Fricción debido a la rotación de la Tierra

Sospecho que esta pregunta tiene sus raíces en la idea errónea generalizada de que se necesita alguna fuerza externa para mantener la rotación de la Tierra. Ese no es el caso. El momento angular es una cantidad conservada. Un objeto giratorio que no está sujeto a ningún par externo girará con un momento angular constante. Este es el análogo rotacional de la primera ley de Newton. Se necesita un par externo para cambiar el momento angular de un objeto giratorio.

Dicho esto, hay una buena cantidad de fricción sobre y dentro de la Tierra debido a la rotación de la Tierra. Un ejemplo de una fuerza de fricción debida a la rotación de la Tierra son los vientos. Los ciclones tropicales (huracanes y tifones) son un ejemplo extremo de vientos causados ​​en parte por la rotación de la Tierra. Los cambios estacionales en la distribución de los vientos principales en el transcurso de un año dan como resultado cambios pequeños pero observables en la velocidad de rotación de la Tierra. Vea esta respuesta sobre si las tormentas pueden hacer que el día sea más largo o más corto.

La atmósfera es una parte de la Tierra en su conjunto. Los cambios dentro de la Tierra como los descritos anteriormente no cambian ni un poco el momento angular total de la Tierra. Eso requiere un par externo. Tal par existe. Las mareas oceánicas provocadas por el Sol y la Luna provocan fricción en el fondo del océano, y esto reduce gradualmente la velocidad de rotación de la Tierra. La evidencia de esta desaceleración se registra en algunas formaciones rocosas en bandas.

No, no hay fuerza de fricción que se oponga a la fuerza centrífuga. La forma de la tierra es un esferoide achatado tal que la superficie de la tierra, donde la tierra es plana (por ejemplo: la superficie del océano) está en ángulo recto con la suma de la fuerza centrífuga y la fuerza gravitatoria. Así, la fuerza normal y la gravedad proporcionan todas las fuerzas necesarias para mantener la aceleración centrípeta axial, es decir, para mantener el objeto estacionario con respecto a la superficie terrestre.

Pero en realidad, el peso es la única razón por la cual la tierra tiene su forma de esfera. La estructura natural de los sólidos rocosos golpeados al azar es una forma de papa grumosa, como podemos ver al observar los asteroides. ¿Qué pasa si hacemos un plano inclinado de un líquido? Obviamente, el líquido se encharca de modo que la superficie del líquido es normal al vector de peso local. ¿Qué sucede si hacemos un planeta lo suficientemente pesado como para que su peso lo atraiga a una esfera, como un líquido? La superficie se encharca de modo que la superficie es normal al vector de peso local, es decir, la tierra es un poco más gruesa en el medio que de polo a polo: un esferoide achatado, no una esfera.

La respuesta de André Chalella identifica una declaración verdadera:

Donde la superficie de la Tierra es paralela a la superficie de una esfera concéntrica con la Tierra, la suma de la gravedad, la fuerza centrífuga y la fuerza normal es pequeña pero distinta de cero y en la dirección tangente a la superficie y en la dirección del ecuador. Si el objeto no se mueve, debe haber una fuerza de fricción estática igual y opuesta.

Pero luego importa una declaración falsa: "la Tierra se puede aproximar como una esfera concéntrica con la Tierra para este propósito", lo que lleva a un resultado falso: "un objeto estacionario donde la Tierra es plana detecta tal fuerza de fricción". Dado que la misma fuerza que estamos tratando de calcular es la razón por la cual la Tierra no es una esfera perfecta, no podemos asumir que la Tierra es una esfera perfecta cuando intentamos calcularla.

Si y no.

No, una vez que el cuerpo está sincronizado con la rotación de la Tierra, no hay necesidad de que una fuerza de fricción trabaje para mantener el cuerpo en rotación. Esto es lo que significaba la otra respuesta, creo, y es probablemente lo que querías saber.

Sin embargo, puede existir una fuerza de fricción . Es pequeño y no produce ningún trabajo, porque es perpendicular a la velocidad del cuerpo.

Esta fuerza es cero en el ecuador y es mayor en la latitud 45º. También es cero en los polos, porque en los polos el cuerpo (puntual) no viaja en un círculo (radio cero).

Esta fuerza existe en todos los puntos de la superficie donde la superficie no es localmente tangente a un esferoide achatado que equilibra esta fuerza.

Para comprender esta fuerza, piense en la Tierra como una simple esfera que gira a lo largo de su eje Norte-Sur. Recuerda que la rotación de la Tierra hace que los cuerpos de toda la superficie viajen en un movimiento circular cuyo centro no es el centro de la Tierra (excepto cuando el cuerpo está en el ecuador). Eso significa que la fuerza resultante sobre el cuerpo es una fuerza centrípeta que apunta hacia el eje Norte-Sur, pero no hacia el centro de la Tierra. La dirección de esta fuerza está en un plano horizontal secante a la Tierra, que contiene la línea de latitud en la que se encuentra el cuerpo.

Sin embargo, tal resultante no puede surgir de las "fuerzas habituales": el peso y la normalidad están en línea recta desde el centro de la Tierra hasta el cuerpo. Entonces debe haber una fuerza de contacto tangencial para "fijar" la dirección de la resultante. Esa es la fricción de la que estamos hablando.

Si tal fricción no existiera, el cuerpo viajaría a lo largo de un gran círculo en lugar de una línea de latitud .

En mis (simples) cálculos, la magnitud de la fuerza de fricción es$m \omega^2 R \sin \theta \cos \theta$($R$es el radio de la Tierra y$\theta$es la latitud).

Esta fuerza es la razón por la cual la Tierra no es esférica, habiéndose convertido (aproximadamente) en un esferoide achatado (un elipsoide) como se mencionó anteriormente. El radio de la Tierra es mayor en el ecuador que en los polos. Investigue el abultamiento ecuatorial para obtener más información.

Encontré esta foto en línea que ayuda a entender la situación.