Поверхность Земли «на орбите»?

1. Не находится ли материал на поверхности Земли в свободном падении вокруг центра Земли?

Нет. Материал на поверхности Земли — или внутри нее — не находится на орбите и, следовательно, не находится в свободном падении. Вы можете временно выйти на орбиту (и, таким образом, в свободное падение), подпрыгнув в воздух или спрыгнув с более высокой поверхности. Когда вы делаете это, вы ненадолго оказываетесь на очень эксцентричной орбите (которая привела бы вас очень близко к центру Земли, если бы Земля не была твердым телом) — но затем вы ударяетесь о землю и больше не на орбите.

Земля вращается так же, как вращается юла; это не имеет ничего общего с орбитами.

2. Как вообще существуют геостационарные орбиты? Похоже, единственная орбита, которая могла бы быть геостационарной, находилась бы на поверхности Земли.

Опять же, поверхность Земли не вращается по орбите. Земля вращается как твердое тело с (как отмечалось в AtmosphericPrisonEscape) остаточным угловым моментом, оставшимся от ее образования, как у волчка.

Поскольку ваша угловая скорость на орбите уменьшается по мере удаления от Земли, наступит момент, когда она совпадет со скоростью вращения Земли. Если вы расположите орбиту так, чтобы она находилась над экватором и в том же направлении, что и вращение Земли, то вы всегда будете выше точки на экваторе: геостационарной орбиты.

3. Что меняется по мере того, как вы продвигаетесь по орбите дальше над поверхностью Земли? Ваша угловая скорость увеличивается или уменьшается? Ваша тангенциальная скорость увеличивается или уменьшается?

И ваша угловая скорость, и ваша тангенциальная скорость уменьшаются по мере удаления. (Ваша угловая скорость уменьшилась бы, даже если бы ваша тангенциальная скорость осталась прежней, потому что длина окружности вашей орбиты увеличивается с высотой; но на самом деле тангенциальная скорость также уменьшается.)

4. Разве магма вблизи центра Земли не вращается быстрее, чем вещество в земной коре, как в аккреционном диске?

Земля вращается примерно как твердое тело, так что в общем-то нет. Расплавленное внешнее ядро ​​(которое не является магмой) может вращаться немного медленнее, в то время как твердое внутреннее ядро ​​может вращаться немного быстрее, но мы говорим о$\sim 0.1$градусов в год разницы , и это не имеет никакого отношения к орбитам. (Земля не что иное, как аккреционный диск.)

5. Могут ли два объекта двигаться по кругу на одной и той же высоте, но с разными тангенциальными скоростями?

Игнорируя незначительные отклонения, связанные с такими вещами, как несферическая природа Земли, концентрация массы в земной коре и т. д., орбитальная скорость для круговой орбиты является функцией только высоты. Таким образом, два объекта на круговой орбите на одной высоте должны иметь одинаковую тангенциальную скорость. (Обратите внимание, что они могут иметь разные скорости , потому что скорость является векторной величиной, так что вы можете иметь два объекта, вращающихся в разных — даже противоположных — направлениях на одной и той же высоте, по крайней мере, до тех пор, пока они не столкнутся друг с другом.)

Представьте, что вы находитесь на орбите вокруг Земли на высоте нескольких сотен километров. Что происходит, когда вы замедляетесь? Правильно, вы падаете до тех пор, пока какая-то сила не остановит ваше падение. Эта сила является отталкиванием от земли.

Итак, представьте себе: что происходит, когда вы подбрасываете мяч в воздух? Он падает обратно на землю. Отсюда следует, что мяч слишком медленный, чтобы находиться на орбите.

Интересное следствие этого вопроса: если Земля не находится на орбите, как она движется (примерно) по кругу? Если мы смоделируем участок земли как изолированную частицу, то станет ясно, что для того, чтобы двигаться по кругу, несмотря на относительно низкую тангенциальную скорость, к ней необходимо будет приложить постоянную силу, противодействующую направлению, в котором частица хотела бы двигаться. go', следуя гравитации.

Откуда берется эта сила? Это происходит из-за электромагнитного отталкивания близлежащего материала, составляющего остальную часть Земли, который, просуществовав довольно долгое время, в значительной степени стабилизировался до равновесия, при котором накопленное сжатие противодействует силе гравитации, позволяя материалу двигаться. поверхность двигаться примерно по кругу, несмотря на то, что движется слишком медленно, чтобы находиться на свободно падающей круговой орбите.

Обычно мы думаем о земле как о «остановке нашего падения», что она и делает, но она также постоянно подталкивает нас продолжать следовать по пути вращения поверхности, пока мы соприкасаемся с ней. По сути, электромагнетизм побеждает гравитацию, предотвращая коллапс и позволяя нам двигаться во вращающейся системе отсчета без необходимости обращаться по орбите.

Я нахожу это сравнение тангенциальных скоростей в Википедии очень запутанным.

…

Согласно ему, тангенциальная скорость поверхности Земли (465,1 м/с) отличается от тангенциальной скорости, необходимой для «витания» у поверхности Земли (7,9 км/с).

Может быть, но они явно разработали «…собственное вращение Земли у поверхности (для сравнения — не по орбите)…»