Mengapa sumbu Bumi tidak berubah sepanjang tahun?

16

Pemahaman saya adalah bahwa sumbu Bumi menunjuk ke arah yang sama di ruang angkasa selama seluruh orbitnya mengelilingi matahari. Dan inilah yang menyebabkan musim kita.

Pertanyaan saya adalah mengapa sumbu tidak mengikuti jalur orbit (seperti mobil yang berputar-putar)?

Saya membayangkan Bulan berperan dalam hal ini.

Sebagai pertanyaan sekunder, apakah planet-planet lain di tata surya kita mengorbit sama dengan Bumi (porosnya menunjuk ke arah yang sama di ruang angkasa untuk seluruh orbitnya)?

orbit the-sun earth

— rmaddy
sumber

7

Mengapa Anda berharap itu berubah? Mengubah arah poros Bumi akan membutuhkan perubahan besar momentum sudut. Itu memang berubah selama ribuan tahun, tetapi tidak ada mekanisme untuk mengubahnya selama satu tahun.

— Keith Thompson

Bukannya saya berharap itu berubah. Hanya saja saya tidak tahu mengapa itu bekerja satu arah dan bukan yang lain. Saya seorang programmer komputer, bukan jagoan matematika / fisika. :)

— rmaddy

3

Saya pikir jawabannya bermuara pada pelestarian momentum sudut, tetapi saya akan menyerahkannya kepada orang lain yang tahu fisika lebih baik daripada yang saya lakukan untuk mengirim jawaban.

— Keith Thompson

7

Saran saya: bawa salah satu mainan kecil itu giroskop atau roda bicyle pada porosnya, buat berputar cepat, dan coba berjalan (atau mengemudi) mengitari bola lampu sehingga sumbu menunjukkan seperti yang Anda harapkan. Anda akan dengan cepat menemukan bahwa Anda harus menerapkan kekuatan besar untuk membuat arah perubahan sumbu saat Anda mengorbit bola lampu; tidak ada gaya yang sesuai di bumi, sehingga sumbu tidak berubah arah. Secara umum, jawaban untuk "mengapa ini tidak terjadi?" dalam fisika biasanya "karena tidak ada yang mewujudkannya". Sumbu tidak berubah karena tidak ada gaya yang mengubahnya.

— Eric Lippert

Gyro-top akan berhenti: Toko pembuat tutup: "22 Feb 2015 - Pembuat mainan yang berbasis di Nagoya Tiger & Co. telah memutuskan untuk menutup bisnisnya yang berusia 94 tahun, mungkin pada akhir April, mengakhiri produksi. .. " google.com/...

— Wayfaring Stranger

15

Pemahaman saya adalah bahwa sumbu Bumi menunjuk ke arah yang sama di ruang angkasa selama seluruh orbitnya mengelilingi matahari. Dan inilah yang menyebabkan musim kita.

Pernyataan kedua benar. Kemiringan aksial adalah pendorong utama musim.

Pernyataan pertama tidak sepenuhnya benar. Ada perubahan kecil tapi terus-menerus dalam orientasi sumbu Bumi. Perubahan selama satu tahun kecil. Perubahan selama 13.000 tahun sangat besar. Dalam 13.000 tahun sumbu Bumi akan dimiringkan sekitar 47 derajat dibandingkan dengan orientasi saat ini. Dalam 13.000 tahun lagi Bumi akan berorientasi sangat mirip dengan bagaimana sekarang berorientasi. Saya akan menulis lebih banyak tentang ini nanti.

Pertanyaan saya adalah mengapa sumbu tidak mengikuti jalur orbit (seperti mobil yang berputar-putar)?

Itu bukan model mental yang baik. Satu-satunya kontak antara mobil Anda dan tanah adalah bagian bawah dari empat roda pada mobil Anda. Kekuatan pada empat bidang kontak kecil inilah yang mengubah orientasi mobil Anda dan mengubah vektor kecepatan mobil Anda. Ini berarti bahwa torsi pada mobil Anda ketika Anda memutar setir dan gaya sentripetal pada mobil Anda yang membuat perawatan Anda bernegosiasi berbelok dengan erat. Putar setir dengan lembut dan ujung depan mobil Anda yang berat mengikuti. Dengan anggapan berbelok lembut, bagian belakang mobil Anda yang ringan segera menyusul. Jika Anda belok terlalu keras, mobil Anda mulai tergelincir alih-alih berbelok. Berbelok lebih keras lagi dan Anda berisiko flip dan roll mobil Anda. Gerakan mobil Anda tergantung pada hubungan intim antara kekuatan dan torsi.

Gravitasi tidak berfungsi seperti itu. Alih-alih bertindak pada setiap bit Bumi, semuanya bersama-sama, sekaligus, sepanjang waktu. Ada sedikit variasi dalam percepatan yang disebabkan oleh gravitasi di Bumi karena variasi jarak ke Bulan (atau Matahari), tetapi variasi ini kecil. Gaya gravitasi bersih di Bumi sangat terpisah dari torsi kecil gravitasi gradien bersih di Bumi.

Hasil utama dari torsi gradien gravitasi yang diberikan oleh Bulan dan Matahari di Bumi adalah presesi sumbu rotasi bumi yang sangat lambat tetapi besar (untuk lebih lanjut, baca artikel wikipedia ini tentang presesi aksial ). Presesi ini membuat poros rotasi Bumi berputar sekitar normal ke ekliptika dengan laju satu revolusi per 25772 tahun. Ada efek yang lebih kecil secara kolektif disebut nutation dan gerakan kutub yang dihasilkan dari torsi gradien gravitasi. Efek yang lebih kecil ini jauh, jauh lebih kecil dalam besarnya tetapi memiliki periode jauh lebih singkat. Efek terbesar yang lebih kecil ini dihasilkan dari variasi siklus 18,61 tahun di simpul bulan. Bahkan komponen kacang terbesar ini kecil, dua urutan besarnya lebih kecil dari presesi besar tapi lambat.

— David Hammen
sumber

Analogi mobil saya hanya dimaksudkan untuk menunjukkan satu konsep - bagian depan mobil selalu menunjuk ke arah perjalanan, tidak seperti yang dikatakan, selalu menghadap ke utara. Itu saja. Maksud saya tidak ada bandingan dengan kekuatan apa pun.

— rmaddy

@rmaddy: Benar, tetapi Anda harus terus-menerus menggunakan energi (dengan memutar setir - ini akan melawan Anda) untuk mewujudkannya. Mobil di tanah sama sekali tidak sama dengan sebuah planet di luar angkasa. Model imajiner Anda sama sekali bukan kondisi "default".

— Races Lightness dengan Monica

@LightnessRacesinOrbit Sekali lagi, itu sama sekali bukan apa yang saya maksudkan dengan analogi mobil. Saya hanya mencoba menggambarkan arah, itu saja.

— rmaddy

Ini adalah jawaban yang benar secara ilmiah, tetapi itu tidak dijelaskan dengan baik untuk seseorang yang tidak berasal dari latar belakang fisika atau astronomi / astrofisika. Anda harus mempertimbangkan bahasa yang lebih sederhana, setidaknya untuk dasar-dasarnya (yaitu semuanya sampai pada diskusi tentang presesi).

— MandisaW

8

Bayangkan bumi sebagai bola kecil yang melayang di udara, tidak bergerak, meskipun berputar pada sumbunya. Kecuali kekuatan diterapkan padanya, sama sekali tidak akan terjadi apa-apa. Itu adalah konservasi energi (atau momentum; Anda dapat bekerja dengan cara itu). Bumi tidak akan secara spontan mulai bergerak ke satu arah karena itu akan melanggar konservasi energi translasi dan konservasi momentum linier. Jika itu terjadi, energi akan diperoleh entah dari mana.

Untuk alasan yang sama, Bumi tidak akan mulai miring ke satu sisi. Ini adalah konservasi energi kinetik rotasi dan konservasi momentum sudut di tempat kerja. Mengerti?

Jadi, ya, Keith tepat. Anda perlu semacam torsi untuk memutar poros Bumi seperti itu.

Jadi mengapa tidak bumi sumbu bergerak lebih dari 26.000 tahun (tidak, dengan cara, tidak hanya satu siklus per tahun)? Sama seperti dengan pasang surut, serta bagaimana rotasi Bumi melambat, itu terutama kekuatan pasang surut Bulan dan Matahari di tempat kerja, meskipun planet-planet lain memberikan kontribusi terhadap perubahan keseluruhan.

Saya bisa menambahkan beberapa matematika jika Anda mau, tapi ingat, saya sedang belajar sendiri, jadi tidak akan dijelaskan sebaik mungkin.

Planet-planet lain mematuhi hukum yang sama dengan Bumi, sehingga sumbu mereka harus mengarah ke arah yang sama sepanjang tahun, mengabaikan efek presesi aksial.

— HDE 226868
sumber

Saya berharap saya punya gambar tetapi saya kira saya masih tidak yakin mengapa gravitasi Matahari (yang membuat Bumi tetap mengorbit) tidak menyebabkan, misalnya, kutub utara secara kasar mengarah ke matahari sepanjang tahun. Saya mendapatkan bagaimana bola berputar, seperti yang Anda gambarkan, menunjuk satu arah. Tetapi Bumi mengorbit Matahari dan gravitasi Matahari adalah gaya yang bekerja di Bumi.

— rmaddy

@rmaddy Itu karena benar-benar tidak ada yang istimewa tentang kutub, dalam hal gravitasi. Kutub tidak lebih masif daripada lokasi lain di Bumi - pada kenyataannya, mereka mungkin kurang masif, karena segmen garis yang ditarik dari kutub ke pusat Bumi lebih pendek daripada garis yang diambil dari, katakanlah, garis khatulistiwa ke pusat Bumi. Tidak ada massa tambahan di kutub, jadi tidak ada yang ekstra untuk ditarik Matahari. Apakah itu sedikit membantu?

— HDE 226868

Saya mendapatkan bahwa tidak ada yang istimewa tentang tiang. Itu mungkin deskripsi yang menyesatkan. Sepertinya kemiringan bumi harus tetap konstan relatif terhadap jalur orbitnya, bukan konstan terhadap ruang. Mengapa orbit Bumi dan gravitasi Matahari tidak menyebabkan kemiringan konstan dengan jalur orbit?

— rmaddy

Gravitasi Matahari tidak menarik kutub seperti halnya menarik bagian bumi lainnya. Agar kutub terus-menerus mengarah ke Matahari, Matahari harus lebih menarik kutub daripada bagian bumi lainnya - yang tidak.

— HDE 226868

3

@rmaddy karena satu-satunya hal yang dapat menyebabkannya melakukan itu adalah gravitasi, dan gravitasi tidak melakukannya. Gravitasi tidak membuat Bumi berputar dalam lingkaran di sekitar matahari seperti mobil; itu hanya menarik Bumi "ke samping" ke arah Matahari setiap saat. Di ruang, arah sesuatu menunjuk dan arah itu bergerak tidak terkait.

— hobbs

6

Sudut yang berubah antara matahari dan bulan memang menyebabkan sedikit kekenyangan pada poros rotasi bumi selama periode 18,6 tahun .

Dalam kasus Bumi, sumber utama gaya pasang surut adalah Matahari dan Bulan, yang terus-menerus mengubah lokasi relatif satu sama lain dan dengan demikian menyebabkan kekenyangan pada poros Bumi. Komponen terbesar dari pemijahan bumi memiliki periode 18,6 tahun, sama dengan presesi node orbit bulan. 1 Namun, ada istilah periodik signifikan lainnya yang harus dihitung tergantung pada keakuratan hasil yang diinginkan.

Istilah utama dari nutation adalah karena regresi garis nodal bulan dan memiliki periode yang sama 6798 hari (18,61 tahun). Mencapai plus atau minus 17 ″ dalam bujur dan 9 ob dalam kemiringan. Semua istilah lainnya jauh lebih kecil; terbesar berikutnya, dengan periode 183 hari (0,5 tahun), memiliki amplitudo masing-masing 1,3 ″ dan 0,6 ″.

Ini bukan efek besar (dari tautan):

masukkan deskripsi gambar di sini

— Orang Asing Wayfaring
sumber

Terima kasih tetapi ini benar-benar tidak ada hubungannya dengan pertanyaan saya.

— rmaddy

2

Sebenarnya, semua itu ada hubungannya dengan pertanyaan Anda.

— Dawood mengatakan mengembalikan Monica

@ Davidvidallall No. Ini menjelaskan mengapa kemiringan Bumi sedikit goyah seiring waktu. Tidak ada upaya untuk menjelaskan mengapa kemiringan mengarah ke satu arah umum di ruang angkasa selama satu tahun alih-alih mengikuti orbit Bumi.

— rmaddy

1

Nah, pertanyaan Anda sama dengan "mengapa momentum sudut bumi tidak bervariasi" - karena untuk beberapa alasan, Anda mengharapkannya sangat bervariasi. Dan jawaban ini mengatakan, "Yah, itu sebenarnya sedikit berbeda" dan menjelaskan alasannya.

— Dawood mengatakan mengembalikan Monica

@ Davidvidallall 1) Saya tidak mengharapkan apa pun. Saya tahu apa yang sebenarnya terjadi. Saya ingin tahu mengapa sesuatu yang berbeda tidak terjadi. 2) Saya tahu porosnya bergetar seiring waktu. Sekali lagi, sama sekali tidak apa yang saya tanyakan. Itulah sebabnya saya tidak percaya jawaban ini menjawab pertanyaan saya.

— rmaddy

4

Bumi bertindak seperti giroskop besar. Diperlukan kekuatan yang luar biasa untuk mengubah orientasi sumbu. Sementara gaya tentu saja diberikan, mereka tidak cukup besar untuk menyebabkan perubahan yang cukup besar dalam orientasi sumbu saat Bumi jatuh / mengorbit tentang Matahari. Seperti yang Anda tunjukkan, orientasi sumbu bertanggung jawab atas perubahan musim. Daerah yang menerima paparan sinar matahari paling langsung adalah di musim panas; daerah yang menerima sinar matahari yang melirik ada di musim dingin.

Rotasi Bumi tentang Matahari tidak melingkar tetapi elips. Selama orbitnya jarak Bumi dari Matahari berubah. Banyak sumber melaporkan bahwa sementara ini benar, ia memiliki sedikit pengaruh pada musim. Sumber-sumber ini menunjukkan bahwa orientasi poros Bumi digabungkan dengan "kemiringan" orbit Bumi di atas atau di bawah ekuator Matahari menentukan musim.

— pengguna4199
sumber

Terima kasih tetapi hanya paruh pertama paragraf pertama Anda yang terkait dengan pertanyaan saya. Saya tidak bertanya apa-apa tentang musim.

— rmaddy

4

Mari kita tetap sederhana. Di bawah ini adalah gambar orbit Bumi.

Saya mengambil pertanyaan yang berarti mengapa sumbu tidak menunjuk ke arah Matahari sepanjang waktu. Jawaban membandingkan Bumi dengan Giroskop adalah yang paling mudah digunakan. Efek berputar pada poros memang menyebabkan gaya yang membantu menjaga poros Bumi pada sudut 23,5 ° (Kira-kira) ada sedikit goyangan beberapa meter pada poros bumi. Coba lihat dari atas mungkin membuatnya lebih jelas. Ada lingkaran merah rotasi di kutub jika Anda melihat dari dekat.

Rotasi dari atas

Bumi tidak mengemudi di sekitar Matahari, efeknya ditarik ke matahari tetapi bergerak cukup cepat di sekitarnya untuk melawan gravitasi dan tidak menjadi lebih dekat, dengan cara yang sama satelit tetap mengorbit di ruang angkasa. Mobil akan lebih seperti pesawat ruang angkasa karena akan memiliki kekuatan / dorong mendorongnya mengelilingi Matahari.

Adapun pertanyaan kedua planet-planet lain melakukan hal yang sama tetapi pada sudut yang berbeda.

masukkan deskripsi gambar di sini

— Soong
sumber

1

Sederhana, tetapi IMO ini adalah jawaban yang paling tepat untuk OP. Dapatkan dasar "apa yang terjadi" dari sini, lalu buka jawaban David Hammen untuk "mengapa itu terjadi". Juga, ini adalah satu-satunya yang membahas bagian kedua dari pertanyaan.

— MandisaW

3

Karena tarikan gravitasi Matahari di Bumi hampir seragam, ia tidak memiringkan Bumi, ia hanya menariknya secara keseluruhan, tanpa memengaruhi Bumi yang berputar di sekitar porosnya sendiri.

Jari-jari Bumi adalah ~ 6.400 km, jarak ke Matahari adalah ~ 150.000.000 km, dan gaya gravitasi berkurang sebagai kuadrat jarak, sehingga rasio tarikan pada dua volume Bumi yang kecil, yang terdekat dan terjauh dari Matahari pada saat tertentu, adalah

\frac{(150000 + 6.4)^{2}}{(150000 - 6.4)^{2}} = 1.00017068

$\frac{(150000+6.4)^2}{(150000-6.4)^2} = 1.00017068$

jadi gaya miringnya sangat kecil.

Apakah variasinya tepat 0 (yaitu rasio tepat 1) gaya miringnya akan tepat 0 dan pemintalan bumi tidak akan terpengaruh sama sekali. Untuk mendapatkan itu, hapus Matahari dari gambar.

Dan dengan teori relativitas umum, jika Bumi bergerak dengan kekuatan yang seragam, akan seolah-olah tidak ada kekuatan sama sekali, dari sudut pandang Bumi.

— Will Ness
sumber

-3

Jika poros Bumi selalu mengarah ke Polaris, maka poros Bumi harus terus berubah sepanjang tahun melalui perubahan jarak orbit 186.000.000 mil.

Jika kemiringan pada bulan Desember adalah 23,4 derajat, maka March akan lebih miring dan kemiringan tambahan ke matahari, Juni akan menjadi kemiringan Bumi terkecil, Oktober akan kurang miring dan dan menambahkan kemiringan ke arah matahari. Tanpa perubahan kemiringan Bumi ini, Polaris hanya akan disejajarkan satu hari setahun di bulan Desember.

Anda dapat dengan mudah membuktikannya sendiri.

— Ron
sumber

2

Anda sepertinya tidak tahu seberapa jauh Polaris.

— Rob Jeffries