Ist die Erdoberfläche „in der Umlaufbahn“?

1. Befindet sich Material auf der Erdoberfläche nicht im freien Fall um den Erdmittelpunkt?

Nein. Material auf der Erdoberfläche – oder in ihr – befindet sich nicht in der Umlaufbahn und befindet sich daher nicht im freien Fall. Sie können sich vorübergehend in eine Umlaufbahn (und damit in den freien Fall) versetzen, indem Sie in die Luft springen oder von einer höheren Oberfläche springen. Wenn Sie dies tun, befinden Sie sich kurz in einer sehr exzentrischen Umlaufbahn (eine, die Sie sehr nahe an den Erdmittelpunkt bringen würde, wenn die Erde kein fester Körper wäre) – aber dann treffen Sie auf den Boden und sind nicht mehr im Orbit.

Die Erde dreht sich genauso wie ein Kreisel; das hat nichts mit Umlaufbahnen zu tun.

2. Wie kommt es überhaupt zu geostationären Umlaufbahnen? Es scheint, als würde die einzige Umlaufbahn, die geostationär sein könnte, auf der Erdoberfläche stehen.

Auch hier umkreist die Erdoberfläche nicht. Die Erde dreht sich als starrer Körper, mit (wie AtmosphericPrisonEscape feststellte) Restdrehimpuls, der von seiner Entstehung übrig geblieben ist, wie ein Kreisel.

Da Ihre Winkelgeschwindigkeit in einer Umlaufbahn abnimmt, je weiter Sie von der Erde entfernt sind, gibt es einen Punkt, an dem sie zufällig der Rotationsrate der Erde entspricht. Wenn Sie die Umlaufbahn so anordnen, dass sie über dem Äquator und in der gleichen Richtung wie die Erddrehung liegt, befinden Sie sich immer über dem Punkt auf dem Äquator: eine geostationäre Umlaufbahn.

3. Was ändert sich, wenn Sie weiter über der Erdoberfläche kreisen? Nimmt Ihre Winkelgeschwindigkeit zu oder ab? Nimmt Ihre Tangentialgeschwindigkeit zu oder ab?

Sowohl Ihre Winkelgeschwindigkeit als auch Ihre Tangentialgeschwindigkeit nehmen ab, je weiter Sie sich entfernen. (Ihre Winkelgeschwindigkeit würde abnehmen, selbst wenn Ihre Tangentialgeschwindigkeit gleich bliebe, weil der Umfang Ihrer Umlaufbahn mit der Höhe zunimmt; aber tatsächlich nimmt auch die Tangentialgeschwindigkeit ab.)

4. Rotiert Magma in der Nähe des Erdmittelpunkts nicht schneller als Material in der Kruste, wie in einer Akkretionsscheibe?

Die Erde dreht sich ungefähr als starrer Körper, also im Allgemeinen nein. Der geschmolzene äußere Kern (der kein Magma ist) dreht sich möglicherweise etwas langsamer, während der feste innere Kern etwas schneller rotiert, aber wir reden darüber$\sim 0.1$Grad pro Jahr Unterschiede , und das hat nichts mit Umlaufbahnen zu tun. (Die Erde ist nichts wie eine Akkretionsscheibe.)

5. Können zwei Objekte in gleicher Höhe (kreisförmig) umkreisen, aber mit unterschiedlichen Tangentialgeschwindigkeiten?

Abgesehen von geringfügigen Abweichungen aufgrund von Dingen wie der nicht kugelförmigen Natur der Erde, Massenkonzentrationen in der Kruste usw. ist die Umlaufgeschwindigkeit für eine kreisförmige Umlaufbahn nur eine Funktion der Höhe. Also müssen zwei Objekte auf einer Kreisbahn in gleicher Höhe die gleiche Tangentialgeschwindigkeit haben. (Beachten Sie, dass sie unterschiedliche Geschwindigkeiten haben können , da die Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist – Sie können also zwei Objekte haben, die in unterschiedlichen – sogar entgegengesetzten – Richtungen auf derselben Höhe kreisen, zumindest bis sie aufeinander treffen.)

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einer Umlaufbahn um die Erde, mehrere 100 km aufwärts. Was passiert, wenn Sie langsamer werden? Das ist richtig, du fällst hin, bis eine Kraft deinen Fall stoppt. Diese Kraft ist der Pushback vom Boden.

Stellen Sie sich also als Nächstes vor: Was passiert, wenn Sie einen Ball in die Luft werfen? Es fällt wieder auf den Boden. Daraus folgt, dass der Ball zu langsam ist, um in der Umlaufbahn zu sein.

Eine interessante Folge dieser Frage: Wenn sich der Boden nicht in der Umlaufbahn befindet, wie bewegt er sich dann (ungefähr) im Kreis? Wenn wir einen Bodenabschnitt als isoliertes Partikel modellieren, ist es klar, dass, um sich trotz einer relativ niedrigen Tangentialgeschwindigkeit in einem Kreis zu bewegen, eine kontinuierliche Kraft aufgebracht werden müsste, um der Richtung entgegenzuwirken, die das Partikel haben möchte go', der Schwerkraft folgend.

Woher kommt diese Kraft? Es kommt von der elektromagnetischen Abstoßung des nahe gelegenen Materials, aus dem der Rest der Erde besteht, das sich nach ziemlich langer Zeit weitgehend in einem Gleichgewicht stabilisiert hat, in dem die aufgebaute Kompression der Schwerkraft entgegenwirkt und Material anlässt die Oberfläche bewegt sich ungefähr in einem Kreis, obwohl sie sich zu langsam bewegt, um in einer frei fallenden kreisförmigen Umlaufbahn zu sein.

Normalerweise denken wir, dass der Boden „unseren Fall stoppt“, was er auch tut, aber er drängt uns auch ständig dazu, dem Rotationspfad der Oberfläche zu folgen, während wir damit in Kontakt sind. Grundsätzlich gewinnt der Elektromagnetismus über die Schwerkraft, verhindert unseren Zusammenbruch und ermöglicht es uns, uns in einem rotierenden Rahmen zu bewegen, ohne umkreisen zu müssen.

Ich finde diesen Vergleich der Tangentialgeschwindigkeiten auf Wikipedia sehr verwirrend.

…

Demnach unterscheidet sich die Tangentialgeschwindigkeit der Erdoberfläche (465,1 m/s) von der Tangentialgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um die Erdoberfläche zu „umkreisen“ (7,9 km/s).

Das mag sein, aber sie haben ausdrücklich ausgeführt: „… die Rotation der Erde an der Oberfläche (zum Vergleich – keine Umlaufbahn) …“