Dlaczego oś Ziemi nie zmienia się w ciągu roku?

Rozumiem, że oś Ziemi wskazuje w tym samym kierunku w przestrzeni podczas całej swojej orbity wokół Słońca. I to powoduje nasze pory roku.

Moje pytanie brzmi: dlaczego oś nie podąża ścieżką orbity (coś w rodzaju samochodu jeżdżącego po okręgu)?

Wyobrażam sobie, że Księżyc odgrywa w tym rolę.

Jako drugorzędne pytanie, czy inne planety w naszym Układzie Słonecznym krążą wokół Ziemi tak samo jak Ziemia (jej oś skierowana jest w tym samym kierunku w przestrzeni na całej swojej orbicie)?

Rozumiem, że oś Ziemi wskazuje w tym samym kierunku w przestrzeni podczas całej swojej orbity wokół Słońca. I to powoduje nasze pory roku.

Drugie stwierdzenie jest poprawne. Pochylenie osiowe jest głównym czynnikiem napędzającym pory roku.

Pierwsze stwierdzenie nie jest dokładnie poprawne. Istnieje niewielka, ale trwała zmiana orientacji osi Ziemi. Zmiana w ciągu roku jest niewielka. Zmiana na przestrzeni 13 000 lat jest duża. Za 13 000 lat oś Ziemi zostanie przechylona o około 47 stopni w porównaniu z obecną orientacją. Za kolejne 13 000 lat Ziemia będzie zorientowana bardzo podobnie jak teraz. Więcej o tym napiszę później.

Moje pytanie brzmi: dlaczego oś nie podąża ścieżką orbity (coś w rodzaju samochodu jeżdżącego po okręgu)?

To nie jest dobry model mentalny. Jedynym kontaktem między samochodem a podłożem są dna czterech kół samochodu. Siły w tych czterech małych obszarach kontaktu zmieniają orientację samochodu i zmieniają wektor prędkości samochodu. Oznacza to, że moment obrotowy w twoim samochodzie podczas obracania kierownicą i siła dośrodkowa w twoim samochodzie, która sprawia, że ​​jesteś ostrożny podczas skrętu, są ściśle powiązane. Delikatnie obróć kierownicę, a ciężki przód samochodu podąży za nim. Zakładając łagodny skręt, lekki tył samochodu wkrótce podąża za nim. Jeśli skręcisz zbyt mocno, samochód zacznie poślizgnąć się zamiast skręcić. Skręć jeszcze mocniej, a ryzykujesz, że Twój samochód przewróci się. Ruch samochodu zależy od ścisłego sprzężenia siły z momentem obrotowym.

Grawitacja tak nie działa. Zamiast tego działa na każdą część Ziemi, wszystko razem, jednocześnie naraz. Występuje niewielka zmiana przyspieszenia indukowanego grawitacyjnie na Ziemi z powodu zmian odległości do Księżyca (lub Słońca), ale zmiany te są niewielkie. Siła grawitacji netto na Ziemi jest bardzo mocno oddzielona od małego momentu gradientu grawitacji netto na Ziemi.

Głównym rezultatem momentu grawitacyjnego wywieranego przez Księżyc i Słońce na Ziemię jest bardzo powolna, ale duża precesja osi obrotu Ziemi (więcej, przeczytaj ten artykuł w Wikipedii na temat precesji osiowej ). Ta precesja powoduje, że oś obrotu Ziemi obraca się wokół normy do ekliptyki z prędkością jednego obrotu na 25772 lata. Występują mniejsze efekty zwane łącznie nutacjami i ruchem biegunowym, które wynikają z momentu gradientu grawitacyjnego. Te mniejsze efekty są znacznie, znacznie mniejsze, ale mają znacznie, znacznie krótsze okresy. Największy z tych mniejszych efektów wynika z cyklicznych wahań 18,61 lat w węźle księżycowym. Nawet ten największy składnik nutacji jest mały, dwa rzędy wielkości mniejszy niż duża, ale powolna precesja.

Wyobraź sobie Ziemię jako małą kulkę zawieszoną w powietrzu, która się nie porusza, chociaż obraca się wokół własnej osi. Jeśli nie zostaną do niego przyłożone siły, absolutnie nic się nie wydarzy. Jest to zachowanie energii (lub pędu; możesz pracować z nim w dowolny sposób). Ziemia nie zacznie spontanicznie poruszać się w jednym kierunku, ponieważ naruszałoby to zachowanie energii translacyjnej i zachowanie pędu liniowego. Gdyby tak się stało, energia byłaby pozyskiwana znikąd.

Z tego samego powodu Ziemia nie zacznie się przechylać na bok. Jest to zachowanie obrotowej energii kinetycznej i zachowanie momentu pędu w pracy. Rozumieć?

Tak, Keith jest na miejscu. Potrzebujesz takiego momentu obrotowego, aby obrócić oś Ziemi w ten sposób.

Więc dlaczego nie osi Ziemi move ponad 26.000 lat (tak, nawiasem mówiąc, po prostu nie jeden cykl rocznie)? Podobnie jak w przypadku przypływów, a także spowolnienia rotacji Ziemi, działają przede wszystkim siły pływowe Księżyca i Słońca, chociaż inne planety wnoszą pewien wkład w ogólne zmiany.

Mogę dodać matematykę, jeśli chcesz, ale ostrzegam, uczę się jej osobiście, więc nie zostanie wyjaśniona tak, jak byś chciał.

Pozostałe planety przestrzegają tych samych praw co Ziemia, więc ich osie powinny wskazywać w tym samym kierunku przez cały rok, ignorując skutki precesji osiowej.

Zmieniający się kąt między słońcem i księżycem powoduje nieznaczną nutację w osi obrotu Ziemi w okresie 18,6 roku .

W przypadku Ziemi głównymi źródłami siły pływowej są Słońce i Księżyc, które stale zmieniają swoje położenie względem siebie, powodując w ten sposób nutację w osi Ziemi. Największy element nutacji Ziemi ma okres 18,6 lat, taki sam jak okres precesji węzłów orbitalnych Księżyca. 1 Istnieją jednak inne istotne terminy okresowe, które należy obliczać w zależności od pożądanej dokładności wyniku.

Główny termin nutacji wynika z regresji linii węzłowej księżyca i ma ten sam okres 6798 dni (18,61 lat). Osiąga plus lub minus 17 ″ długości geograficznej i 9 ″ nachylenia. Wszystkie pozostałe warunki są znacznie mniejsze; następny największy, z okresem 183 dni (0,5 roku), ma amplitudy odpowiednio 1,3 0.6 i 0,6 ″.

To nie jest duży efekt (z linku):

Ziemia działa jak masywny żyroskop. Do zmiany orientacji osi potrzebna byłaby ogromna siła. Chociaż siły są z pewnością wywierane, nie są one wystarczająco duże, aby spowodować znaczną zmianę orientacji osi, gdy Ziemia opada / krąży wokół Słońca. Jak wskazujesz, orientacja osi odpowiada za zmianę sezonu. Obszary najbardziej narażone na działanie promieni słonecznych znajdują się latem; obszary odbierające promienie słoneczne znajdują się w zimie.

Obrót Ziemi wokół Słońca nie jest kołowy, ale eliptyczny. Podczas swojej orbity zmienia się odległość Ziemi od Słońca. Wiele źródeł podaje, że chociaż jest to prawda, ma to niewielki wpływ na sezon. Źródła te wskazują, że orientacja osi Ziemi w połączeniu z „przechyleniem” orbity Ziemi powyżej lub poniżej równika Słońca określa pory roku.

Pozwala zachować prostotę. Poniżej znajduje się zdjęcie orbity Ziemi.

Rozumiem, że pytanie ma na myśli, dlaczego oś cały czas nie wskazuje Słońca. Odpowiedź na porównanie Ziemi z Żyroskopem jest najłatwiejsza w użyciu. Efekt obracania się na osi powoduje siłę, która pomaga utrzymać oś Ziemi pod kątem 23,5 ° (w przybliżeniu), w osi ziemi dochodzi do nieznacznego wahania kilku metrów. Spróbuj spojrzeć z góry, aby to było jaśniejsze. Jeśli przyjrzysz się uważnie, na biegunie znajduje się czerwone kółko obrotu.

Ziemia nie jedzie wokół Słońca, w rzeczywistości jest przyciągana do Słońca, ale krąży wokół niego wystarczająco szybko, aby przeciwdziałać grawitacji i nie zbliżać się, podobnie jak satelity pozostają na orbicie w przestrzeni kosmicznej. Samochód byłby bardziej jak statek kosmiczny, ponieważ miałby siłę / ciąg popychający go wokół Słońca.

Co do drugiego pytania, inne planety robią to samo, ale pod różnymi kątami.

Ponieważ przyciąganie grawitacyjne Słońca na Ziemię jest (prawie) jednolite, nie przechyla Ziemi, tylko przyciąga ją jako całość, nie wpływając na obracanie się Ziemi wokół własnej osi.

Promień Ziemi wynosi ~ 6400 km, odległość do Słońca wynosi ~ 150 000 000 km, a siła grawitacji maleje w kwadracie odległości, więc stosunek przyciągania do dwóch małych objętości Ziemi, najbliższej i najdalszej od Słońce w danym momencie jest

więc siła przechyłu jest bardzo mała.

Gdyby różnica wynosiła dokładnie 0 (tzn. Stosunek dokładnie 1), siła przechyłu wynosiłaby dokładnie 0, a wirowanie Ziemi w ogóle by nie uległo zmianie. Aby to uzyskać, usuń Słońce z obrazu.

Zgodnie z ogólną teorią względności, gdyby Ziemia poruszała się w jednolitej sile, byłoby tak, jakby z punktu widzenia Ziemi nie było żadnej siły.

Jeśli oś Ziemi zawsze wskazuje na Polaris, wówczas oś Ziemi musi się ciągle zmieniać w ciągu roku w ciągu zmiany odległości na orbicie 186 000 000 mil.

Gdyby nachylenie w grudniu wynosiło 23,4 stopnia, marzec byłby mniejszy, a dodatkowy przechył w kierunku słońca, czerwiec byłby najmniejszym przechyleniem na Ziemię, październik byłby mniejszy, a dodatkowy pochył w kierunku słońca. Bez tej zmiany przechyłu Ziemi Polaris zostałby wyrównany tylko jeden dzień w roku w grudniu.

Możesz to łatwo samemu udowodnić.