Forza di Coriolis
Che cosa è la forza di Coriolis?
Consideriamo un sistema di riferimento non inerziale che stia ruotando di moto circolare uniforme rispetto ad un altro sistema di riferimento inerziale.
Come già detto il sistema che sta ruotando non è inerziale in quanto su di esso agisce l'accelerazione centripeta che consente al sistema di mantenere la traiettoria curvilinea.
Se su un sistema di riferimento agisce un'accelerazione, esso sarà di certo di tipo non inerziale rispetto ad un altro inerziale.
Su un sistema di riferimento rotante agiscono due forze apparenti (ricordiamo che le forze apparenti compaiono solo in sistemi di riferimento non inerziali e quindi accelerati per permettere agli osservatori solidali con quel sistema di poter usare i principi della dinamica): la forza centrifuga e la forza di Coriolis.
Dunque, la forza di Coriolis è una forza fittizia che si manifesta quando un corpo si sta muovendo all'interno di un sistema di riferimento in moto circolare.
Traiettoria apparente
Consideriamo una piattaforma circolare girevole. Su tale sistema dunque non è più valido il primo principio della dinamica in quanto trattasi di sistema di riferimento non inerziale.
Su questa piattaforma che sta ruotando ad una certa velocità angolare ω, un corpo si sta spostando dal centro verso il bordo di moto rettilineo uniforme.
Prendiamo i due punti di vista dell'osservatore solidale con la Terra e solidale con la piattaforma stessa.
Nel primo caso l'osservatore a Terra vedrà il raggio vettore segnato in rosso spostato rispetto alla posizione iniziale di un'apertura angolare Δφ, ovvero avrà spazzato un certo angolo pari al prodotto della velocità angolare ω, per il tempo Δt; il corpo avrà invece già percorso uno spostamento rettilineo Δs pari al prodotto della sua velocità costante per il tempo.
La traiettoria vista da Terra è rettilinea lungo la direzione di un raggio.
Se invece l'osservatore è solidale con la piattaforma, si trova cioè a bordo di essa, vedrà il raggio sempre fisso nella sua posizione, ovvero non si accorgerà, se non ha riferimenti esterni, che egli sta ruotando insieme alla piattaforma.
Invece vedrà il corpo in movimento compiere una traiettoria curvilinea, in quanto su di esso agisce una forza apparente, la forza di Coriolis appunto, che si manifesta proprio perché per l'osservatore inerziale il corpo continua a percorrere una traiettoria rettilinea.
Direzione e verso della forza di Coriolis
La forza di Coriolis è sempre perpendicolare alla direzione della velocità tenuta dal corpo che si sta muovendo nel sistema rotante.
Essa inoltre risulta essere perpendicolare all'asse di rotazione del sistema.
Il risultato è che per un sistema che ruota in verso antiorario la forza di Coriolis sarà diretta in senso orario se l'oggetto si sta allontanando dal centro di rotazione verso l'esterno, mentre sarà diretta in senso antiorario se si sta avvicinando ad esso.
La forza di Coriolis invece risulta nulla se il corpo che si trova sul sistema rotante è fermo oppure se si muove con velocità parallela all'asse di rotazione.
Effetti della forza di Coriolis
Se consideriamo come sistema di riferimento rotante la Terra, ci troveremo in una situazione molto simile a quella della piattaforma girevole vista prima.
Infatti la Terra ruota di moto circolare uniforme e pertanto un corpo che si muove non a contatto con la superficie, subirà le conseguenze della forza di Coriolis.
Un corpo posto in superficie invece si muove con la stessa velocità con cui ruota il pianeta per cui su esso non si ha manifestazione di questa forza.
Discorso diverso invece per tutto ciò che si muove per aria, sospeso nell'atmosfera e non a contatto con la Terra.
Ad esempio è il caso dei venti, degli uccelli in volo, degli aeroplani, oceani, proiettili ecc.
Un effetto molto importante della forza di Coriolis si osserva nello spostamento delle nuvole in quanto essa influenza i moti delle masse d'aria.
Innanzitutto bisogna dire che se un corpo si sposta verso Nord esso subirà la forza di Coriolis diretta verso Est, questo solo se si trova a nord dell'equatore (emisfero boreale); mentre nell'emisfero sud (emisfero australe) se il corpo si sposta verso nord verrà deviato verso ovest.
Viceversa se il corpo si sta spostando verso sud verrà deviato a ovest nell'emisfero nord mentre verrà deviato a est nell'emisfero sud.
Se nell'atmosfera si crea un centro di bassa pressione si creano i cosiddetti cicloni, ovvero dei vortici i cui venti spirano secondo una spirale.
Ora a causa della forza di Coriolis, nell'emisfero nord i venti di un ciclone spireranno in direzione antioraria mentre nell'emisfero sud ruoteranno in senso orario.
Un aeroplano che si stia muovendo in aria da ovest verso est deve tenere presente la deviazione dovuta alla forza di Coriolis che tenderà a spostarlo verso sud nell'emisfero nord, e viceversa tenderà a spostarlo verso nord nell'emisfero sud.
La forza di Coriolis è responsabile anche della formazione degli anticicloni.
Una prova sperimentale della forza di Coriolis: il pendolo di Foucault
Una prova della manifestazione della forza di Coriolis associata al moto di rotazione della Terra è il pendolo di Foucault.
Modulo della forza di Coriolis
La forza di Coriolis è pari al prodotto vettoriale tra la velocità angolare ω del sistema rotante e la velocità relativa del corpo rispetto al sistema stesso il tutto moltiplicato scalarmente per meno due volte la massa del corpo:
Fcor = -2 ∙ m ∙ ω x Vrel
Se in particolare il corpo si sta muovendo radialmente, e quindi la velocità risulta perpendicolare al vettore velocità angolare, allora il modulo della forza di Coriolis è pari a:
Fcor = - 2 ∙ m ∙ ω ∙ Vrel
Il segno meno sta a significare che la forza agisce in maniera opposta al verso di rotazione del sistema.
Esercizio sulla legge di Coriolis
Un insetto si trova su una piattaforma scabra rotante alla velocità angolare di 4,7 rad/s.
L'insetto si sta muovendo in direzione radiale dal centro verso la periferia del disco ad una velocità relativa rispetto al sistema di 1 cm/s e il coefficiente di attrito statico tra insetto e piattaforma è di 0,08.
Calcolare a quale distanza dal centro l'insetto inizierà ad essere spostato dalla propria traiettoria rettilinea.
Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: esercizio sulla legge di Coriolis.
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