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

Tengo entendido 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 adelante.

Mi pregunta es ¿por qué el eje no sigue la trayectoria orbital (algo así como un automóvil que conduce 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 pequeñas áreas de contacto son las que cambian la orientación de su automóvil y cambian el vector de velocidad de su automóvil. Esto significa que el torque en su automóvil cuando gira el volante y la fuerza centrípeta en su automóvil que hace que su automóvil negocie un giro están íntimamente relacionados. Gire suavemente el volante y la pesada parte delantera de su automóvil hará lo mismo. Suponiendo un giro suave, la parte trasera liviana de su automóvil pronto hace lo mismo. Si gira demasiado bruscamente, su automóvil comenzará a patinar en lugar de girar. Gire aún más fuerte y corre el riesgo de que su automóvil se vuelque y ruede. El movimiento de su automóvil depende de ese acoplamiento íntimo entre fuerza y ​​par.

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 por la gravedad a través de la Tierra debido a las 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 par de gradiente de gravedad neto en la Tierra.

El resultado principal del par de gradiente de gravedad ejercido por la Luna y el Sol sobre 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 sobre la normal a la eclíptica a razón 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, mucho más pequeños en magnitud pero tienen períodos mucho, mucho más cortos. El mayor de estos efectos menores resulta de las variaciones cíclicas de 18,61 años en el nodo lunar. Incluso este componente más grande de nutación es pequeño, dos órdenes de magnitud más pequeño que la gran pero lenta precesión.

Imagina la Tierra como una pequeña bola suspendida en el aire, sin moverse, aunque gira sobre su eje. A menos que se le apliquen fuerzas, no pasará absolutamente nada. Esa es la conservación de la energía (o momento; 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 de traslación 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 de rotación 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 el eje de la Tierra se mueve durante 26 000 años (lo hace, por cierto, no solo un ciclo por año)? Al igual que con las mareas, además de cómo la rotación de la Tierra se está desacelerando, son principalmente las fuerzas de marea de la Luna y el Sol las que actúan, aunque los otros planetas hacen algunas contribuciones a los cambios generales.

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

Los demás planetas obedecen a 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.

El cambio de ángulo 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 fuentes principales de la fuerza de las mareas son el Sol y la Luna, que cambian continuamente de ubicación entre sí y, por lo tanto, provocan la nutación en el eje de la Tierra. El mayor componente 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 significativos que deben calcularse según 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″ de longitud y 9″ de 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):

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 bien indicas, la orientación del eje es la responsable del cambio de estación. Las zonas que reciben la exposición solar más directa son en verano; las áreas que reciben la luz del sol están 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 por encima o por debajo del ecuador del Sol determina las estaciones.

Mantengamos las cosas simples. A continuación se muestra una imagen de la 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 provoca 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. Intente mirar desde arriba para que quede más claro. Hay un círculo rojo de rotación en el polo si miras de cerca.

La Tierra no gira alrededor del Sol, en efecto, está siendo atraída hacia el Sol, pero gira lo suficientemente rápido alrededor de él para contrarrestar la gravedad y no acercarse, de la misma manera que los satélites permanecen orbitando en el espacio. El automóvil sería más como una nave espacial, ya que tendría una fuerza/empuje que lo empujaría alrededor del Sol.

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

Debido a que la atracción gravitatoria del Sol sobre la Tierra es (casi) uniforme, no inclina la Tierra, solo la atrae como un todo, sin afectar el giro de la Tierra alrededor de su propio eje.

El radio de la Tierra es de ~ 6400 km, la distancia al Sol es de ~ 150 000 000 km y la fuerza gravitatoria disminuye con el cuadrado de la distancia, por lo que la relación en la atracción sobre dos pequeños volúmenes de la Tierra, el más cercano y el más lejano de el Sol en un momento dado, es

por lo que la fuerza de inclinación es muy pequeña.

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

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

Si el eje de la Tierra siempre apunta hacia Polaris, entonces el eje de la Tierra tiene que cambiar continuamente a lo largo del año en un cambio de distancia orbital de 186,000,000 millas.

Si la inclinación en diciembre es de 23,4 grados, marzo sería una inclinación menor y una inclinación adicional hacia el sol, junio sería la inclinación más pequeña de la Tierra, octubre sería una inclinación menor 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.

Usted mismo puede probarlo fácilmente.