות שהן על הציר "ארץ- ירח"), ולעיתים היא באזור בו יש "מעט" מים (למשל, C ו-D; נקודות שהן לא ממש על הציר "ארץ-ירח"). השינוי בכמות המים, מתבטא בגובה פני הים בחופים (ולעיתים גם באגמים) ונראה כגאות ושפל.
כוחות הגאות מותחים את כדור הארץ לצורת ספרואיד מוארך, שצירו הארוך נמצא על הקו המחבר את מרכז כדור הארץ ומרכז הירח. בגלל שכוח המשיכה של כדור הארץ הרבה יותר גדול מכוח הגאות שמפעיל הירח, עיוות זה הוא קטן ביותר, ומסתכם במטרים ספורים יחסית לרדיוס של אלפי קילומטרים.
גודלם של כוחות הגאות פרופורציוני למסת הגוף שמפעיל אותם, ויורד לפי המרחק בשלישית - בניגוד לכוח המשיכה עצמו, שיורד לפי המרחק בריבוע (מפני שכוחות הגאות הם שקלול עם כוחות נוספים). לכן כוחות הגאות של הירח (שמסתו קטנה מזו של השמש פי 107 × 2.7 אך גם מרחקו הממוצע מכדור הארץ קטן פי 390 ממרחקה של השמש) גדולים פי 2.2 מאלה של השמש. זאת למרות שכוח המשיכה של השמש על כדור הארץ עצמו גדול פי 180 מזה של הירח. השילוב של השפעות השמש והירח גורם למחזור גאות ושפל שמוכתב על ידי הירח, ואילו השמש רק משפיעה על ההפרש בין הגאות לשפל: עם מולד הירח ובזמן ירח מלא השמש הירח וכדור הארץ נמצאים בקירוב על אותו קו, הגאות של השמש והירח מחזקות זו את זו, וההפרשים בין גאות לשפל הם הגדולים ביותר. אולם כשהירח חצי מלא, השפעת השמש והירח מבטלות זו את זו, וההפרשים הם הקטנים ביותר (כמו שניתן לראות באנימציה משמאל).
בנקודה אמפידרומית מחזור הגאות והשפל הוא אפסי וככל שמתרחקים ממנה, הפרשי הגאות והשפל גדלים. לרוב הנקודות ממוקמות בתוך ים, אך ישנן נקודות שמיקומן חושב בתחומם של איים, כמו ניו זילנד ומדגסקר.
הפקת אנרגיה.
ניתן להפעיל תחנת כוח על ידי ניצול הגאות והשפל אולם מספר קשיים מהותיים מקשים על ניצול האנרגיה:
למרות קשיים אלו יש בעולם מספר תחנות כוח המפיקות חשמל על ידי כוח הגאות והשפל שהראשונה שבהן, תחנת הכוח לה ראנס, הוקמה בנהר ראנס בצרפת בשנות ה-60 של המאה ה-20.
היסטוריה של התאוריה של גאות ושפל.
מאז ימי קדם, התצפיות והדיונים בתופעת הגאות הלכו ונעשו מתוחכמים יותר, כשהקדמונים הדגישו תחילה את המחזוריות היומית של התופעה, ולאחר מכן קשרו בין הגאות למופעי הירח והשמש. מגלה הארצות היווני פיתיאס הפליג לאיים הבריטיים בערך בשנת 325 לפנה"ס, ונראה כי הוא הראשון לקשר בין הגאות האביבית למופע הירח.
בחיבורו "ספירת הזמן" משנת 725 לספירה בדה ונרביליס קישר בין תופעת המחזוריות החצי יומית של הגאות והבדלי הגבהים של הגאות לבין הירח ומופעיו. בדה מתחיל ומציין שבכל יום הגאות מציפה את החוף ונסוגה ממנו כ-4/5 השעה (48 דקות) מאוחר יותר בהשוואה ליום שלפניו, בדיוק כשם שהירח נוסק ושוקע במרווחי זמן של כ-4/5 השעה בין יום ליום. הוא ממשיך ומדגיש שבשני חודשים ירחיים (59 יום) הירח מקיף את כדור הארץ 57 פעמים ומתחוללים במהלכם בדיוק 114 מופעי גאות. בדה מציין לאחר מכן שגובה הגאות משתנה במהלך החודש; את מופעי הגאות החזקים יותר הוא מכנה malinae ואת החלשים יותר ledones, ומציין שאלו מחלקים לסירוגין את החודש לארבעה חלקים שווים שמשך כל אחד בין 7 ל-8 ימים. באותה הפיסקה בדה מבחין גם בהשפעת הרוחות על הגאות וביכולתם לדחות את הופעתה לכדי עיתוי מעט מאוחר יותר. בדה מתעד גם שזמני הופעת הגאות משתנים ממקום למקום. צפונה ממקום מגוריו, הגאות מופיעה מוקדם יותר, ודרומה ביחס אליו מאוחר יותר. הוא מסביר שהגאות "מייבשת חופים מסוימים כדי להיות מסוגלת להציף חופים אחרים כשהיא מגיעה אליהם" תוך שהוא שם לב ש-"הירח שמאותת לבוא הגאות באזורים מסוימים, מאותת גם לנסיגתה באזורים המרוחקים מהרבעון השמיימי בו הוא מצוי".
הבנה ימי-ביניימית של הגאות מבוססת בראש ובראשונה על עבודותיהם של אסטרונומים מוסלמים, שהפכו נגישות דרך תרגומן ללטינית החל מן המאה ה-12. אבו מאשאר בחיבורו "מבוא לאסטרונומיה" משנת 886 סבר שהשיטפון והשפל המקושרים לגאות נגרמים עקב הירח. אבו מאשאר דן בהשפעות הרוח ומופעי הירח ביחס לשמש על הגאות. במאה ה-12, אל-ביטרוג'י (בשנת 1204) תרם את האבחנה ה"אוניברסלית" יותר שהגאות נגרמת על הסירקולציה הכללית של המרחב השמיימי.
סימון סטבין בחיבורו מ-1608 "התאוריה של השיטפון והשפל" פסל מספר קונספציות שגויות שעדיין היו נפוצות על הגאות והשפל. סטבין צידד ברעיון שמשיכת הירח אחראית לגאות והתבטא במילים ברורות יותר על גאות, שפל, גאות אביב וגאות לילה, תוך שהוא חווה דעתו שמחקרים נוספים על תופעות אלו צריכים להיעשות.
יוהאנס קפלר שיער נכונה שכבידת הירח היא הגורם לגאות, השערה שהוא ביסס על תצפיות והתאמות עתיקות.
גלילאו גליליי בחיבורו מ-1632 "דיאלוג על שתי מערכות העולם המרכזיות" דחה את הסברו של קפלר וסיפק הסבר אירוני ושגוי משלו לגאות: לפי הסברו, הגאות נגרמת על ידי ההשפעה המשולבת של תנועתו המסלולית של כדור הארץ סביב השמש ותנועת הסיבוב סביב צירו על מימי כדור הארץ.
אייזק ניוטון היה המדען הראשון שסיפק הסבר איכותי וכמותי נכון של הגאות כתוצאה של המשיכה הכבידתית של גופים אסטרונומיים. בספרו "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע" (1687) הוא ניסח לראשונה את חוק הכבידה העולמי והסביר שמקור הגאות הוא במשיכות הכבידתיות של הירח והשמש. ההמשגה של ניוטון לכוחות הגאות הייתה חדשנית ומקורית ביותר, משום שהראתה שלא המשיכה הכבידתית הישירה בין הירח (או השמש) למימי הארץ היא הגורם לגאות, אלא ההבדלים בעוצמה וכיוון הכבידה הירחית בין נקודות שונות על כדור הארץ (על גוף הנופל בשדה כבידה אחיד לא ייווצרו כוחות גאות); בעשותו זאת מצא ביטוי מתמטי מפורש לכוח הגאות. ניוטון הסביר גם מדוע מופעי הגאות מתחוללים פעמיים ביממה ולא רק פעם ביממה: ההסבר לכן נעוץ בכוחות הצנטריפוגליים המקושרים לסיבוב מערכת הארץ-ירח סביב מרכז הכובד המשותף שלהם, כך שעל המים בחלקו האחורי של כדור הארץ (המרוחק יותר ממרכז הסיבוב) פועלים כוחות צנטריפוגליים חזקים יותר ואלו אחראים להופעת הגאות גם שם. ניוטון ייחס את ההבדלים בעוצמת הגאות בתלות במופעי הירח לכוחות הגאות המתחרים של הירח והשמש; בירח חסר או מלא הם מחזקים זה את זה, ובירח חצי מלא הם מחלישים זה את זה.
אף על פי שהתאוריה של ניוטון הצליחה לנבא את גבהי הגאות באזורים מסוימים, היא לא הצליחה להסביר את ההבדלים הקיצוניים בין גאות ושפל המתחוללים באזורים אחרים על כדור הארץ. ניוטון עצמו היה מודע לכישלון זה, ועדות לכך שהיה מודע חלקית למורכבויות של תורת הגאות בפועל באה לידי ביטוי בהסבר מפורסם ונכון שסיפק למאפיין מיוחד מסוים של הגאות במפרץ טונקין שבים סין הדרומי: לטענתו, הדבר קורה אודות למופעי הגאות הסדירים המגיעים לשם דרך שני נתיבים שונים, מהאוקיינוס ההודי והאוקיינוס השקט, המגיעים בהפרשי זמן של 6 שעות ולפיכך במופעים הפוכים, כך שאלו מבטלים זה את זה. זהו תיאור נכון של משטר הגאות המקומי, וגם הדוגמה המצוטטת הראשונה של התאבכות בין שתי רכבות של גלי גאות.
ב-1740, האקדמיה הצרפתית למדעים בפריז הציעה פרס על החיבור התאורטי הטוב ביותר על גאות. דניאל ברנולי, לאונרד אוילר וקולין מקלורן חלקו את הפרס.
מקלורן השתמש בתורת הכבידה של ניוטון כדי להראות שכדור חלק המכוסה על ידי שכבה עמוקה מספיק של אוקיינוס הנתון לכוח הגאות של גוף אחר הוא ספרואיד מוארך עם ציר ראשי הפונה אל הגוף המחולל את הגאות. מקלורן היה גם הראשון לכתוב על השפעות סיבוב כדור הארץ על תנועות עליו. אוילר זיהה שזהו דווקא הרכיב האופקי של כוחות הגאות (יותר מאשר האנכי) שמניע את הגאות.