Reibung aufgrund der Erdrotation

Ich vermute, diese Frage wurzelt in dem weit verbreiteten Missverständnis, dass eine äußere Kraft erforderlich ist, um die Erdrotation aufrechtzuerhalten. Das ist nicht der Fall. Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße. Ein rotierendes Objekt, das keinem äußeren Drehmoment ausgesetzt ist, dreht sich mit einem konstanten Drehimpuls. Dies ist das Rotationsanalog von Newtons erstem Gesetz. Ein äußeres Drehmoment wird benötigt, um den Drehimpuls eines rotierenden Objekts zu ändern.

Allerdings gibt es aufgrund der Erdrotation eine gute Reibung auf und in der Erde. Ein Beispiel für eine Reibungskraft aufgrund der Erdrotation sind die Winde. Tropische Wirbelstürme (Hurrikane und Taifune) sind ein extremes Beispiel für Winde, die teilweise durch die Erdrotation verursacht werden. Die jahreszeitlichen Veränderungen in der Verteilung der großen Winde im Laufe eines Jahres führen zu kleinen, aber beobachtbaren Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde. Sehen Sie sich diese Antwort an, ob Stürme den Tag länger oder kürzer machen können.

Die Atmosphäre ist ein Teil der Erde als Ganzes. Änderungen innerhalb der Erde, wie die oben beschriebenen, ändern den Gesamtdrehimpuls der Erde nicht ein bisschen. Das erfordert ein äußeres Drehmoment. Ein solches Drehmoment existiert. Die von Sonne und Mond angehobenen Meeresgezeiten führen zu Reibung am Meeresboden, was die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ganz allmählich verlangsamt. Der Beweis für diese Verlangsamung ist in einigen gebänderten Felsformationen aufgezeichnet.

Nein, der Zentrifugalkraft steht keine Reibungskraft entgegen. Die Form der Erde ist ein abgeflachtes Sphäroid, so dass die Erdoberfläche dort, wo die Erde flach ist (z. B. die Oberfläche des Ozeans), im rechten Winkel zur Summe der Zentrifugalkraft und der Gravitationskraft steht. Somit liefern die Normalkraft und die Schwerkraft alle notwendigen Kräfte, um die axiale Zentripetalbeschleunigung aufrechtzuerhalten, dh um das Objekt in Bezug auf die Erdoberfläche stationär zu halten.

Aber in Wirklichkeit ist das Gewicht der einzige Grund, warum die Erde überhaupt ihre kugelähnliche Form hat. Die natürliche Struktur willkürlich zusammengeschleuderter Gesteinskörper ist eine klumpige Kartoffelform, wie wir anhand von Asteroiden erkennen können. Was passiert, wenn wir aus einer Flüssigkeit eine schiefe Ebene machen? Offensichtlich tropft die Flüssigkeit nach unten, so dass die Oberfläche der Flüssigkeit normal zum lokalen Gewichtsvektor ist. Was passiert, wenn wir einen Planeten so schwer machen, dass er durch sein Gewicht wie eine Flüssigkeit in eine Kugel gezogen wird? Die Oberfläche bildet Pfützen, so dass die Oberfläche senkrecht zum lokalen Gewichtsvektor steht, das heißt, die Erde ist in der Mitte etwas dicker als von Pol zu Pol: ein abgeflachtes Sphäroid, keine Kugel.

Die Antwort von André Chalella identifiziert eine wahre Aussage:

Wo die Erdoberfläche parallel zur Oberfläche einer zur Erde konzentrischen Kugel ist, ist die Summe aus Schwerkraft, Zentrifugalkraft und Normalkraft klein, aber ungleich Null und in der Richtung tangential zur Oberfläche und in Richtung des Äquators. Wenn sich das Objekt nicht bewegt, muss eine gleiche und entgegengesetzte Haftreibungskraft vorhanden sein.

Aber er importiert dann eine falsche Aussage: "Die Erde kann für diesen Zweck als eine zur Erde konzentrische Kugel angenähert werden", was zu einem falschen Ergebnis führt: "Ein stationäres Objekt, auf dem die Erde flach ist, spürt eine solche Reibungskraft". Da genau die Kraft, die wir zu berechnen versuchen, der Grund dafür ist, dass die Erde keine perfekte Kugel ist, können wir nicht davon ausgehen, dass die Erde eine perfekte Kugel ist, wenn wir versuchen, sie zu berechnen.

Ja und nein.

Nein, sobald der Körper mit der Erdrotation synchronisiert ist, muss keine Reibungskraft Arbeit leisten , um den Körper in Rotation zu halten. Das meinte die andere Antwort, denke ich, und ist wahrscheinlich das, was Sie wissen wollten.

Es kann jedoch eine Reibungskraft vorhanden sein . Sie ist klein und verrichtet keine Arbeit, weil sie senkrecht zur Körpergeschwindigkeit steht.

Diese Kraft ist am Äquator null und am 45. Breitengrad am größten. Auch an den Polen ist er Null, weil der (Punkt-)Körper an den Polen nicht im Kreis läuft (Radius Null).

Diese Kraft existiert in allen Punkten der Oberfläche, wo die Oberfläche nicht lokal tangential zu einem abgeflachten Sphäroid ist , das diese Kraft ausgleicht.

Um diese Kraft zu verstehen, stellen Sie sich die Erde als eine einfache Kugel vor, die sich entlang ihrer Nord-Süd-Achse dreht. Denken Sie daran, dass die Erdrotation dazu führt, dass sich Körper auf der ganzen Oberfläche in einer kreisförmigen Bewegung bewegen, deren Mittelpunkt nicht der Mittelpunkt der Erde ist (außer wenn sich der Körper auf dem Äquator befindet). Das bedeutet, dass die resultierende Kraft auf den Körper eine Zentripetalkraft ist, die auf die Nord-Süd-Achse zeigt, aber nicht auf den Erdmittelpunkt. Die Richtung dieser Kraft liegt auf einer horizontalen Ebene, die zur Erde seziert und die Breitengradlinie enthält, auf der sich der Körper befindet.

Eine solche Resultierende kann jedoch nicht aus den „üblichen Kräften“ entstehen: Gewicht und Normale liegen auf einer geraden Linie vom Erdmittelpunkt zum Körper. Es muss also eine tangentiale Kontaktkraft vorhanden sein , um die Richtung der Resultierenden zu "fixieren". Das ist die Reibung, über die wir sprechen.

Gäbe es eine solche Reibung nicht, würde sich der Körper statt auf einer Breitengradlinie auf einem Großkreis bewegen .

In meinen (einfachen) Berechnungen ist die Größe der Reibungskraft$m \omega^2 R \sin \theta \cos \theta$($R$ist der Erdradius und$\theta$Breitengrad ist).

Diese Kraft ist der Grund, warum die Erde nicht kugelförmig ist, da sie (ungefähr) zu einem abgeflachten Sphäroid (einem Ellipsoid) geworden ist, wie bereits erwähnt. Der Radius der Erde ist am Äquator größer als an den Polen. Weitere Informationen finden Sie unter Äquatorwölbung .

Ich habe dieses Bild online gefunden, das hilft, die Situation zu verstehen.