Почему ось Земли не меняется в течение года?

Насколько я понимаю, ось Земли указывает в одном и том же направлении в космосе на протяжении всей ее орбиты вокруг Солнца. И это то, что вызывает наши времена года.

Второе утверждение верно. Осевой наклон является основной движущей силой сезонов.

Первое утверждение не совсем верно. Наблюдается небольшое, но постоянное изменение ориентации земной оси. Изменение в течение года незначительное. Изменения за 13 000 лет огромны. Через 13 000 лет ось Земли будет наклонена примерно на 47 градусов по сравнению с нынешней ориентацией. Еще через 13 000 лет Земля будет ориентирована так же, как сейчас. Я напишу об этом позже.

Мой вопрос: почему ось не следует по орбитальной траектории (вроде того, как машина едет по кругу)?

Это не лучшая ментальная модель. Единственным контактом между вашим автомобилем и землей являются нижние части четырех колес вашего автомобиля. Силы в этих четырех небольших контактных зонах изменяют ориентацию вашего автомобиля и изменяют вектор его скорости. Это означает, что крутящий момент вашего автомобиля, когда вы поворачиваете руль, и центростремительная сила вашего автомобиля, которая заставляет вас осторожно проходить поворот, тесно связаны. Аккуратно поверните руль, и тяжелая передняя часть вашего автомобиля последует за ним. Предполагая плавный поворот, светлая задняя часть вашего автомобиля вскоре последует его примеру. Если вы поворачиваете слишком сильно, ваша машина начинает скользить, а не поворачивать. Поверните еще сильнее, и вы рискуете, что ваша машина перевернется и перевернется. Движение вашего автомобиля зависит от этой тесной связи между силой и крутящим моментом.

Гравитация так не работает. Вместо этого он воздействует на каждую частицу Земли, все вместе, все сразу, все время. Существует небольшое изменение гравитационно-индуцированного ускорения на Земле из-за различий в расстоянии до Луны (или Солнца), но эти изменения невелики. Чистая гравитационная сила на Земле очень сильно отделена от небольшого чистого крутящего момента градиента силы тяжести на Земле.

Основным результатом крутящего момента гравитационного градиента, оказываемого Луной и Солнцем на Землю, является очень медленная, но большая прецессия оси вращения Земли (для получения дополнительной информации прочитайте эту статью в Википедии об осевой прецессии ). Эта прецессия заставляет ось вращения Земли вращаться вокруг нормали к эклиптике со скоростью один оборот за 25772 года. Есть меньшие эффекты, которые в совокупности называются нутациями и полярным движением, которые возникают в результате крутящего момента градиента силы тяжести. Эти меньшие эффекты гораздо меньше по величине, но имеют гораздо более короткие периоды. Самый большой из этих меньших эффектов возникает из-за 18,61-летних циклических изменений лунного узла. Даже этот самый большой компонент нутации мал, на два порядка меньше, чем большая, но медленная прецессия.

Представьте Землю в виде маленького шарика, подвешенного в воздухе, не двигающегося, хотя и вращающегося вокруг своей оси. Если к нему не приложить силы, абсолютно ничего не произойдет. Это закон сохранения энергии (или импульса; вы можете работать с ним любым способом). Земля не начнет самопроизвольно двигаться в одном направлении, потому что это нарушит закон сохранения поступательной энергии и закон сохранения импульса. Если бы это произошло, энергия была бы получена из ниоткуда.

По той же причине Земля не начнет наклоняться в одну сторону. Это сохранение кинетической энергии вращения и сохранение углового момента при работе. Сообразительный?

Так что да, Кит на высоте. Вам понадобится какой-то крутящий момент, чтобы вот так повернуть земную ось.

Так почему же земная ось движется за 26 000 лет (кстати, не один оборот в год)? Как и в случае с приливами, а также с замедлением вращения Земли, в первую очередь действуют приливные силы Луны и Солнца, хотя другие планеты вносят некоторый вклад в общие изменения.

Я могу добавить немного математики, если хотите, но будьте осторожны, я изучаю ее сам, так что это не будет объяснено так хорошо, как вам хотелось бы.

Другие планеты подчиняются тем же законам, что и Земля, поэтому их оси должны указывать в одном направлении в течение года, игнорируя эффекты осевой прецессии.

Изменение угла между Солнцем и Луной действительно вызывает небольшую нутацию оси вращения Земли за 18,6-летний период .

В случае Земли основными источниками приливной силы являются Солнце и Луна, которые постоянно меняют положение относительно друг друга и, таким образом, вызывают нутацию оси Земли. Самый большой компонент нутации Земли имеет период 18,6 лет, такой же, как и у прецессии узлов орбиты Луны. 1 Однако существуют и другие существенные периодические члены, которые необходимо рассчитывать в зависимости от желаемой точности результата.

Основной срок нутации обусловлен регрессией лунной узловой линии и имеет тот же период 6798 дней (18,61 года). Он достигает плюс-минус 17″ по долготе и 9″ по наклону. Все остальные члены намного меньше; следующий по величине с периодом 183 дня (0,5 года) имеет амплитуды 1,3 ″ и 0,6 ″ соответственно.

Это не большой эффект (из ссылки):

Земля действует как массивный гироскоп. Потребовалась бы огромная сила, чтобы изменить ориентацию оси. Хотя силы, безусловно, действуют, они недостаточно велики, чтобы вызвать заметное изменение ориентации оси, когда Земля падает/вращается вокруг Солнца. Как вы указываете, ориентация оси отвечает за смену времени года. Области, которые получают наибольшее количество прямых солнечных лучей, находятся летом; районы, получающие косые солнечные лучи, находятся зимой.

Вращение Земли вокруг Солнца не круговое, а эллиптическое. Во время движения по орбите расстояние Земли от Солнца меняется. Многие источники сообщают, что, хотя это правда, это мало влияет на сезон. Эти источники указывают на то, что ориентация земной оси в сочетании с «наклоном» земной орбиты выше или ниже экватора Солнца определяет времена года.

Давайте держать вещи простыми. Ниже представлена ​​фотография орбиты Земли.

Я понимаю, что вопрос означает, почему ось не всегда указывает на Солнце. Ответ, сравнивающий Землю с гироскопом, проще всего использовать. Эффект вращения на оси вызывает силу, которая помогает удерживать ось Земли под углом 23,5° (приблизительно). На оси Земли наблюдается небольшое колебание в несколько метров. Попробуйте посмотреть сверху, может станет понятнее. Если присмотреться, на полюсе есть красный круг вращения.

Земля не вращается вокруг Солнца, она, по сути, притягивается к Солнцу, но движется вокруг него достаточно быстро, чтобы противодействовать гравитации и не приближаться, точно так же, как спутники остаются на орбите в космосе. Автомобиль будет больше похож на космический корабль, поскольку у него будет сила/тяга, толкающая его вокруг Солнца.

Что касается второго вопроса, другие планеты делают то же самое, но под разными углами.

Поскольку гравитационное притяжение Солнца к Земле (почти) однородно, оно не наклоняет Землю, а только притягивает ее как единое целое, не влияя на вращение Земли вокруг своей оси.

Радиус Земли ~ 6 400 км, расстояние до Солнца ~ 150 000 000 км, а гравитационная сила убывает пропорционально квадрату расстояния, поэтому отношение притяжения на каких-то двух малых объемах Земли, ближайшем и самом дальнем от Солнце в данный момент равно

поэтому сила наклона очень мала.

Если бы вариация была ровно 0 (т.е. соотношение было бы ровно 1), сила наклона была бы точно равна 0, и вращение Земли вообще не пострадало бы. Для этого уберите Солнце с картинки.

И согласно общей теории относительности, если бы Земля двигалась с постоянной силой, то с точки зрения Земли это было бы так, как если бы силы вообще не было.

Если ось Земли всегда указывает на Полярную звезду, то ось Земли должна постоянно меняться в течение года в течение 186 000 000 миль изменения орбитального расстояния.

Если наклон в декабре составляет 23,4 градуса, то в марте будет меньший наклон и дополнительный наклон к солнцу, июнь будет наименьшим наклоном Земли, октябрь будет меньшим наклоном и дополнительным наклоном к солнцу. Без этого изменения наклона Земли Полярная звезда была бы выровнена только один день в году в декабре.

Вы можете легко доказать это сами.