¿Pueden los cuerpos planetarios tener un segundo eje de rotación?

¿Es posible que un cuerpo planetario tenga un eje de rotación secundario? Por ejemplo, digamos que hay un cuerpo similar a la Tierra que gira con su Polo Norte mirando hacia el Sol. Imagine que el Polo Norte siempre está frente al Sol, en una posición un tanto bloqueada por las mareas. ¿Es esto posible? ¿Es posible que el eje de rotación real cambie con el tiempo de manera predecible y estable?

Soy consciente de que la inclinación axial puede variar y oscilar con el tiempo. Supongo que lo que estoy preguntando es, ¿es posible que la inclinación axial en sí misma esté bloqueada por mareas en otro cuerpo astronómico? ¿Es posible que la inclinación axial gire sobre su propio eje independientemente de las perturbaciones de otros cuerpos?

Las buenas respuestas me proporcionarán un sí o un no, además de proporcionarme ejemplos de posibles cuerpos celestes que ya muestren esta característica. Proporcione enlaces o imágenes para obtener puntos de bonificación.

La relación con la construcción del mundo es que, en mi historia, trato de que el planeta principal sea en realidad una luna de un gran gigante gaseoso, pero que sea habitable, tenga estaciones y tenga diferencias de temperatura ecuatoriales y polares. Mi idea original era usar el punto L1 Lagrangiano del gigante gaseoso para que mantuviera una distancia bastante constante del sol, pero este punto no se puede estabilizar de forma natural. ( Ver mi pregunta anterior aquí )

EDITAR: ¿Pueden las fuerzas magnéticas, que son más fuertes que la gravitación, hacer que un polo siempre mire hacia el mismo lado? Después de todo, una brújula siempre apunta al polo norte, entonces, ¿por qué el polo norte no siempre puede apuntar a un sol o un planeta con una gran cantidad de metales?

Un cuerpo sólido que gira libremente tiene un solo eje de rotación en un momento dado. Esto es mecánica elemental. El eje de rotación puede girar (= precesión ) u oscilar (= nutación ). Además, un cuerpo en rotación tiende a reaccionar enérgicamente contra los intentos de cambiar su eje de rotación (= efecto giroscópico ).
@overlord ¿Cuál es el efecto deseado que está tratando de lograr?
@overlord Parece que está haciendo una pregunta de física pura aquí, aunque nos gustan las ciencias, preferimos que proporcione un contexto de construcción mundial.
El teorema de rotación de Euler parece relevante aquí.
Como otros han dicho, un objeto no puede tener múltiples ejes de rotación, pero según su pregunta, parece que eso puede no ser lo que realmente se está preguntando: parece que está preguntando si puede tener un planeta que está girando. alrededor de un solo eje y, mientras tanto, el eje mismo gira de tal manera que uno de los polos de rotación siempre mira hacia el sol (por lo que el eje es paralelo a la línea del sol al planeta). Si eso es lo que está preguntando, debe editar su pregunta para que ya no hable sobre un "segundo eje de rotación", ya que esa no es una descripción correcta de la situación en física.
Como señalaron otros, en 3D solo puede haber 1 eje de rotación. En 4D puede haber dos. Pero la consecuencia es realmente muy interesante: es exactamente porque en 3D solo puede haber 1 eje de rotación... nuestro universo existe. De lo contrario, el gas primitivo nunca formaría galaxias/estrellas/planetas. El universo 4D es un vacío sin vida de gas y partículas dispersas.
Nada que ver con un segundo eje de rotación, pero si quieres un ejemplo de planeta con una inclinación poco convencional de su eje de rotación, echa un vistazo a Urano . Su eje está (casi) en el plano de la órbita, lo que provoca todo tipo de duraciones de día/temporada/año no intuitivas. Imagen genial para eso
@Hoki Pero no está bloqueado por mareas, ¿verdad? A veces el polo apunta hacia el sol, la próxima estación es ortogonal.
Creo que lo que estás preguntando no es un "segundo eje de rotación", sino un eje de precesión.
El planeta no puede debido al tipo de maniobra que deseas; las fuerzas involucradas en tratar de cambiar el eje lo suficiente para que siempre apunte hacia el sol harían cosas muy malas para el entorno planetario. Estás hablando del equivalente de los niveles de energía para derretir la corteza.
@Barmar, de hecho no. No está bloqueado por mareas. No es que el OP estuviera preguntando, solo otro ejemplo de configuración de planeta "no tan convencional".
¿Pueden las fuerzas magnéticas, que son más fuertes que la gravitación, hacer que un polo mire siempre hacia el mismo lado? Después de todo, una brújula siempre apunta al polo norte, entonces, ¿por qué el polo norte no siempre puede apuntar a un sol o un planeta con una gran cantidad de metales?
Las fuerzas magnéticas de @overlord están limitadas de varias maneras importantes, entre ellas, que el campo alrededor de un dipolo cae proporcionalmente al cubo inverso de la distancia. Las intensidades de los campos magnéticos de las estrellas y los planetas son casi siempre bastante pequeñas en comparación con las intensidades de sus campos gravitatorios.
(y ahora lo leí más, parece que la fuerza magnética entre dos dipolos, como la que encontrarías entre una estrella y un planeta, es inversamente proporcional a la cuarta potencia de su separación).

Respuestas (3)

Sí, puede, pero no en nuestro universo 3D (pero esto no está etiquetado como ciencia dura de todos modos).

Quizás sea mejor pensar en la rotación como "en un plano", en lugar de "alrededor de un eje". El plano de rotación tiene dos dimensiones: no puede encajar otro plano de rotación independiente en nuestro espacio tridimensional, le falta una dimensión adicional.

Sin embargo, en un espacio 4D , puede tener dos planos de rotación independientes y, por lo tanto, dos ejes de rotación (estos son planos 2D, no líneas 1D) que se cruzan en un punto.

Hice esta misma pregunta, en la pila de física. La respuesta es que un cuerpo sólo puede tener un eje de rotación . A continuación se pega el enlace a la pregunta y la respuesta que elegí.

https://physics.stackexchange.com/questions/322200/how-many- different-axes-of-rotation-can-coexist

P: Tengo preguntas sobre la rotación.

Hay una esfera en el espacio. Puedo aplicar una fuerza para hacer que la esfera gire alrededor de un eje central. Se puede dibujar un número infinito de posibles ejes centrales.

¿Puedo aplicar una fuerza y ​​luego otra fuerza de manera que la esfera gire alrededor de 2 ejes centrales diferentes al mismo tiempo? Creo que sí....

R: No, este no es el caso. Cualquier cuerpo rígido, en cualquier momento, solo puede estar girando alrededor de un eje de rotación instantáneo. Si aplica pares adicionales, este eje puede cambiar, pero no existe tal cosa como tener más de un eje de rotación.

Ahora, dicho esto, si el cuerpo es asimétrico, como, digamos, una losa de madera, entonces puedes pensar en girarlo rápidamente sobre su eje largo y luego más lentamente sobre un eje ortogonal a eso, pero incluso entonces eso es una ilusión: en un momento dado, el bloque está experimentando una rotación instantánea alrededor de un solo eje, con la extraña propiedad de que este eje cambiará de posición con respecto al cuerpo y al marco inercial del laboratorio.

Emilio continúa dando las fórmulas detrás del momento angular y algunos ejemplos. ¡Ve a votar su respuesta!

Sin embargo, las apariencias pueden sugerir que la rotación se trata de dos ejes si el cuerpo carece de cierta simetría, como si tuviera la forma de una baraja de cartas o una raqueta de tenis. teorema de la raqueta de tenis o teorema del eje intermedio . Cuando a un objeto de este tipo se le proporciona un impulso angular alrededor del eje intermedio, el cuerpo cae alrededor del primer y tercer eje principal. Es sorprendente por qué su enlace Physics.stackexchange menciona esto en un solo comentario.
Hubiera sido mejor preguntar esto en el foro de Astronomía, porque probablemente habrían notado las excepciones importantes 1) La mayoría de los cuerpos astronómicos no son esferas rígidas (estrellas, planetas gigantes gaseosos, agujeros negros) y 2) Fuerzas externas, como satélites, otros planetas, estrellas, etc. pueden inducir rotaciones secundarias (como la de la Tierra). En algunos casos, estas rotaciones secundarias pueden ser bastante extremas (pero probablemente no en un planeta habitable).
@PieterGeerkens No estoy seguro de a qué te refieres: el teorema del eje intermedio solo dice que las rotaciones alrededor de un eje de momento de inercia intermedio son inestables. Independientemente de este hecho, la rotación de un cuerpo rígido solo puede ser alrededor de un eje en un espacio tridimensional. El eje puede cambiar con el tiempo, pero el hecho de que solo haya uno en un momento dado no tiene nada que ver con el teorema del eje intermedio, ni con la mecánica en absoluto: es matemática pura. Específicamente, está diciendo que cualquier elemento que no sea identidad de SO (3) tiene un espacio propio unidimensional con valor propio 1.
@elduderino: Y para un observador, el objeto, para muchos propósitos, parecerá estar girando alrededor de dos ejes debido a la inestabilidad rotacional. Los observadores legos se preocupan por las apariencias, no por la teoría matemática. Pruébelo usted mismo con una baraja de cartas: realmente se ve extraño.
@PieterGeerkens Ah, veo de lo que estás hablando: estaba confundido porque la respuesta citada por WillK parece abordar esto, así que asumí que estabas hablando de otra cosa. Pero veo cómo un laico podría combinar "cambiar el eje de rotación" con "múltiples ejes de rotación", que creo que es algo de lo que el OP probablemente fue víctima al hacer esta pregunta en primer lugar.

Sí puede. ¡Y la Tierra (y cualquier planeta) lo ha hecho! E incluso 2 "ejes" más, no solo uno

Hay un fenómeno de este tipo que se llama " precesión " y " nutación " .

Sólo hay un eje de rotación. La precesión y la nutación tratan sobre cómo cambia ese eje en el tiempo en respuesta a fuerzas externas. Sin embargo, dado que el OP en realidad no está detrás de dos ejes de rotación, su respuesta es relevante.
Un planeta similar a Urano, con un eje de rotación aproximadamente paralelo al plano del sistema estelar, quizás podría experimentar una precesión lo suficientemente extrema como para mantener el eje apuntando a la estrella. Esto no sería un "bloqueo de marea", sería una coincidencia y cualquier perturbación fácilmente haría que esto divergiera. La precesión es causada por las fuerzas de marea gravitatorias de la(s) luna(s) y la estrella aplicando torque al ecuador de un esferoide achatado. Tendría que haber fuerzas de marea masivas, y/o la duración del año del planeta tendría que ser muy larga.
Una buena pregunta adicional sería qué tan rápido pueden ocurrir la precesión y la nutación.
Con un impulso externo (como en la giroestabilización), la precesión puede ocurrir a cualquier velocidad dependiendo de ese impulso (incluso mayor que la velocidad de rotación). En el caso de un cuerpo estelar, ese momento se origina a partir de las fuerzas gravitatorias de las lunas y otros planetas y, por lo general, es de miles a miles de millones de veces menor que la velocidad angular. Pero para casos especiales artificiales (como el sistema de dos planetas) puede ser cientos de veces menor que la velocidad angular, es decir, alrededor de un año. Las nutaciones son mucho más rápidas, pero tienen amplitudes mucho más pequeñas.
@Benjamin Eso depende de la relación de la inercia rotacional del cuerpo con el par que causa la precesión/nutación. Las órbitas de los satélites, que tienen una inercia rotacional baja en comparación con el par que les aplica el sol y la luna, pueden tener una precesión lo suficientemente rápida como para ser sincronizadas con el sol: una precesión completa por año, lo que permite que la órbita permanezca igual en relación con la tierra y sol. (¡Muy útil para colocar un satélite en órbita baja bajo la luz solar eterna!) Sin embargo, para cuerpos casi esféricos como los planetas, la relación par / inercia rotacional es mucho, mucho peor.
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