¿Está la superficie de la Tierra "en órbita"?

Tengo problemas para comprender las velocidades angulares/tangenciales relativas a altitudes cada vez mayores sobre la superficie de la Tierra. En particular, encuentro muy confusa esta comparación de velocidades tangenciales en Wikipedia. Según él, la velocidad tangencial de la superficie terrestre (465,1 m/s) es diferente de la velocidad tangencial requerida para "orbitar" en la superficie terrestre (7,9 km/s). ¿Por qué son estos valores diferentes? Mi comprensión de la Tierra siempre fue que el material sobre y dentro de la Tierra está orbitando el centro de la Tierra al igual que lo hacen los satélites. Tiempo para múltiples preguntas en una publicación...

  1. ¿El material en la superficie de la Tierra no está en caída libre alrededor del centro de la Tierra?
  2. ¿Cómo son las órbitas geoestacionarias siquiera una cosa? Parece que la única órbita que podría ser geoestacionaria estaría sobre la superficie de la Tierra.
  3. ¿Qué cambia a medida que orbitas más arriba de la superficie de la Tierra? ¿Su velocidad angular aumenta o disminuye? ¿Su velocidad tangencial aumenta o disminuye?
  4. ¿El magma cerca del centro de la Tierra no gira más rápido que el material en la corteza, como en un disco de acreción?
  5. ¿Pueden dos objetos estar orbitando (circularmente) a la misma altura pero con diferentes velocidades tangenciales?

¡Gracias de antemano!

Considere lo que sucede si está parado en los polos norte o sur, y cómo se mueve en relación con el centro de la Tierra.
Si estuviéramos en órbita, estaríamos flotando.
La velocidad de rotación de la Tierra simplemente no es la velocidad orbital requerida. Eso es más una cuestión de cuánto momento angular le queda a la Tierra desde su formación.
Considere que puede tener cuerpos celestes que giren bastante rápido (Júpiter 9 h 56 minutos, Saturno = 10 h, 42 minutos) o bastante lento (Venus 116 días, 18 h, la luna de la Tierra 27 días, 8 h), independientemente de la velocidad necesarios para orbitarlos, que es una función de la masa y la distancia.
En cuanto al n. ° 1, la caída libre es un poco lo contrario de "estar en la superficie de la Tierra". Lo primero significa no experimentar las fuerzas asociadas con la gravedad, como la fuerza de tu asiento contra tu silla o tus pies contra el suelo mientras estás de pie. Incluso el paracaidismo no es realmente una "caída libre" una vez que se acumula la resistencia del aire.
Considere que si la Tierra estuviera girando lo suficientemente rápido como para que usted estuviera en órbita en la superficie, entonces la superficie en sí tampoco sería sostenida por la gravedad y el planeta se separaría, al menos hasta que la superficie restante estuviera lo suficientemente por debajo de la velocidad orbital para permanecer. pegado al planeta.
::parpadeo:: Me interesaría saber cómo llegaste a entender que "el material sobre y dentro de la Tierra está orbitando el centro de la Tierra" . Ninguna fuente confiable debería decir algo así, lo que me deja pensando en cadenas de conjeturas que suenan plausibles.
Ah, y no olvidemos las estrellas de neutrones, la más rápida de las cuales gira a 43 000 RPM, lo que significa que el ecuador se mueve a más del 20 % de la velocidad de la luz.
@dmckee Creo que mi confusión provino de las descripciones de las fuerzas de las mareas (por ejemplo, en.m.wikipedia.org/wiki/Tidal_force ). Siempre muestran "protuberancias" opuestas que miran hacia y desde la Luna, lo que supuse que se debía a que el material de la corteza era empujado a una "órbita" elíptica más alta por la gravedad de la Luna. Creo que ahora veo cómo la corteza terrestre no está en órbita, pero ahora realmente no entiendo las protuberancias de las mareas jajaja
Podría ser útil imaginar la Tierra sin aire y sin girar . La velocidad orbital a una altura dada alrededor de un cuerpo uniforme sin aire no cambia si el cuerpo está girando o no, ¿verdad?
Si juegas con escenarios absurdos como "un planeta con la masa de la Tierra girando lo suficientemente rápido como para que los objetos en la superficie sean lanzados a la órbita", hay un mod en Kerbal Space Program que agrega un planeta como ese al juego. No lo he probado yo mismo, pero aparentemente es bastante difícil aterrizar.
La Luna proporciona una fuerza de gravedad sobre la Tierra, la misma que la Tierra sobre la Luna, y esa fuerza es más fuerte en el lado de la Luna y más débil en el lado opuesto. Si te ayuda, piensa en la Luna como si estuviera alejando el océano del lado cercano de la Tierra y alejando a la Tierra del océano del lado opuesto.
@PM2Ring ¿No estamos todos orbitando alrededor del Sol?
@EricDuminil Buen punto, aunque mi órbita solar se modifica ligeramente ya que estoy unido gravitacionalmente a la Tierra. Pero claro, la Tierra (y todo lo que hay en ella) está flotando en caída libre "sobre" el Sol.
Si lo hiciera, ya tendríamos coches voladores durante bastante tiempo ;-). Además, no necesitaríamos un ascensor espacial (y no podríamos construir uno; se iría volando).

Respuestas (4)

1. ¿El material en la superficie de la Tierra no está en caída libre alrededor del centro de la Tierra?

No. El material en la superficie de la Tierra, o dentro de ella, no está en órbita y, por lo tanto, no está en caída libre. Puede colocarse temporalmente en una órbita (y, por lo tanto, en caída libre) saltando en el aire o saltando desde una superficie más alta. Cuando haces esto, te encuentras brevemente en una órbita muy excéntrica (una que te llevaría muy cerca del centro de la Tierra, si la Tierra no fuera un cuerpo sólido), pero luego golpeas el suelo y ya no estás. en orbita.

La Tierra gira de la misma manera que gira una peonza; esto no tiene nada que ver con las órbitas.

2. ¿Cómo son las órbitas geoestacionarias? Parece que la única órbita que podría ser geoestacionaria estaría sobre la superficie de la Tierra.

Una vez más, la superficie de la Tierra no está en órbita. La Tierra gira como un cuerpo rígido, con (como señaló AtmosphericPrisonEscape) un momento angular residual sobrante de su formación, como un trompo.

Debido a que su velocidad angular en una órbita disminuye cuanto más lejos está de la Tierra, habrá un punto en el que coincidirá con la velocidad de giro de la Tierra. Si organizas la órbita para que esté por encima del ecuador y en la misma dirección que el giro de la Tierra, siempre estarás por encima del punto en el ecuador: una órbita geoestacionaria.

3. ¿Qué cambia a medida que orbitas más arriba de la superficie de la Tierra? ¿Su velocidad angular aumenta o disminuye? ¿Su velocidad tangencial aumenta o disminuye?

Tanto su velocidad angular como su velocidad tangencial disminuyen a medida que se aleja. (Tu velocidad angular disminuiría incluso si tu velocidad tangencial se mantuviera igual, porque la circunferencia de tu órbita aumenta con la altitud; pero, de hecho, la velocidad tangencial también disminuye).

4. ¿El magma cerca del centro de la Tierra no gira más rápido que el material en la corteza, como en un disco de acreción?

La Tierra gira aproximadamente como un cuerpo rígido, por lo que, en general, no. El núcleo exterior fundido (que no es magma) puede girar un poco más lento, mientras que el núcleo interior sólido puede girar un poco más rápido, pero estamos hablando de ∼ 0.1 diferencias de grados por año , y esto no tiene nada que ver con las órbitas. (La Tierra no se parece en nada a un disco de acreción).

5. ¿Pueden dos objetos estar orbitando (circularmente) a la misma altitud pero con diferentes velocidades tangenciales?

Ignorando las desviaciones menores debidas a cosas como la naturaleza no esférica de la Tierra, las concentraciones de masa en la corteza, etc., la velocidad orbital para una órbita circular es función únicamente de la altitud. Entonces, dos objetos en órbita circular a la misma altura deben tener la misma velocidad tangencial. (Tenga en cuenta que pueden tener diferentes velocidades , porque la velocidad es una cantidad vectorial, por lo que puede tener dos objetos orbitando en diferentes direcciones, incluso opuestas, a la misma altitud, al menos hasta que se encuentren).

Buena respuesta, pero una corrección menor de la geofísica: el núcleo externo de la Tierra está fundido (principalmente hecho de hierro) y convección de acuerdo con la magnetohidrodinámica, tal vez (!) Rotando un poco más lentamente en promedio. El núcleo interno de la Tierra consiste (principalmente) en hierro sólido y puede estar girando un poco más rápido que el manto/superficie (pero no más de 0,1 grados/año más rápido; con los años, este número estimado se redujo sustancialmente)
frederik - Buenos puntos; Editaré la respuesta.
"Puedes ponerte temporalmente en órbita (y por lo tanto en caída libre) saltando en el aire o saltando desde una superficie más alta... pero luego golpeas el suelo y ya no estás en órbita". Parafraseando a Douglas Adams, "La habilidad [para volar] radica en aprender a tirarte al suelo y fallar".
Creo que la idea de que cualquier cosa puede estar "en órbita" en la atmósfera de la Tierra es al menos confusa, si no inexacta. "Órbita" implica un ciclo, y se considera que los objetos en órbita terrestre baja, por ejemplo, están "saliendo de órbita" cuando se encuentran con la atmósfera en cualquier densidad significativa. Y tampoco se considera que los aviones estén en órbita (a pesar del diálogo de Star Trek (Mañana es ayer).) En resumen, ningún vehículo tiene los recursos de empuje (ni el escudo térmico necesario) para mantener la velocidad orbital en la atmósfera.
¡Respuesta fantástica de @PeterErwin, marcada como correcta! Si tiene un minuto, me encantaría ver algunos enlaces para respaldar sus afirmaciones. Por ejemplo, las matemáticas detrás del n. ° 3 y de dónde usted (o más bien @frederik) obtuvo los ~ 0.1 grados / año en el n. ° 4. ¡Gracias de nuevo de cualquier manera!
También @PeterErwin, con respecto al n. ° 5 ... ¿Qué pasaría si un cohete estuviera en órbita y se disparara en diagonal para que su aceleración tuviera un componente tangencial que aumentara su velocidad tangencial y un componente perpendicular que empujara hacia la Tierra ... no podría alcanzar? una velocidad tangencial más rápida a la misma altura? Sin embargo, supongo que eso no es realmente cierto en órbita ... presumiblemente una vez que apagó los motores, su velocidad tangencial lo enviaría a una órbita "verdadera" más alta, elíptica.
@JeffY Estás usando una definición más restringida de una órbita. En general, todo lo que sigue las geodésicas es una órbita (o en los modelos de Netwonian, cualquier trayectoria curvada principalmente por la gravedad), y generalmente también permitimos órbitas que no siguen perfectamente las geodésicas (por ejemplo, los satélites alrededor de la Tierra no siguen perfectamente las geodésicas, porque son acelerados por sus colisiones con el aire). En el mismo sentido, una persona que salta de un acantilado sigue imperfectamente una geodésica (hasta que toca el suelo). El punto principal es que los objetos en órbitas se mueven exactamente de la misma manera, independientemente de cuántas órbitas hagas.
@ Rabadash8820 El cohete no estaría en caída libre; sentirías la aceleración a bordo de la nave espacial (de hecho, lo mismo que si estuvieras parado en una superficie: básicamente hiciste un avión muy tonto). Eso no es una órbita. Estar en órbita significa que estás siguiendo geodésicas: tu trayectoria está curvada solo por la gravedad (hasta una aproximación razonable). El punto crucial es que tan pronto como apagues ese motor, estarás en una órbita altamente excéntrica donde tu altitud cuando apagaste el motor es el punto más bajo, y el punto más alto depende de tu velocidad en ese momento. .
@JeffY También me encontré con esa frustración aquí por el término "órbita", incluso el sitio web de la NASA define una órbita como "un camino regular y repetitivo" y dice que "todas las órbitas son elípticas". Wikipedia da una definición más general, que es simplemente una "trayectoria curvada gravitacionalmente". La mayoría de la gente usa "órbita" como abreviatura de "trayectoria orbital" (que se repite y es elíptica), pero también podría referirse a una trayectoria suborbital o de escape (que no se repite ni es elíptica), particularmente entre una trayectoria tan precisa y multitud de expertos que encontrará aquí.
@JeffY Incluso en el problema de los dos cuerpos, hay órbitas hiperbólicas (¡como los cometas extrasolares!) Que no son "cíclicas". Y más generalmente, hay órbitas caóticas que tampoco son cíclicas. (Como señaló Luaan: ¡geodésicas!)
Nuevamente, es muy confuso (léase contraproducente) incluir "cualquier ruta geodésica" en la definición de "órbita", especialmente cuando hay otro término perfectamente bueno para describir tales trayectorias a diferencia de las órbitas: balística. Alan Shepard no fue el primer estadounidense en orbitar. Insistir en lo contrario es, francamente, divisivo, malhumorado e innecesario.
"5. ¿Pueden dos objetos estar orbitando (circularmente) a la misma altitud pero con diferentes velocidades tangenciales?" No puedo dejar eso sin mencionar las órbitas de herradura.
@ Rabadash8820 Agregué un enlace en la respuesta al n. ° 4 que apunta a Nat.Geo. artículo (que tiene enlaces a los documentos originales) que resume el trabajo reciente sobre la rotación del núcleo.

Imagina que estás en órbita alrededor de la tierra, varios 100 km hacia arriba. ¿Qué pasa cuando bajas la velocidad? Así es, te caes hasta que alguna fuerza detiene tu caída. Esa fuerza es el empuje desde el suelo.

Así que ahora imagina: ¿Qué sucede cuando lanzas una pelota al aire? Vuelve a caer al suelo. Entonces se deduce que la bola es demasiado lenta para estar en órbita.

Un corolario interesante a esta pregunta: si el suelo no está en órbita, ¿cómo se mueve (más o menos) en un círculo? Si modelamos una sección de suelo como una partícula aislada, está claro que para moverse en un círculo a pesar de tener una velocidad tangencial relativamente baja, necesitaría que se le aplicara una fuerza constante para contrarrestar la dirección en la que la partícula "le gustaría". go', siguiendo la gravedad.

¿De dónde viene esta fuerza? Proviene de la repulsión electromagnética del material cercano que constituye el resto de la Tierra, que, habiendo existido durante bastante tiempo, se ha estabilizado en gran medida en un equilibrio en el que la compresión acumulada contrarresta la fuerza de la gravedad, permitiendo que el material en la superficie se mueva aproximadamente en un círculo, a pesar de moverse demasiado lento para estar en una órbita circular de caída libre.

Normalmente pensamos en el suelo como "deteniendo nuestra caída", lo cual hace, pero también nos empuja continuamente a seguir el camino de la rotación de la superficie mientras estamos en contacto con ella. Fundamentalmente, el electromagnetismo está ganando a la gravedad, previniendo nuestro colapso y permitiéndonos movernos en un marco giratorio sin necesidad de orbitar.

"también nos empuja continuamente a seguir el camino de la rotación de la superficie mientras estamos en contacto con ella", esto no es realmente cierto. El material del que estábamos hechos, y del que estaban hechos nuestros padres, y del que estaba hecha la vida misma, estaba girando mucho antes de que existiéramos. Simplemente tenemos el impulso también, es por eso que saltar no te catapulta hacia el oeste.
Bueno, el momento residual explica la parte que nos mueve en un marco giratorio en primer lugar; la fuerza de la Tierra explica por qué no colapsa debido a la gravedad, a pesar de que el marco giratorio no nos mueve lo suficientemente rápido como para estar en una órbita de caída libre
buen punto, sin embargo; Edité la redacción para ser un poco más preciso

Encuentro esta comparación de velocidades tangenciales en Wikipedia muy confusa.

…

Según él, la velocidad tangencial de la superficie terrestre (465,1 m/s) es diferente de la velocidad tangencial requerida para "orbitar" en la superficie terrestre (7,9 km/s).

Eso podría ser, pero han elaborado explícitamente "... la propia rotación de la Tierra en la superficie (a modo de comparación, no una órbita)..."

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¿Está la superficie de la Tierra "en órbita"?
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