Por que o eixo da Terra não muda durante o ano?

Meu entendimento é que o eixo da Terra aponta na mesma direção no espaço durante toda a sua órbita ao redor do sol. E é isso que causa nossas estações.

Minha pergunta é por que o eixo não segue o caminho orbital (como um carro dirigindo em um círculo)?

Eu imagino que a Lua tenha um papel nisso.

Como questão secundária, os outros planetas em nosso sistema solar orbitam o mesmo que a Terra (seu eixo aponta na mesma direção no espaço para toda a sua órbita)?

Meu entendimento é que o eixo da Terra aponta na mesma direção no espaço durante toda a sua órbita ao redor do sol. E é isso que causa nossas estações.

A segunda declaração está correta. A inclinação axial é o principal motor das estações.

A primeira declaração não está exatamente correta. Há uma pequena mas persistente mudança na orientação do eixo da Terra. A mudança ao longo de um ano é pequena. A mudança ao longo de 13.000 anos é grande. Em 13.000 anos, o eixo da Terra será inclinado em cerca de 47 graus em comparação com a orientação atual. Em mais 13.000 anos, a Terra será orientada de maneira muito semelhante à sua orientação agora. Vou escrever mais sobre isso mais tarde.

Minha pergunta é por que o eixo não segue o caminho orbital (como um carro dirigindo em um círculo)?

Esse não é um bom modelo mental. O único contato entre o carro e o solo são as partes inferiores das quatro rodas do carro. As forças nessas quatro pequenas áreas de contato são o que muda a orientação do seu carro e o vetor de velocidade do seu carro. Isso significa que o torque no seu carro ao girar o volante e a força centrípeta no seu carro, que faz com que seus cuidados negociem uma curva, estão intimamente conectados. Gire o volante suavemente e a extremidade dianteira pesada do seu carro segue o exemplo. Supondo uma curva suave, a traseira leve do seu carro logo segue o exemplo. Se você virar muito, seu carro começa a derrapar em vez de virar. Torne-se ainda mais difícil e você corre o risco de virar o carro. O movimento do seu carro depende desse acoplamento íntimo entre força e torque.

Gravitação não funciona assim. Em vez disso, atua em cada pedaço da Terra, todos juntos, todos de uma vez, o tempo todo. Há uma ligeira variação na aceleração induzida pela gravidade em toda a Terra devido a variações na distância da Lua (ou Sol), mas essas variações são pequenas. A força gravitacional líquida na Terra é muito dissociada do pequeno torque gradiente de gravidade líquida na Terra.

O principal resultado do torque do gradiente de gravidade exercido pela Lua e pelo Sol na Terra é uma precessão muito lenta, mas grande, do eixo de rotação da Terra (para mais, leia este artigo da wikipedia sobre precessão axial ). Essa precessão faz o eixo de rotação da Terra girar sobre o normal para a eclíptica a uma taxa de uma revolução a cada 25772 anos. Existem efeitos menores chamados coletivamente de nutações e movimento polar que resultam do torque do gradiente de gravidade. Esses efeitos menores são muito, muito menores em magnitude, mas têm períodos muito, muito mais curtos. O maior desses efeitos menores resulta das variações cíclicas de 18,61 anos no nó lunar. Mesmo esse maior componente de nutação é pequeno, duas ordens de magnitude menores que a precessão grande, mas lenta.

Imagine a Terra como uma pequena bola suspensa no ar, sem se mover, embora esteja girando em seu eixo. A menos que forças sejam aplicadas a ele, absolutamente nada acontecerá. Isso é conservação de energia (ou momento; você pode trabalhar com isso de qualquer maneira). A Terra não começará espontaneamente a se mover em uma direção, porque isso violaria a conservação da energia translacional e a conservação do momento linear. Se isso acontecesse, a energia seria obtida do nada.

Pelo mesmo motivo, a Terra não começará a se inclinar para um lado. Isso é conservação da energia cinética rotacional e conservação do momento angular no trabalho. Esclarecido?

Então, sim, Keith é perfeito. Você precisaria de algum tipo de torque para girar o eixo da Terra assim.

Então, por que o eixo da Terra se move durante 26.000 anos (a propósito, apenas um ciclo por ano)? Assim como nas marés, além de como a rotação da Terra está diminuindo, são principalmente as forças das marés da Lua e do Sol em ação, embora os outros planetas façam algumas contribuições para as mudanças gerais.

Posso adicionar um pouco de matemática, se você quiser, mas esteja avisado, eu mesmo estou aprendendo, para que não seja explicado da maneira que você desejar.

Os outros planetas obedecem às mesmas leis da Terra, portanto seus eixos devem apontar na mesma direção ao longo do ano, ignorando os efeitos da precessão axial.

A mudança do ângulo entre o sol e a lua causa uma leve nutação no eixo de rotação da Terra durante um período de 18,6 anos .

No caso da Terra, as principais fontes de força das marés são o Sol e a Lua, que mudam continuamente de local um em relação ao outro e, portanto, causam nutação no eixo da Terra. O maior componente da nutação da Terra tem um período de 18,6 anos, o mesmo da precessão dos nós orbitais da Lua. 1 No entanto, existem outros termos periódicos significativos que devem ser calculados dependendo da precisão desejada do resultado.

O principal termo de nutação é devido à regressão da linha nodal da lua e tem o mesmo período de 6798 dias (18,61 anos). Atinge mais ou menos 17 ″ de longitude e 9 ″ de obliquidade. Todos os outros termos são muito menores; o próximo maior, com um período de 183 dias (0,5 ano), tem amplitudes de 1,3 ″ e 0,6 ″, respectivamente.

Não é um efeito grande (do link):

A Terra age como um giroscópio maciço. Uma força tremenda seria necessária para alterar a orientação do eixo. Embora as forças sejam certamente exercidas, elas não são grandes o suficiente para causar mudanças consideráveis ​​na orientação do eixo quando a Terra cai / orbita em torno do Sol. Como você indica, a orientação do eixo é responsável pela mudança de estação. As áreas que recebem a exposição mais direta à luz solar são no verão; as áreas que recebem luz solar intensa estão no inverno.

A rotação da Terra em torno do Sol não é circular, mas elíptica. Durante sua órbita, a distância da Terra ao Sol muda. Muitas fontes relatam que, embora isso seja verdade, ele tem pouco efeito na temporada. Essas fontes indicam que a orientação do eixo da Terra combinada com a "inclinação" da órbita da Terra acima ou abaixo do equador Suns determina as estações do ano.

Vamos manter as coisas simples. Abaixo está uma imagem da órbita da Terra.

Entendo a pergunta como o porquê do eixo não apontar para o Sol o tempo todo. A resposta que compara a Terra a um giroscópio é a mais fácil de usar. O efeito de rotação no eixo causa uma força que ajuda a manter o eixo da Terra em um ângulo de 23,5 ° (Aprox); há uma leve oscilação de alguns metros no eixo da terra. Tentar olhar de cima pode torná-lo mais claro. Há um círculo vermelho de rotação no poste, se você olhar de perto.

A Terra não está dirigindo ao redor do Sol; na verdade, está sendo puxada para o Sol, mas está indo rápido o suficiente para neutralizar a gravidade e não se aproximar, da mesma forma que os satélites permanecem orbitando no espaço. O carro seria mais como uma nave espacial, pois teria uma força / impulso empurrando-o ao redor do sol.

Quanto à segunda pergunta, os outros planetas fazem o mesmo, mas em ângulos diferentes.

Como a força gravitacional do Sol sobre a Terra é (quase) uniforme, não inclina a Terra, apenas a puxa como um todo, sem afetar a rotação da Terra em torno de seu próprio eixo.

O raio da Terra é de ~ 6.400 km, a distância do Sol é de ~ 150.000.000 km, e a força gravitacional diminui como um quadrado de distância. o Sol em um dado momento, é

então a força de inclinação é muito pequena.

Se a variação fosse exatamente 0 (ou seja, a razão exatamente 1), a força de inclinação seria exatamente 0 e o giro da Terra não teria sido afetado. Para isso, remova o sol da imagem.

E pela teoria geral da relatividade, se a Terra estivesse se movendo em uma força uniforme, seria como se não houvesse força, do ponto de vista da Terra.

Se o eixo da Terra está sempre apontando em direção ao Polaris, o eixo da Terra deve mudar continuamente ao longo do ano, ao longo de uma mudança de distância da órbita de 186.000.000 de milhas.

Se a inclinação em dezembro é de 23,4 graus, março seria menos inclinado e mais inclinado para o sol, junho seria a menor inclinação da Terra, outubro seria menos inclinado e inclinado em direção ao sol. Sem essa mudança de inclinação da Terra, o Polaris seria alinhado apenas um dia por ano em dezembro.

Você pode facilmente provar isso sozinho.