Khóa thủy triều

Khóa thuỷ triều (hay còn gọi là khóa trọng lực hay đồng bộ chuyển động quay) xảy ra khi mà gradient trọng lực hay lực thủy triều làm cho một bán cầu của một thiên thể đang quay luôn hướng về phía thiên thể đồng hành với nó. Hiệu ứng này còn được biết đến như sự đồng bộ chuyển động quay. Một thiên thể bị khóa thủy triều sẽ quay quanh trục của nó như quay quanh thiên thể đồng hành. Một ví dụ điển hình là một mặt của Mặt Trăng luôn hướng về phía Trái Đất. Thông thường, chỉ có vệ tinh tự nhiên bị khóa thủy triều vào thiên thể lớn hơn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nếu cả hai thiên thể có khối lượng tương đương và khoảng cách giữa hai thiên thể đủ nhỏ, chúng có thể bị khóa thủy triều vào lẫn nhau; đó là trường hợp của Sao Diêm Vương và mặt trăng Charon. Hiệu ứng này còn được sử dụng với mục đích ổn định các vệ tinh nhân tạo.

Cơ chế hoạt động

Sự thay đổi của chu kỳ tự quay là điều cần thiết để một thiên thể B bị khóa thủy triều vào thiên thể A, nguyên nhân bắt nguồn từ việc mô men xoắn tác động vào trọng lực của thiên thể A tại một vùng phình ra trên thiên thể B do lực thủy triều.
Trọng lực của thiên thể A tạo ra một lực thủy triều lên thiên thể B, làm méo hình dáng cân bằng trọng lực trên thiên thể B, làm cho nó bị méo dọc theo trục hướng về thiên thể A, và được giảm nhẹ theo hướng vuông góc với trục này. Sự giãn này được biết đến như là chỗ phình thùy triều. Khi mà B chưa bị khóa thủy triều, chỗ phình thủy triều sẽ di chuyển trên khắp bề mặt thiên thể, với một hoặc hai chỗ phình thủy triều có chiều cao lớn luôn di chuyển gần với điểm mà gần thiên thể A ở trên đầu. Với các thiên thể lớn mà có hình dạng gần với hình cầu do trọng lực của bản thân thiên thể, sự méo do thủy triều làm cho hình cầu bị dài ra, ví dụ như hình elip bị kéo dài theo trục chính của nó. Các thiên thể nhỏ cũng bị kéo dãn, dù việc kéo dãn này ít hơn.
Vật chất của thiên thể B có xu hướng chống lại sự thay đổi hình dạng định kỳ gây ra bởi lực thủy triều. Một vài hiệu ứng phụ cần thiết để tạo hình lại thiên thể B, đưa về trạng thái cân bằng trọng lực. Trong thời gian này, chuyển động quay của thiên thể B làm chỗ phình thủy triều di chuyển ra xa trục nối A-B. Khi đứng tại một điểm thuận lợi trong không gian, điểm mà chỗ phình thủy triều mở rộng ra lớn nhất bị dịch từ trục hướng tới A. Nếu B có chu kỳ quay ngắn hơn chu kỳ quay quanh A, chỗ phình thủy triều sẽ ở phía trước của trục hướng tới A theo chiều quay của B, ngược lại nếu B có chu kỳ quanh nhỏ hơn, chỗ phình sẽ lùi ở phía sau.
Vì chỗ phình này bị dịch khỏi trục nối A-B, cho nên lực kéo từ A sẽ tạo ra mô men xoắn tại B. Mô men xoắn tại chỗ phình hướng mặt về A sẽ làm cho chuyển động quay của B có chu kỳ bằng với chu kỳ quay quanh A, trong khi chỗ phình ở mặt lưng, nơi hướng ra xa A, sẽ có tác động ngược lại. Tuy nhiên, do chỗ phình thủy triều mà mặt hướng về A ở gần A hơn chỗ phình thủy triều mặt lưng của nó cho nên lực thủy triều và mô men xoắn lớn hơn. Tổng hợp mô men xoắn của cả hai chỗ phình thủy triều sẽ có xu hướng làm cho chu kỳ chuyển động quay của B đồng bộ với chu kỳ chuyển động trên quy đạo của A, dẫn tới việc bị khóa thủy triều.

Sự thay đổi về quỹ đạo

Do mô men quay của cả hệ A-B được bảo toàn trong suốt quá trình, cho nên khi thiên thể B quay chậm lại và mất dần mô men quay đi một lượng nào đó, thì mô men quay của chuyển động quanh quỹ đạo lại được tăng lên đúng bằng lượng mà mô men quay của B bị mất đi. Kết quả dẫn tới việc tốc độ B quay quanh A tăng lên đồng thới với việc giảm tốc độ quanh quanh trục của B. Trong một  trường hợp khác khi mà B bắt đầu quay quá chậm, thì hiện tượng khóa thủy triều sẽ tăng tốc độ quay quanh trục và giảm tốc độ quay  quanh quy đạo.