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Tutto sulla Forza di Coriolis: vortici, gravi ed esposizione divulgativa

Tutto sulla Forza di Coriolis: vortici, gravi ed esposizione divulgativa

Formazione di un vortice a causa della Forza di CoriolisAvete presente quando in automobile ve ne state tranquilli sul lato passeggero e ad un certo punto vi sentite schiacciare verso lo sportello perché il guidatore gira "allegramente" e improvvisamente a sinistra? O verso il guidatore stesso se quest'ultimo gira a destra?Bene, la sensazione è quella di essere stati spinti verso lo sportello, quando in realtà noi non facevamo altro che continuare il nostro percorso rettilineo: è in realtà l'auto che ha cambiato direzione! Ecco, siamo stati sottoposti alla cosiddetta forza centrifuga. Una forza apparente, perché nessuno ci ha spinti davvero. La forza reale è quella centripeta, quella cioè dell'automobile che ci è venuta "addosso" (lo sportello o il guidatore nei rispettivi casi) quando noi avremmo invece continuato ad andare dritti... Tuttavia abbiamo l'impressione di essere balzati fuori (forza centrifuga). Ma la forza centrifuga non è l'unica forza apparente esistente.

C'è anche la Forza di Coriolis, che si manifesta anch'esso nei sistemi rotanti (come ad esempio il nostro Pianeta) quando un corpo si muove all'interno del sistema stesso. Descritta per la prima volta in maniera dettagliata dal fisico francese Gaspard Gustave de Coriolis nel 1835, è alla base della formazione dei sistemi ciclonici o anticiclonici nell'atmosfera. Il punto fondamentale da tenere presente è che mentre un corpo si muove, il sistema rotante, appunto, ruota e questo in un certo senso cambia le "carte in tavola". Vediamo come, illustrando due tra gli effetti principali della Forza di Coriolis sulla Terra: la formazione dei vortici e la deviazione verso est nella caduta dei gravi.

La formazione dei vortici

Osserviamo la figura in alto a sinistra. Abbiamo la Terra che ruota da ovest verso est (da sinistra a destra). Prendiamo anche 3 particelle d'aria nei punti A, B e C che si trovino alla stessa quota rispetto al suolo. Se non c'è vento, cioè l'aria non si muove rispetto alla Terra, allora le 3 particelle si muoveranno insieme alla Terra stessa alla sua velocità angolare. A che velocità lineare vanno le 3 particelle? Beh, dipende dal sistema di riferimento: se come riferimento prendiamo il sistema rotante (cioè la Terra), allora hanno tutti e tre velocità pari a zero (abbiamo detto che non c'è vento... rispetto al suolo). Se invece come riferimento prendiamo un sistema di riferimento "esterno", per esempio dallo spazio, un sistema di riferimento fisso, allora vedremo procedere le 3 particelle da ovest a est a velocità Va > Vb > Vc. Questo perché A è più basso di latitudine e quindi, con la stessa velocità angolare, dovrà descrivere un cerchio più ampio di B, a sua volta B più ampio di C. Fin qui nulla di strano. Supponiamo ora che si abbassi la pressione atmosferica in corrispondenza del punto B. Come sappiamo l'aria comincerà ad affluire da A verso B e da C verso B. Ma nel frattempo, sotto, la Terra ruota... Che succede?

Guardando le cose dallo spazio (sistema inerziale) vediamo che A mantiene la sua componente orizzontale (ovest-est) Va che aveva prima (prima legge di Newton e il fatto di spostare la particella verso nord non fa cambiare la componente ovest-est: le due velocità sono completamente indipendenti), ma lo fa avvicinandosi a B che ha una Vb inferiore (era Va > Vb) e quindi il risultato è che Va si troverà "davanti" a B (più a est).

Anche C mantiene la sua componente orizzontale ovest-est di velocità, ma era Vc < Vb e quindi C si troverà "indietro" rispetto a B (più a ovest).

Il risultato, in ogni caso, è che particelle d'aria in movimento verranno comunque deviate verso la propria destra. E così l'osservatore inerziale vede formarsi un vortice! In questo caso depressionario (e in senso antiorario). Con gli stessi ragionamenti si trova che un vortice anticiclonico gira in senso orario e che tutto l'opposto accade nell'emisfero australe.

Ora, ovviamente lo stesso vortice deve potersi avere anche per un osservatore che sta sulla Terra, o meglio, anche l'osservatore non inerziale sulla Terra deve vedere deviare verso est le masse d'aria che viaggiano da sud a nord e verso ovest quelle che viaggiano da nord a sud.

E così, come per il passeggero dell'auto, esso deve immaginare l'esistenza di una forza "fittizia" che "spinga" tali masse d'aria. E' questa la Forza di Coriolis.

La deviazione verso est nella caduta di un graveLa deviazione dei gravi verso oriente

Anche stavolta ci aiutiamo con una figura, sempre inizialmente ipotizzando un corpo fermo rispetto alla Terra. Osserviamo che se il corpo cade verso il centro della Terra dal punto A al punto A' esso va a finire su un "cerchio" a cui compete una velocità lineare "ovest-est" maggiore rispetto a prima (il cerchio da percorrere è più piccolo, ma la velocità angolare è la stessa). Di nuovo, il corpo andrà a trovarsi più "avanti" rispetto ad A', cioè più a est. E ancora una volta un osservatore sulla Terra non potrà fare altro che accettare l'idea che "qualcosa" abbia "spinto" il corpo verso est. Che cosa? La Forza di Coriolis! Si vede facilmente che la deviazione verso est accade per entrambi gli emisferi, a differenza del caso del vortice.

Non è finita qui. Anche ad esempio il Pendolo di Foucault ruota a causa della Forza di Coriolis. Le rotte degli aerei devono tenere conto della rotazione terrestre e ci si potrebbe chiedere cosa accade per corpi in movimento che però restano solidali con la Terra, si pensi ai treni o ad un'automobile. Bene, ovviamente in questo caso non c'è deviazione perché le ruote tengono fissi al terreno auto e vagoni, ma la "spinta" c'è lo stesso e tende a usurare i binari. Si tenga presente che in generale comunque la Forza di Coriolis è piuttosto piccola rispetto alla maggior parte delle altre forze in gioco.

In conclusione, stiamo parlando di una forza apparente in quanto nel sistema di riferimento rotante l'osservatore non ha altro modo per giustificare ciò che, in realtà, un osservatore esterno e inerziale può benissimo giustificare con le altre normali (e reali!) forze. Nel sistema inerziale infatti valgono le leggi di Newton, più che sufficienti per spiegare il tutto, mentre nel sistema di riferimento rotante le leggi di Newton così come sono non valgono più e ci si vede costretti, per far quadrare i conti, a introdurre forze fittizie come appunto la Forza di Coriolis e la forza centrifuga.

Vai qui per saperne di più invece sugli aspetti matematici della Forza di Coriolis.