Ruch obrotowy Ziemi

Kula Ziemska znajduje się w ruchu. Obraca się ona wokół własnej osi ( ruch obrotowy, nazywany też wirowym), oraz obiega Słońce ( ruch obiegowy). Ruch Ziemi jest dla nas nieodczuwalny. Problem ruchu obrotowego Ziemi został w sposób prawidłowy rozwiązany przez Kopernika (1473- 1543 r.) podobnie jak ruch obiegowy Ziemi dookoła Słońca. Obecnie można podać te zjawiska, które zależą od ruchów Ziemi i są dowodami ich istnienia.

Ruch obrotowy Ziemi

Ruch obrotowy Ziemi jest to obrót Ziemi wokół własnej osi. Czas jednego obrotu wynosi 23 godziny 56 minut i 4 sekundy i odpowiada jednej dobie gwiazdowej ( doba gwiazdowa- czas pomiędzy dwoma górowaniami punktu równonocy wiosennej). Dobą jednak nazywa się czas, jaki upływa pomiędzy dwoma kolejnymi górowaniami Słońca nad danym południkiem ( doba słoneczna). Doba słoneczna trwa 24 godziny.  Ruch obrotowy odbywa się z zachodu na wschód, czyli w kierunku przeciwnym do pozornego ruchu Słońca po sklepieniu niebieskim. W wyniku ruchu obrotowego powierzchnia Ziemi jest nierównomiernie oświetlona. Na półkuli oświetlonej panuje dzień, natomiast na nieoświetlonej półkuli noc. Powodem ruchu obrotowego jest także spłaszczenie Ziemi na biegunach, czyli różnica pomiędzy promieniem biegunowym a równoleżnikowym. Spłaszczenie Ziemi  wynosi ok. 21 km. Prędkość wywołana ruchem obiegowym jest zróżnicowana na całej kuli ziemskiej. Największą prędkość liniową poruszania się punktów obserwujemy na równiku i wynosi ona 1670 km/h. W miarę oddalania się od równika prędkość ta zmniejsza się. Na równoleżniku 50° wynosi ona już 1104 km/h, a na biegunach 0 km/h. Objawy odchylania się ciał będących w ruch można odnaleźć w przesuwaniu się mas powietrza. Wskutek nierównomiernego nagrzewania się powierzchni Ziemi powstaje globalna  cyrkulacja powietrza. Na kuli ziemskiej, która nie wykonywałaby ruchu obrotowego te przesunięcia się mas powietrza atmosferycznego powinny odbywać się w kierunku południkowym. Wskutek obrotu, oraz działania siły Coriolisa powstają przy powierzchni Ziemi odchylenia od kierunków południkowych torów ciała poruszającego się, po powierzchni Ziemi, ku równikowi w kierunku zachodnim na obu półkulach, a w kierunku wschodnim, gdy ciało porusza się w stronę któregoś z biegunów, czyli ku osi obrotu. Odkrywcą siły Coriolisa był francuski matematyk Gaspard-Gustave Coriolis. Siła Coriolisa wyrażona jest wzorem:

А= 2 ω υ sinφ

gdzie: ω - prędkość kątowa obrotu Ziemi

υ -prędkość ruchu cząstki

φ- szerokość geograficzna

Obrót dzienny kuli ziemskiej powoduje także odchylenie się ciał spadających od kierunku pionu na wschód. Przy dużych wysokościach, oraz dokładnym wyznaczeniu kierunku pionu odchylenie można łatwo zaobserwować. Doświadczenie takie wykonywano w początkach XIX wieku zrzucając odpowiednie ciężarki z wież kościołów. Na przykład w 1802 roku przy doświadczeniach wykonanych w Hamburgu z wieży kościelnej o wysokości 73 metry otrzymano odchylenie 9 mm. Zgodnie z obliczeniami odchylenie powinno wynieść 8 mm. Innym dowodem ruchu obrotowego są zmiany wartości przyspieszenia ziemskiego w zależności od szerokości geograficznej. Dzieje się tak, gdyż ciało przybliżając się do osi obrotu zachowuje większą prędkość liniową. Na północ od równika siła ta powoduje zakrzywienie toru ruchu poruszających się obiektów w prawo (z punktu widzenia poruszającego się obiektu), natomiast na południe w lewo. Efekt ten nie jest zazwyczaj odczuwalny, objawia się jedynie przy długotrwałych procesach lub w przypadku ciał poruszających się swobodnie na dużym obszarze. Na półkuli północnej wiatr ma tendencję do skręcania w prawo, natomiast na półkuli południowej  w lewo. Także silniej podmywane są prawe brzegi rzek występujących na półkuli północnej, podczas gdy na półkuli południowej lewe. Na półkuli północnej cyklony poruszają się odwrotnie do ruchu wskazówek zegara, zaś na południowej zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Ruch obrotowy wywołuje także przemieszczanie się fal pływów spowodowanych grawitacyjnym oddziaływaniem Słońca i Księżyca. Prawie na całej kuli ziemskiej z wyjątkiem obszarów podbiegunowych ruch obrotowy powoduje dobową zmianę oświetlenia, czyli następstwo dnia i nocy, oraz dobowy rytm zmian wysokości Słońca nad horyzontem. Dowodem na ruch obrotowy Ziemi jest  Wahadło Foucaulta- jest to wahadło, które zostało skonstruowane w 1851 roku przez Jean Foucaulta. Miało ono kształt długiego jedenastometrowego wahadła zawieszonego w Panteonie w Paryżu Wahadło to ma możliwość wahań w dowolnej płaszczyźnie. Wprawiając je w ruch powinno ono zachować swój kierunek. Okazuje się jednak, że wahadło nie zmienia swojej płaszczyzny wahań jedynie na równiku. Płaszczyzna drgań wahadła w doświadczeniu Foucaulta zmienia się jednostajnie względem Ziemi dokonując obrotu ze wschodu na zachód. Liczni świadkowie mogli zobaczyć, że linia wyznaczona przez kierunek wahań powoli obraca się względem podłogi i ścian Panteonu. W rzeczywistości obracał się wraz z Ziemią Panteon, zaś kierunek wahań pozostawał niezmieniony dzięki zjawisku bezwładności.  Prędkość kątowa obrotu tej płaszczyzny wahań wahadła zależy od szerokości geograficznej miejsca, w którym wykonywane jest doświadczenie. Na równiku płaszczyzna drgań wahadła nie ulega zmianie Zmiana płaszczyzny wahań jest spowodowany ruchem obrotowym Ziemi wokół własnej osi.