¿Por qué el eje de la Tierra no cambia durante el año?

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Entiendo que el eje de la Tierra apunta en la misma dirección en el espacio durante toda su órbita alrededor del sol. Y esto es lo que causa nuestras estaciones.

Mi pregunta es ¿por qué el eje no sigue la trayectoria orbital (algo así como un automóvil conduciendo alrededor de un círculo)?

Me imagino que la Luna juega un papel en esto.

Como pregunta secundaria, ¿los otros planetas de nuestro sistema solar orbitan lo mismo que la Tierra (su eje apunta en la misma dirección en el espacio para toda su órbita)?

rmaddy
fuente
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¿Por qué esperarías que cambie? Cambiar la dirección del eje de la Tierra requeriría un gran cambio de momento angular. Cambia a lo largo de miles de años, pero no existe un mecanismo para cambiarlo en un solo año.
Keith Thompson el
No es que espere que cambie. Es simplemente que no sé por qué funciona de una manera y no de la otra. Soy un programador de computadoras, no un genio de matemáticas / física. :)
rmaddy
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Creo que la respuesta se reduce a la conservación del momento angular, pero se lo dejaré a otra persona que conozca la física mejor que yo para publicar una respuesta.
Keith Thompson el
77
Mi consejo: coloque uno de esos pequeños giroscopios de juguete o una rueda de bicicleta en un eje, haga que gire rápidamente e intente caminar (o conducir) alrededor de una bombilla de modo que el eje apunte como espera que debería. Pronto descubrirá que debe aplicar una fuerza enorme para hacer que el eje cambie de dirección mientras orbita la bombilla; no hay una fuerza correspondiente en la tierra, por lo que el eje no cambia de dirección. En términos más generales, la respuesta a "¿por qué no sucede esto?" en física suele ser "porque nada lo hizo posible". El eje no cambia porque ninguna fuerza lo cambia.
Eric Lippert
Gyro-top se detendrá: Tienda de cierre del fabricante: "22 de febrero de 2015 - El fabricante de juguetes con sede en Nagoya Tiger & Co. ha decidido cerrar su negocio de 94 años, posiblemente a fines de abril, poniendo fin a la producción. .. " google.com/…
Wayfaring Stranger

Respuestas:

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Entiendo que el eje de la Tierra apunta en la misma dirección en el espacio durante toda su órbita alrededor del sol. Y esto es lo que causa nuestras estaciones.

La segunda afirmación es correcta. La inclinación axial es el principal impulsor de las estaciones.

La primera afirmación no es exactamente correcta. Hay un cambio pequeño pero persistente en la orientación del eje de la Tierra. El cambio en el transcurso de un año es pequeño. El cambio en el transcurso de 13,000 años es grande. En 13,000 años, el eje de la Tierra estará inclinado unos 47 grados en comparación con la orientación actual. En otros 13,000 años, la Tierra estará orientada de manera muy similar a como está orientada ahora. Escribiré más sobre esto más tarde.

Mi pregunta es ¿por qué el eje no sigue la trayectoria orbital (algo así como un automóvil conduciendo alrededor de un círculo)?

Ese no es un buen modelo mental. El único contacto entre su automóvil y el suelo son las partes inferiores de las cuatro ruedas de su automóvil. Las fuerzas en estas cuatro áreas de contacto pequeñas son las que cambian la orientación de su automóvil y el vector de velocidad de su automóvil. Esto significa que el par de torsión en su automóvil cuando gira el volante y la fuerza centrípeta en su automóvil que hace que su cuidado negocie un giro están íntimamente conectados. Gire el volante suavemente y la parte delantera pesada de su automóvil sigue su ejemplo. Asumiendo un giro suave, la parte trasera ligera de su automóvil pronto sigue su ejemplo. Si gira demasiado, su automóvil comienza a patinar en lugar de girar. Gire aún más fuerte y corre el riesgo de que su auto se voltee y ruede. El movimiento de su automóvil depende de ese acoplamiento íntimo entre la fuerza y ​​el torque.

La gravitación no funciona así. En cambio, actúa en todos y cada uno de los rincones de la Tierra, todos juntos, todos a la vez, todo el tiempo. Hay una ligera variación en la aceleración inducida gravitacionalmente en la Tierra debido a variaciones en la distancia a la Luna (o al Sol), pero estas variaciones son pequeñas. La fuerza gravitacional neta en la Tierra está muy desacoplada del pequeño torque neto del gradiente de gravedad neto en la Tierra.

El resultado principal del par de gradiente de gravedad ejercido por la Luna y el Sol en la Tierra es una precesión muy lenta pero grande del eje de rotación de la Tierra (para más información, lea este artículo de Wikipedia sobre precesión axial ). Esta precesión hace que el eje de rotación de la Tierra gire alrededor de lo normal a la eclíptica a una velocidad de una revolución cada 25772 años. Hay efectos menores llamados colectivamente nutaciones y movimiento polar que resultan del par de gradiente de gravedad. Estos efectos menores son mucho más pequeños en magnitud pero tienen períodos mucho, mucho más cortos. El mayor de estos efectos menores es el resultado de las variaciones cíclicas de 18,61 años en el nodo lunar. Incluso este componente más grande de la nutación es pequeño, dos órdenes de magnitud más pequeños que la gran pero lenta precesión.

David Hammen
fuente
La analogía de mi automóvil solo tenía la intención de indicar un concepto: la parte delantera del automóvil siempre apunta en la dirección de viaje, en lugar de decir, siempre hacia el norte. Eso es todo. No quise comparar con fuerzas de ningún tipo.
rmaddy
@rmaddy: Correcto, pero debes aplicar energía constantemente (manteniendo el volante girado, estará luchando contra ti) para que eso suceda. Un automóvil en tierra no es lo mismo que un planeta en el espacio. Su modelo imaginado no es el estado "predeterminado" en absoluto.
ligereza corre con Mónica
@LightnessRacesinOrbit Nuevamente, eso no es lo que estaba implicando con la analogía del automóvil. Simplemente estaba tratando de describir la dirección, eso es todo.
rmaddy
Esta es la respuesta científicamente correcta, pero no está bien explicada para alguien que no proviene de un entorno de física o astronomía / astrofísica. Debe considerar un lenguaje más simple, al menos para lo básico (es decir, todo hasta la discusión sobre precesión).
MandisaW
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Imagine la Tierra como una pequeña bola suspendida en el aire, sin moverse, aunque está girando sobre su eje. A menos que se le apliquen fuerzas, no pasará absolutamente nada. Eso es conservación de energía (o impulso; puedes trabajar con ella de cualquier manera). La Tierra no comenzará a moverse espontáneamente en una dirección porque eso violaría la conservación de la energía traslacional y la conservación del momento lineal. Si eso sucediera, la energía se obtendría de la nada.

Por la misma razón, la Tierra no comenzará a inclinarse hacia un lado. Esta es la conservación de la energía cinética rotacional y la conservación del momento angular en el trabajo. ¿Comprensión?

Entonces, sí, Keith es perfecto. Necesitarías algún tipo de torque para girar el eje de la Tierra de esa manera.

Entonces, ¿por qué eje de la Tierra mueven más de 26.000 años (lo hace, por cierto, no un ciclo por año)? Al igual que con las mareas, así como la forma en que la rotación de la Tierra se está desacelerando, son principalmente las fuerzas de marea de la Luna y el Sol en el trabajo, aunque los otros planetas hacen algunas contribuciones a los cambios generales.

Puedo agregar algunas matemáticas si lo desea, pero tenga cuidado, lo estoy aprendiendo yo mismo, por lo que no se explicará tan bien como le gustaría.

Los otros planetas obedecen las mismas leyes que la Tierra, por lo que sus ejes deben apuntar en la misma dirección durante todo el año, ignorando los efectos de la precesión axial.

HDE 226868
fuente
Desearía tener una imagen, pero supongo que todavía no estoy seguro de por qué la gravedad del Sol (que mantiene a la Tierra en órbita) no está causando, por ejemplo, que el polo norte apunte aproximadamente hacia el sol durante todo el año. Entiendo cómo una pelota que gira, como usted describe, apunta en una dirección. Pero la Tierra está orbitando al Sol y la gravedad del Sol es una fuerza que actúa sobre la Tierra.
rmaddy
@rmaddy Eso es porque realmente no hay nada especial sobre los polos, en términos de gravedad. Los polos no son más masivos que cualquier otra ubicación en la Tierra; de hecho, podrían ser menos masivos, porque un segmento de línea dibujado desde un polo hacia el centro de la Tierra es más corto que una línea dibujada, por ejemplo, desde el ecuador al centro de la tierra. No hay masa extra en los polos, por lo que no hay nada extra para que el Sol tire. ¿Eso ayuda un poco?
HDE 226868
Entiendo que no hay nada especial sobre el poste. Esa fue probablemente una descripción engañosa. Parece que la inclinación de la Tierra debería permanecer constante en relación con su trayectoria orbital, no constante en relación con el espacio. ¿Por qué la órbita de la Tierra y la gravedad del Sol no hacen que la inclinación sea constante con la trayectoria orbital?
rmaddy
La gravedad del Sol no atrae al polo más de lo que atrae a cualquier otra parte de la Tierra. Para que el polo apunte continuamente hacia el Sol, el Sol tendría que estar atrayendo al polo más que cualquier otra parte de la Tierra, lo que no hace.
HDE 226868
3
@rmaddy porque lo único que podría hacer que lo haga es la gravedad, y la gravedad no hace eso. La gravedad no hace que la Tierra conduzca en un círculo alrededor del Sol como un automóvil; simplemente tira de la Tierra "de lado" hacia el Sol en todo momento. En el espacio, la dirección hacia la que apunta algo y la dirección en la que se mueve no están relacionadas.
hobbs
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El ángulo cambiante entre el sol y la luna causa una ligera nutación en el eje de rotación de la Tierra durante un período de 18,6 años .

En el caso de la Tierra, las principales fuentes de fuerza de marea son el Sol y la Luna, que cambian continuamente de ubicación entre sí y, por lo tanto, causan nutación en el eje de la Tierra. El componente más grande de la nutación de la Tierra tiene un período de 18,6 años, el mismo que el de la precesión de los nodos orbitales de la Luna. 1 Sin embargo, existen otros términos periódicos importantes que deben calcularse en función de la precisión deseada del resultado.

El término principal de nutación se debe a la regresión de la línea nodal de la luna y tiene el mismo período de 6798 días (18,61 años). Alcanza más o menos 17 ″ en longitud y 9 ″ en oblicuidad. Todos los demás términos son mucho más pequeños; el siguiente más grande, con un período de 183 días (0.5 años), tiene amplitudes de 1.3 ″ y 0.6 ″ respectivamente.

No es un gran efecto (del enlace):

ingrese la descripción de la imagen aquí

Extraño caminante
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Gracias, pero esto realmente no tiene nada que ver con mi pregunta.
rmaddy
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En realidad, tiene TODO que ver con tu pregunta.
Dawood dice que reinstale a Mónica el
@DavidWallace No. Describió por qué la inclinación de la Tierra se tambalea un poco con el tiempo. No intenta explicar por qué la inclinación apunta en una dirección general en el espacio durante un año en lugar de seguir la órbita de la Tierra.
rmaddy
1
Bueno, su pregunta equivale a "por qué no varía el momento angular de la Tierra", porque por alguna razón, esperaba que variara mucho. Y esta respuesta dice: "bueno, en realidad varía un poco" y explica por qué.
Dawood dice reinstalar a Mónica el
@DavidWallace 1) No esperaba nada. Sé lo que realmente pasa. Tenía curiosidad por qué algo diferente no sucede. 2) Sé que el eje se tambalea con el tiempo. De nuevo, para nada lo que estaba preguntando. Es por eso que no creo que esta respuesta responda a mi pregunta.
rmaddy
4

La Tierra actúa como un giroscopio masivo. Se requeriría una fuerza tremenda para cambiar la orientación del eje. Si bien las fuerzas ciertamente se ejercen, no son lo suficientemente grandes como para causar un cambio apreciable en la orientación del eje a medida que la Tierra cae / orbita alrededor del Sol. Como indica, la orientación del eje es responsable del cambio de temporada. Las áreas que reciben la exposición más directa a la luz solar son en verano; Las áreas que reciben luz solar directa son en invierno.

La rotación de la Tierra alrededor del Sol no es circular sino elíptica. Durante su órbita, la distancia de la Tierra al Sol cambia. Muchas fuentes informan que si bien esto es cierto, tiene poco efecto en la temporada. Estas fuentes indican que la orientación del eje de la Tierra combinada con la "inclinación" de la órbita de la Tierra sobre o debajo del ecuador del Sol determina las estaciones.

usuario4199
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Gracias, pero solo la primera mitad de su primer párrafo está relacionada con mi pregunta. No estoy preguntando nada sobre las estaciones.
rmaddy
4

Vamos a mantener las cosas simples. A continuación se muestra una imagen de la órbita de la Tierra. Órbita de la tierra

Considero que la pregunta significa por qué el eje no apunta hacia el Sol todo el tiempo. La respuesta que compara la Tierra con un giroscopio es la más fácil de usar. El efecto de giro en el eje causa una fuerza que ayuda a mantener el eje de la Tierra en un ángulo de 23.5 ° (Aprox.) Hay una ligera oscilación de unos pocos metros en el eje de la Tierra. Intenta mirar desde arriba para aclararlo. Hay un círculo rojo de rotación en el poste si miras de cerca.

Rotación desde arriba

La Tierra no se mueve alrededor del Sol, de hecho está siendo atraída hacia el Sol, pero va lo suficientemente rápido a su alrededor para contrarrestar la gravedad y no acercarse, de la misma manera que los satélites permanecen en órbita en el espacio. El automóvil sería más como una nave espacial, ya que tendría una fuerza / empuje empujándolo alrededor del Sol.

En cuanto a la segunda pregunta, los otros planetas hacen lo mismo pero en diferentes ángulos.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Soong
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Simplificado, pero en mi opinión, esta es la respuesta más adecuada para el OP. Obtenga lo básico "qué está pasando" desde aquí, luego vaya a la respuesta de David Hammen para "por qué está pasando". Además, este es el único que abordó la segunda parte de la pregunta.
MandisaW
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Debido a que la atracción gravitacional del Sol sobre la Tierra es (casi) uniforme, no inclina la Tierra, solo la tira en su conjunto, sin afectar el giro de la Tierra alrededor de su propio eje.

El radio de la Tierra es de ~ 6,400 km, la distancia al Sol es de ~ 150,000,000 km, y la fuerza gravitacional disminuye como un cuadrado de una distancia, por lo que la relación en la atracción de algunos dos pequeños volúmenes de la Tierra, el más cercano y el más alejado de el Sol en un momento dado, es

(150000+6.4)2(150000-6.4)2=1.00017068

entonces la fuerza de inclinación es muy pequeña.

Si la variación fuera exactamente 0 (es decir, la relación exactamente 1), la fuerza de inclinación sería exactamente 0 y el giro de la Tierra no se habría visto afectado en absoluto. Para obtener eso, elimine el Sol de la imagen.

Y según la teoría general de la relatividad, si la Tierra se moviera en una fuerza uniforme, sería como si no hubiera ninguna fuerza, desde el punto de vista de la Tierra.

Will Ness
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Si el eje de la Tierra siempre apunta hacia Polaris, entonces el eje de la Tierra tiene que cambiar continuamente durante todo el año durante un cambio de distancia de órbita de 186,000,000 millas.

Si la inclinación en diciembre es de 23.4 grados, marzo sería menos inclinación y una inclinación adicional hacia el sol, junio sería la inclinación más pequeña de la Tierra, octubre sería menos inclinación y una inclinación adicional hacia el sol. Sin este cambio de inclinación de la Tierra, Polaris solo se alinearía un día al año en diciembre.

Puede probar esto fácilmente usted mismo.

Ron
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Parece que no tienes idea de qué tan lejos está Polaris.
Rob Jeffries