Péndulo accionado por las fuerzas de marea

La masa de la Tierra es M y su radio es R. En el espacio hay una varilla de masa despreciable de longitud 2l cuyo centro dista d del centro de la Tierra. En los extremos de la varilla hay dos masas m puntuales iguales. El sistema puede oscilar libremente en el plano de la figura alrededor del centro de masas de la varilla.

Las masas puntuales distan del centro de la Tierra r1 y r2 respectivamente

r 1 2 = ( R+l·cosθ ) 2 + ( l·sinθ ) 2 = R 2 + l 2 +2lRcosθ r 2 2 = ( Rl·cosθ ) 2 + ( l·sinθ ) 2 = R 2 + l 2 2lRcosθ

Las fuerzas que ejerce la Tierra sobre cada una de las masas puntuales tienen por módulo

F 1 =G Mm r 1 2 F 2 =G Mm r 2 2

la dirección es a lo largo de la recta que une el centro de la Tierra y cada una de las masas puntuales, y de sentido hacia el centro de la Tierra.

El momento de las fuerzas F1 y F2 respecto del centro de la varilla es

M=F1·l·sin(θ-α1)-F2·l·sin(θ+α2)

Aplicando el teorema del seno

r 1 sin(180-θ) = d sin(θ α 1 ) r 2 sinθ = d sin(180θ+ α 2 )

La ecuación del movimiento de rotación alrededor del centro de la varilla es

I d 2 θ d t 2 =G Mm r 1 2 l dsinθ r 1 Mm r 2 2 l dsinθ r 2

El momento de inercia de las dos masas puntuales, respecto del eje de rotación perpendicular a la varilla y que pasa por su c.m. es  I=2ml2

d 2 θ d t 2 = GM·d·sinθ 2l ( 1 r 1 3 1 r 2 3 )

Se resuelve la ecuación diferencial del movimiento por procedimientos numéricos con las siguientes condiciones iniciales: en el instante t=0, θ=π/6, dθ/dt=0

Convertimos la ecuación diferencial en otra más manejable tomando como unidad el radio de la Tierra, R=6.37·106 m

d 2 θ d t 2 = GM R 3 ( d/R )sinθ 2( l/R ) ( 1 ( r 1 /R ) 3 1 ( r 2 /R ) 3 )

Definimos la función pendulo_marea del sistema de dos ecuaciones diferenciales de primer orden, donde x(1) representará los sucesivos valores de la variable θ y x(2) representará a la derivada/dt.

function y=pendulo_marea(t,x,p)
    %x(1) posición , x(2) velocidad
    r=p(1); lon=p(2); %parámetros
    r1=1.0+lon^2/r^2-2*lon*cos(x(1))/r;
    r2=1.0+lon^2/r^2+2*lon*cos(x(1))/r;
    y=[x(2); -(1.543e-6*sin(x(1))/(2*lon*r^2))*(1.0/r1^1.5-1.0/r2^1.5)];
end

Resolvemos la ecuación diferencial mediante ode45 de MATLAB

x0=[pi/6 0]; %valores iniciales [posición, velocidad]
tspan=[0 20000]; 
p=[2.0 0.5]; %parámetros [distancia al centro, longitud del péndulo]
%no pasamos nada [] en el parámetro options de ode45
[t,x]=ode45(@pendulo_marea,tspan,x0,[],p);
plot(t,x(:,1),'r')
grid on
xlabel('t')
ylabel('ángulo');
title('Péndulo marea')

El periodo es aproximadamente 8287 s

Aproximaciones

Supongamos que la longitud de la varilla 2l es pequeña en comparación con la distancia d entre el centro de la Tierra y el c.m. de la varilla.

1 r 1 3 = 1 d 3 ( 1+ l 2 d 2 +2 l d cosθ ) 3/2 1 d 3 ( 13 l d cosθ )

despreciando los términos en l2/d2 en adelante. Del mismo modo

1 r 2 3 = 1 d 3 ( 1+ l 2 d 2 2 l d cosθ ) 3/2 1 d 3 ( 1+3 l d cosθ )

La ecuación del movimiento se puede aproximar a

d 2 θ d t 2 = 3GM·sinθ·cosθ d 3

o bien

d 2 (2θ) d t 2 + 3GM· d 3 sin(2θ)=0

Esta es una ecuación similar a la del péndulo simple, en vez del ángulo θ, que hace el hilo con la vertical aparece el ángulo 2θ.

Suponiendo que el péndulo oscila con una pequeña amplitud angular, aproximamos sin(2θ)≈(2θ). Obtenemos la ecuación diferencial de un MAS

d 2 (2θ) d t 2 + 3GM· d 3 (2θ)=0

de periodo

P= 2π ω =2π d 3 3GM

El periodo es independiente de la longitud l del péndulo, esto indica que las fuerzas de marea se manifiestan también en sistemas cuyo tamaño es pequeño.

Si el péndulo se coloca en la superficie de la Tierra d=6370 km, M=5.98·1024 kg, G=6.67·10-11 Nm2/kg2

El periodo P=2920.2 s=48.7 min

Referencias

Grǿn Ǿ. A tidal force pendulum. Am. J. Phys. 51 (5) May 1983, pp. 429-431