¿Existe alguna fuerza de fricción que actúe sobre los cuerpos debido a la rotación de la Tierra?. Todos sabemos que la Tierra es un marco no inercial. Si hay alguna fuerza de fricción ¿hay alguna manera de probarlo?. Lo que quiero decir es que si mantengo un objeto en la superficie de la tierra, ¿experimentará alguna fuerza de fricción debido a la rotación de la tierra y hay alguna manera de deducir matemáticamente una expresión para ello? (Por favor, sea sencillo)
Respuestas
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accipehoc
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Sospecho que esta pregunta tiene su origen en la idea errónea generalizada de que se necesita alguna fuerza externa para mantener la rotación de la Tierra. Pero no es así. El momento angular es una magnitud que se conserva. Un objeto en rotación que no esté sometido a ninguna fuerza externa girará con un momento angular constante. Es el análogo rotacional de la primera ley de Newton. Para modificar el momento angular de un objeto en rotación se necesita un par externo.
Dicho esto, hay una buena cantidad de fricción sobre y en la Tierra debido a la rotación terrestre. Un ejemplo de fuerza de fricción debida a la rotación de la Tierra son los vientos. Los ciclones tropicales (huracanes y tifones) son un ejemplo extremo de vientos causados en parte por la rotación de la Tierra. Los cambios estacionales en la distribución de los vientos principales a lo largo de un año dan lugar a cambios pequeños pero observables en la velocidad de rotación de la Tierra. Véase esta respuesta sobre si las tormentas pueden alargar o acortar el día.
La atmósfera forma parte del conjunto de la Tierra. Los cambios en el interior de la Tierra, como los descritos anteriormente, no modifican ni un ápice el momento angular total de la Tierra. Eso requiere un par externo. Tal par existe. Las mareas oceánicas elevadas por el Sol y la Luna producen fricción en el fondo del océano, y esto ralentiza muy gradualmente la velocidad de rotación de la Tierra. La evidencia de esta ralentización está registrada en algunas formaciones rocosas bandeadas.
malass
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No, no hay ninguna fuerza de fricción que se oponga a la fuerza centrífuga. La forma de la Tierra es un esferoide oblato, de modo que la superficie de la Tierra, cuando ésta es plana (por ejemplo, la superficie del océano), forma un ángulo recto con la suma de la fuerza centrífuga y la fuerza gravitatoria. Así pues, la fuerza normal y la gravedad proporcionan todas las fuerzas necesarias para mantener la aceleración centrípeta axial, es decir, para mantener el objeto inmóvil con respecto a la superficie terrestre.
Pero en realidad, peso es la única razón por la que la Tierra tiene forma de esfera. La estructura natural de los sólidos rocosos aglomerados al azar tiene forma de patata grumosa, como podemos comprobar observando los asteroides. ¿Qué ocurre si hacemos un plano inclinado con un líquido? Obviamente, el líquido se encharca, de modo que la superficie del líquido es normal al vector de peso local. ¿Qué ocurre si hacemos que un planeta pese lo suficiente como para que su peso lo lleve a formar una esfera, como un líquido? La superficie se encharca de forma que la superficie es normal al vector de peso local, es decir, la Tierra es un poco más gruesa en el centro que de polo a polo: un esferoide oblato, no una esfera.
La respuesta de André Chalella identifica una afirmación verdadera:
Cuando la superficie de la Tierra es paralela a la superficie de una esfera concéntrica con la Tierra, la suma de la gravedad, la fuerza centrífuga y la fuerza normal es pequeña pero distinta de cero y en la dirección tangente a la superficie y en la dirección del ecuador. Si el objeto no se mueve, debe existir una fuerza de fricción estática igual y opuesta.
Pero a continuación importa una declaración falsa: "la Tierra puede ser aproximada como una esfera concéntrica con la Tierra para este propósito", lo que lleva a un resultado falso: "un objeto inmóvil en el que la Tierra es plana detecta tal fuerza de rozamiento". Puesto que la propia fuerza que intentamos calcular es la razón por la que la Tierra no es una esfera perfecta, no podemos suponer que la Tierra es una esfera perfecta cuando intentamos calcularla.
Sadeghd
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Sí y no.
No, una vez que el cuerpo está sincronizado con la rotación de la Tierra, no hay necesidad de una fuerza de fricción para trabajar para mantener el cuerpo en rotación. Esto es lo que quería decir la otra respuesta, creo, y es probablemente lo que querías saber.
Sin embargo, allí puede existir una fuerza de fricción . Es pequeño y no produce ningún trabajo, porque es perpendicular a la velocidad del cuerpo.
Esta fuerza es nula en el ecuador y es mayor en la latitud 45º. También es nula en los polos, porque en ellos el cuerpo (puntual) no se desplaza en círculo (radio cero).
Esta fuerza existe en todos los puntos de la superficie en los que ésta no es localmente tangente a un esferoide oblato que equilibra esta fuerza.
Para entender esta fuerza, piense en la Tierra como una simple esfera que gira a lo largo de su eje Norte-Sur. Recuerda que la rotación de la Tierra hace que los cuerpos de toda la superficie se desplacen en un movimiento circular cuyo centro es no el centro de la Tierra (excepto cuando el cuerpo se encuentra en el ecuador). Eso significa que la fuerza resultante sobre el cuerpo es una fuerza centrípeta que apunta hacia el eje Norte-Sur, pero no al centro de la Tierra. La dirección de esta fuerza está en un plano horizontal secante a la Tierra, que contiene la línea de latitud en la que se encuentra el cuerpo.
Sin embargo, dicha resultante no puede surgir de las "fuerzas habituales": peso y normal están en una línea recta desde el centro de la Tierra al cuerpo. Así que debe haber un fuerza tangencial de contacto para "fijar" la dirección de la resultante. Ésa es la fricción de la que hablamos.
Si no existiera dicha fricción, el cuerpo se desplazaría a lo largo de un gran círculo en lugar de línea de latitud .
En mis (simples) cálculos, la magnitud del fuerza de fricción es $m \omega^2 R \sin \theta \cos \theta$ ( $R$ es el radio de la Tierra y $\theta$ es la latitud).
Esta fuerza es la razón por la que la Tierra no es esférica, habiéndose convertido (aproximadamente) en un esferoide oblato (un elipsoide) como se ha mencionado anteriormente. El radio de la Tierra es mayor en el ecuador que en los polos. Investiga protuberancia ecuatorial para más información.
He encontrado esta foto en Internet que ayuda a comprender la situación.
