Forza di Coriolis (trattazione elementare)

La forza di Coriolis è una forza che si manifesta su un corpo all'interno di un sistema di riferimento rotante, quale ad esempio la Terra che ruota su se stessa, quando il corpo stesso si muove in modo tale che la sua velocità di rotazione vari.

Punti da evidenziare

Analizzando la definizione data, sono due i punti da evidenziare:

• siamo in presenza di un sistema di riferimento rotante: un vecchio 33 o 45 giri che gira su un giradischi oppure la Terra che ruota su se stessa sono due esempi di tali sistemi;
• c'è un corpo che si muove all'interno del sistema rotante: il corpo si sposta da un punto dove c'è una certa velocità *TANGENZIALE* ad un altro dove c'è un'altra velocità *TANGENZIALE* diversa dalla prima.

Primo effetto di Coriolis: il vortice

Fig. 1

Fig. 2

In questo capitolo si vedrà come la forza di Coriolis abbia come effetto la creazione di un vortice.

Punti A, B, C

Guardando dall'alto il Polo Nord terrestre, si può constatare che la Terra ruota su se stessa in senso antiorario. Consideriamo 3 punti nell'emisfero boreale (quello nord) tutti alla stessa altezza da terra e tutti alla stessa longitudine geografica (Fig. 1): A è il più vicino all'equatore, C è il più vicino al polo mentre B è in posizione intermedia. Ciascuno di questi tre punti compie, in un giorno, un giro completo intorno all'asse terrestre (Fig. 2): A compie il giro più ampio e poiché percorre la distanza maggiore è quello che si muove più rapidamente dei tre; B compie un giro un po' più piccolo e quindi si muove più lentamente di A; C compie un giro ancora più piccolo e quindi è quello che si muove più lentamente dei tre.

Situazione di aria stazionaria

Fig. 3

Se non tira vento, l'aria nei punti A, B e C si muove insieme alla Terra, rimanendo dov'è, rispetto al suolo.

Le cose viste da fuori

La velocità posseduta dai punti A, B e C guardando la Terra da fuori, cioè dallo spazio, è data dalle frecce (Fig. 3); come detto:

$V_A > V_B > V_C$

Le cose viste da dentro

La velocità posseduta dai punti A, B e C stando sulla superficie della Terra è per tutti e tre zero: l'aria ruota insieme alla Terra e rimane stazionaria in tali punti.

Situazione di aria in movimento

Supponiamo adesso che in B si verifichi un abbassamento della pressione atmosferica. L'aria da A e da C comincerà ad affluire verso B.

Le cose viste da fuori

Guardando le cose da fuori (sistema inerziale), ossia dallo spazio, valgono le leggi di Newton: queste ultime infatti valgono solo in un sistema di riferimento inerziale. In base alla prima legge di Newton la velocità dell'aria che da A passa a B tende a mantenersi costante: poiché l'aria che arriva da A è più veloce dell'aria che si trova in B, essa devia verso est. Sempre in base alla prima legge di Newton la velocità dell'aria che da C passa a B tende a mantenersi costante: poiché l'aria che arriva da C è più lenta dell'aria che si trova in B, essa devia verso ovest. L'aria produce un vortice che gira in senso antiorario.

Le cose viste da dentro

Guardando le cose stando sulla Terra (sistema non inerziale), non valgono le leggi di Newton: comunque, anche chi sta a terra deve vedere che si è formato un vortice così come capita a chi vede le cose da fuori. Per poter spiegare il fatto che l'aria che da sud va verso nord viene deviata verso est mentre quella che da nord va verso sud viene deviata verso ovest, l'osservatore che sta a terra deve accettare l'idea che esista una forza fittizia come quella data nella nostra definizione iniziale: la forza di Coriolis. Sull'aria proveniente da A viene ad esercitarsi una forza di Coriolis che la spinge verso est, mentre sull'aria proveniente da C viene ad esercitarsi un'altra forza di Coriolis che la spinge verso ovest.

Direzione del vortice nei due emisferi terrestri.

La descrizione fatta sopra riguarda l'emisfero nord della Terra: abbiamo visto che il vortice che si crea quando la pressione in B diminuisce gira in senso antiorario. Se invece la pressione in B, anziché diminuire, aumenta rispetto ad A e a C, allora il vortice che si crea gira in senso orario. Nell'emisfero australe (quello sud) le cose sono diametralmente opposte: il vortice che in quello nord gira in senso antiorario, in quello sud gira in senso orario e viceversa. Basta seguire gli stessi ragionamenti fatti sopra per convincersene.

Secondo effetto di Coriolis: la deviazione dei gravi verso oriente

Fig. 4

Fig. 5

In questo capitolo si vedrà come la forza di Coriolis abbia come altro effetto la deviazione della caduta dei gravi verso oriente.

Punti A e A'

Consideriamo due punti A ed A' (Fig. 4) che si trovano lungo la stessa verticale, uno sopra l'altro: lo si capisce dal fatto che essi giacciono sulla stessa retta che passa per il centro della Terra O. Il punto A si trova ad un'altezza maggiore rispetto al punto A'. In un giorno, il punto A compie un giro più ampio di quello compiuto da A': quindi un corpo che, "per magia", è fisso nel punto A, rimanendovi stazionario, presenta una velocità maggiore rispetto a un corpo che, sempre "per magia", è fisso nel punto A', rimanendovi stazionario. Ora supponiamo, più realisticamente, che il corpo in A prenda a cadere verso terra, portandosi in A'.

Le cose viste da fuori

Guardando le cose da fuori (sistema inerziale), ossia dallo spazio, valgono le leggi di Newton: come già detto, queste ultime valgono solo in un sistema di riferimento inerziale. In base alla prima legge di Newton la velocità del corpo che da A passa ad A' tende a mantenersi costante: poiché il corpo che arriva da A si trova ad avere una velocità maggiore di quella del corpo presente in A', il primo devia verso est (Fig. 5).

Le cose viste da dentro

Guardando le cose stando sulla Terra (sistema non inerziale), non valgono le leggi di Newton: comunque, anche chi sta a terra deve vedere che il corpo cadendo ha deviato verso est così come capita a chi vede le cose da fuori. Per poter spiegare il fatto che il corpo nel suo movimento da A ad A' viene deviato verso oriente, ancora una volta l'osservatore che sta a terra deve accettare l'idea che esista una forza fittizia come quella data nella nostra definizione iniziale: la forza di Coriolis. Sul corpo proveniente da A viene quindi ad esercitarsi una forza di Coriolis che lo spinge verso est.

Deviazione dei gravi verso oriente ed emisferi terrestri

Contrariamente a quello che succede per il vortice, la deviazione dei gravi è sempre verso oriente sia che esso cada nell'emisfero boreale sia che esso cada in quello australe. Infatti indipendentemente dal luogo di caduta, il grave passa da un punto A della Terra che ruota più velocemente a un altro A' che ruota più lentamente: quindi la deviazione è sempre verso oriente.

Terzo effetto di Coriolis: il pendolo di Foucault

Fig. 6 L'animazione del pendolo di Foucault, situato in questo caso nell'emisfero australe, evidenzia la direzione di rotazione antioraria. La velocità di rotazione è fortemente enfatizzata rispetto alla realtà.

In questo capitolo si vedrà come la forza di Coriolis abbia come ulteriore effetto la rotazione del pendolo di Foucault.

Pendolo di Foucault

Fig. 7

Il pendolo di Foucault non è altro che un pendolo costruito in modo opportuno per dimostrare come, a causa della rotazione della Terra e quindi del manifestarsi della forza di Coriolis, esso subisca delle deviazioni che lo portano a ruotare su se stesso, mentre oscilla. Per avere una visualizzazione della rotazione che subisce il pendolo, si faccia riferimento all'animazione di figura 6: da notare che il pendolo dell'animazione si trova nell'emisfero australe e ruota in senso antiorario.

Deviazione del pendolo nell'oscillazione da M ad N

A differenza dell'animazione, qui ipotizziamo che il pendolo si trovi nell'emisfero boreale, come in figura 7. Nell'oscillazione da M ad N si verifica la stessa deviazione che avviene nel passaggio da A a B di figura 3: come in quel caso, il pendolo subisce una deviazione verso destra dovuto alla forza di Coriolis.

Deviazione del pendolo nell'oscillazione da N ad M

Nell'oscillazione da N ad M si verifica la stessa deviazione che avviene nel passaggio da C a B di figura 3: come in quel caso, il pendolo subisce una deviazione verso sinistra dovuto alla forza di Coriolis.

Rotazione del pendolo di Foucault

L'azione combinata della deviazione prima verso destra e poi verso sinistra produce, nel nostro caso di pendolo situato nell'emisfero boreale, la sua rotazione in senso orario, mentre è in oscillazione.

Verso di rotazione ed emisferi terrestri

Come si è visto, la rotazione del pendolo di Foucault è oraria nell'emisfero boreale: facendo ragionamenti analoghi per l'emisfero australe si evince che la rotazione si inverte, diventando antioraria.

Conclusioni

La forza di Coriolis è una forza apparente che deve essere introdotta in un sistema di riferimento rotante (quindi di tipo non inerziale) per poter spiegare lo stesso fenomeno che un osservatore posto invece in un sistema di riferimento inerziale riesce a spiegare basandosi sulle leggi di Newton. Il fenomeno fisico (la creazione del vortice o la deviazione verso est di un grave) è visibile sia da un osservatore nello spazio che è in un sistema di riferimento inerziale come quello delle stelle fisse sia da un osservatore sulla Terra che è in un sistema rotante non inerziale come quello che ruota insieme alla Terra stessa: in quello inerziale bastano le leggi di Newton per spiegare il fenomeno fisico che si è verificato, mentre in quello non inerziale bisogna introdurre delle forze fittizie (come la forza di Coriolis qui descritta o come la forza centrifuga) per poter spiegare il verificarsi dello stesso fenomeno.

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