Cuando decimos que el período de rotación de la Tierra es en realidad 23 horas y 56 minutos, y no 24 horas, ¿qué queremos decir? Varias de las excelentes respuestas que ha recibido han señalado que este es el período de rotación con respecto a las “estrellas fijas”. Es por eso que se conoce como el “día sideral” o equivalentemente “día de estrella”.
Pero hay otro sentido bastante profundo en el que esta es la tasa de rotación real o “verdadera” de la Tierra. La mayoría de los usuarios están acostumbrados a la idea de que el movimiento lineal es relativo y no hay un estado absoluto de reposo. Es diferente con la rotación. Hay fenómenos físicos que se comportan de manera diferente en un marco de referencia rotativo que crea específicamente las aceleraciones aparentes “centrífugas” y “Coriolis”. Estos son fenómenos observables que nos permiten decidir, en principio, incluso sin referencia a las estrellas distantes, si estamos girando o no, y por lo tanto podemos determinar la verdadera velocidad de rotación de la Tierra sin referencia a marcadores o referencias externas. Es más fácil imaginar esto con un hipotético laboratorio científico en el Polo Norte …
Viaja al Polo Norte (o al Sur, elige) y construye un laboratorio científico cálido y agradable. El laboratorio debe tener una ventana pero cubierta inicialmente para que no podamos ver nada afuera. Para hacer las cosas interesantes, coloque este laboratorio en una plataforma que se pueda girar silenciosamente y suavemente sin ninguna vibración significativa. Es una cabaña en un carrusel. Se le suministra un “joystick” que le permite ajustar la rotación de la plataforma: la izquierda cambia la velocidad de rotación en el sentido de las agujas del reloj, la derecha lo cambia en sentido contrario.
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En el interior, cerca del centro del laboratorio, realice dos experimentos:
- Una cuenca grande y poco profunda de fluido, preferiblemente metal líquido de mercurio.
- Un péndulo largo que oscila libremente con algún mecanismo para compensar la fricción en el montaje y mantenerlo oscilante.
Ahora haga arreglos para que alguien fuera de su cabina comience a girar la cabina a una velocidad de rotación lenta, como una vez por minuto (pero desconocido para usted que observa dentro), y observe su cuenca de fluido y su péndulo oscilante. Descubrirá que la superficie del líquido en la cuenca no es plana. En cambio, tiene forma de cuenco, formando específicamente una superficie parabólica. Puede ver esto mirando un ángulo bajo a través de la cuenca y observando los reflejos ligeramente distorsionados de los objetos. Esta “forma de cuenco” es un resultado natural de la fuerza centrífuga debido a su rotación. También descubrirá que el plano en el que se balancea su péndulo precesa o gira (esto es, por supuesto, un caso especial de un péndulo de Foucault). Este es el resultado de la aceleración de Coriolis.
Ahora toque el joystick varias veces en la dirección de rotación opuesta a la dirección de rotación aparente de la trayectoria del péndulo oscilante. Descubrirá que el plano de rotación del péndulo ahora gira más lentamente, y también descubrirá que la superficie del depósito de Mercurio líquido se vuelve más plana, menos “en forma de cuenco”. Toque el joystick unas cuantas veces más. Realice ajustes precisos hasta que el plano de oscilación del péndulo permanezca constante, sin precesión, y la superficie de la cuenca de Mercurio se vuelva perfectamente plana (en realidad coincide perfectamente con la curvatura esférica del campo gravitacional de la Tierra, ¡pero lo suficientemente cerca!). En este punto, ha eliminado toda la rotación de su laboratorio. Y ahora puedes abrir la ventana y mirar hacia afuera.
¿Mencioné que es invierno? Cuando abres la ventana, después de eliminar cuidadosamente la rotación de tu pequeña cabaña en un carrusel por medios experimentales locales dentro de la cabaña, miras hacia afuera y ves oscuridad y luego, cuando tus ojos se adaptan a la oscuridad, ves las estrellas (en otoño e invierno en el polo, siempre es de noche). Y descubrirá que las estrellas aparecen casi inmóviles, excluyendo los planetas y otros objetos cercanos. Las estrellas no se mueven en absoluto. Verá los mismos patrones de estrellas centrados en su ventana durante días y semanas. Y aquí has descubierto el fenómeno que tanto fascinó a Ernst Mach y que hoy se conoce como el principio de Mach. Los experimentos locales que revelan falta de rotación son idénticos a la falta de rotación con respecto a objetos astronómicos muy distantes.
Después de haber eliminado toda la rotación de su laboratorio, si ahora mira a sus compatriotas en la cabina de al lado (los estudiantes de posgrado tienen la tarea de proporcionarle durante todo el invierno deliciosas comidas calientes), se dará cuenta después de unos minutos de que están rotando con respeto. para ti. Ellos, y otros objetos unidos al cuerpo fijo de la Tierra, están girando con respecto a usted con un período de rotación de 23 horas, 56 minutos. De este modo, has establecido la verdadera tasa de rotación de la Tierra mediante experimentos locales en un laboratorio completamente cerrado. Y, por último, si espera unos meses a que salga el Sol, descubrirá que gira a su alrededor en 24 horas más (o quizás menos) unos segundos. Mientras observa un promedio de más de un año, esos pocos segundos de diferencia promedio fuera y la tasa media es casi exactamente 24 horas). Su laboratorio no gira. Los objetos fijados a la Tierra giran a tu alrededor una vez cada 23h 56m. El Sol malo gira a tu alrededor una vez cada 24h 00m.
Por supuesto, debido a que el Sol es tan crítico para nuestras vidas, hemos optado por mantener el tiempo según la posición promedio y aparente del Sol en el cielo. El día se define en términos de su movimiento medio a nuestro alrededor, y el segundo SI se define de modo que casi exactamente 86.400 segundos equivalen a un solo día solar medio. Desde el mediodía hasta el mediodía en relojes ordinarios, el Sol vuelve a casi exactamente la misma posición en el cielo (la pequeña diferencia, que se acumula a muchos minutos durante el año, se conoce como la Ecuación del tiempo). Desde la medianoche hasta la medianoche, a juzgar por un reloj ajustado al tiempo sideral que coincide con la velocidad de rotación sideral de la Tierra, las estrellas distantes regresan a las mismas posiciones en el cielo.
NB: los “experimentos locales” que he descrito anteriormente, aunque absolutamente cierto “en principio” son muy difíciles en la práctica a la hora de medir el período exacto de rotación de la Tierra. En la práctica, es mucho más preciso usar objetos astronómicos distantes para este propósito, tomando el Principio de Mach como un hecho. Observamos cuásares distantes: una red de sus posiciones cuidadosamente observadas ahora define nuestra mejor estimación de un marco de referencia perfectamente no rotativo.
