Coriolis
07 Mar, 2012
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PRESENTACIÓN: Un disparador cargado sitúase no centro dunha plataforma xiratoria que rota libremente en torno a un eixe perpendicular. Inicialmente realízase un lanzamento coa plataforma en repouso e obsérvase o movemento rectilíneo. O proceso repítese coa plataforma xiratoria observando a desviación correspondente.
- Cyclone on a Turntable: Illustrations of the Coriolis Force, Ole Anton Haugland, Phys. Teach. 47, 546 (2009)
- Coriolis Force on Your Arms, Robert Johns, Phys. Teach. 41, 516 (2003)
- Vázquez-Dorrío, B., Paredes, A., & Queiruga-Dios, M. A. Hands-on visualization of the effect of fictitious forces with a laser pointer. European Journal of Physics, 45(1), 015001 (2023)
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El efecto Coriolis se debe al movimiento de rotación de la Tierra, y es la desviación de su trayectoria que sufren los fluidos como el aire y el agua. Esta desviación es mínima en el ecuador y máxima en los polos.
El ejemplo más notorio de manifestación del efecto Coriolis se da cuando masas de aire o de agua se desplazan siguiendo meridianos terrestres, y su trayectoria y velocidad se ven modificadas por él. El desplazamiento de las masas de aire en anticiclones y borrascas se ve afectado por el movimiento de rotación del la Tierra. Por esta razón, tanto al ascenso como el descenso de aire, no se realiza de forma “lineal” sino mediante “giros” similares a los que se originan en un recipiente de agua al quitar el tapón. Este efecto se conoce como efecto Coriolis y hace que las masas de aire descendentes (anticiclones) se desplacen siguiendo las agujas del reloj y las ascendentes (borrascas) el sentido contrario en el hemisferio Norte. En el caso del hemisferio Sur la situación se invierte.
A 15 kilómetros de Quito está el Paralelo Cero, o Latitud 0º 0′ 0″, donde el efecto Coriolis presenta un comportamiento diferente al de cualquier otra parte del mundo. Si quitas el tapón del lavabo, el agua gira en un sentido si estás en el hemisferio norte (como las agujas del reloj, para ser exactos) y en el contrario si te encuentras en el del sur. Pero si estás en el medio de los dos, el líquido cae verticalmente, a plomo. Los tres efectos diferentes se llevaron a cabo en la zona, os recomiendo que lo veáis en el siguiente vídeo.
Para un masa tan pequeña de agua el efecto de Coriolis es insignificante. La rotación se debe más bien a movimientos remanentes o a la manera de iniciar el movimiento.
El efecto Coriolis fue descrito en 1836 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis y se define como la fuerza producida por la rotación de la Tierra en el espacio, que tiende a desviar la trayectoria de los objetos que se desplazan sobre la superficie terrestre; a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el sur.
En meteorología y oceanografía, la manifestación del efecto Coriolis se da cuando masas de aire o de agua se desplazan siguiendo meridianos terrestres, y su trayectoria y velocidad se ven modificadas por él. Esto explica que las borrascas tiendan a girar en sentidos contrarios en un hemisferio respecto al otro. De igual modo, dicho efecto afecta a los huracanes, corrientes oceánicas, vientos alisios y movimientos tectónicos.
Aunque estemos recurriendo a hechos lamentables de nuestra historia y desgraciadamente también del presente, a modo de ejemplo curioso, cabe mencionar que dicho efecto ha sido considerado a lo largo de la historia en diferentes combates y guerras. Hacia el final de la Primera Guerra Mundial cuando el ejército alemán apuntaba con su artillería hacia París desde una distancia de 120 km, los soldados ajustaban la trayectoria en función de muchos factores, entre ellos la sutil influencia de la rotación de la Tierra (el efecto Coriolis). Sin esta consideración los disparos se habrían desviado unos 800 metros. Este ejemplo explica por qué en el sector armamentístico se corrige este efecto en la trayectoria de los proyectiles (especialmente de largo alcance) estabilizándolos durante su vuelo y mejorar así la precisión del disparo. Por ello, los cañones se fabrican con estriado interior.
Como se ha explicado en los 3 comentarios previos, el efecto Coriolis es la desviación de la trayectoria que sufre cualquier fluido en la superficie terrestre, siendo a la derecha en el hemisferio Norte y hacia la izquierda en el hemisferio Sur. Esta desviación es la responsable de la espiral de Ekman, que es el modelo que explica el movimiento de las masas de agua en superficie. Según este modelo la capa superficial de agua adquiere una trayectoria por efecto del viento que va a ser modificada por el efecto Coriolis, y a continuación ese movimiento de la capa superficial se va transfiriendo a los sucesivos estratos de profundidad con su respectiva desviación por Coriolis. Al final se obtiene un transporte neto de la masa de agua con un ángulo de 90º respecto a la dirección del viento (link). Este proceso es uno de los responsables de la riqueza de nuestras aguas costeras, ya que tras la aparición del viento Norte (paralelo a la costa gallega), se observa un trasporte neto de la masa de agua superficial hacia el Oeste (hacia el centro del océano) y su hueco es ocupado por el agua profunda más fría y rica en nutrientes (link).
El ejemplo más notorio de manifestación del efecto Coriolis se da cuando masas de aire o de agua se desplazan siguiendo meridianos terrestres, y su trayectoria y velocidad se ven modificadas por él. En efecto, los vientos o corrientes oceánicas que se desplazan siguiendo un meridiano se desvían acelerando en la dirección de giro (este) si van hacia los polos o al contrario (oeste) si van hacia el ecuador. Se puede añadir, que por consecuencia, en el Ecuador, no hay efecto de Coriolis. La manifestación de estas desviaciones produce, de manera análoga al giro de la bolita mostrado al principio, que las borrascas tiendan a girar en el hemisferio sur en el sentido de las agujas del reloj y, en el hemisferio norte, en sentido contrario.
En las cuencas que tienen la forma apropiada (como, por ejemplo, la cuenca del Atlántico norte y la del Atlántico sur), el efecto Coriolis desvía a las corrientes marinas hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, de la misma manera que sucede con la circulación general de los vientos.
Las excepciones o modificaciones de este patrón general de la circulación general de los océanos tienen que ver con la disposición de las costas y la compensación introducida por las corrientes cálidas que van, en los océanos, de las costas orientales de la zona intertropical hacia las occidentales de las zonas templadas de los continentes (corriente del Golfo y de Kuro Shivo, especialmente).
Unha das consecuencias inmediatas da existencia do efecto coriolis no océano é o transporte de Ekman. O transporte de Ekman, orixinalmente descrita por Vagn Walfrid Ekman para a capa superficial do océano, é o movemento das masas de auga de mar (e materiais en suspensión na deles) cun certo ángulo respecto á dirección do vento na capa superficial. Ela é obtida por integración vertical da espiral Ekman, un proceso no que cada capa da viscosidade da auga do océano arrastra a capa inmediatamente adxacente. Na capa superficial comeza co vento na auga preto da superficie do océano, facendo que o seu movemento. Por conseguinte, cada capa de auga é afectada polo movemento da capa superior ou inferior no caso do rozamento da capa límite inferior.
Debido ao efecto Coriolis, o movemento da superficie do océano é desviado cara á dereita no hemisferio norte e cara á esquerda no respecto sur para a dirección do vento no hemisferio superficie. Cada capa de auga está a ser absorbido pola capa superior sofre o mesmo efecto de desviación desde a capa superior, pero cada vez máis pequenos en magnitude; Os vectores de movemento son a espiral Ekman. O movemento medio de auga do océano en todas as profundidades (debido ao transporte Ekman) é de aproximadamente 90 graos á dereita no hemisferio norte e 90 graos á esquerda en relación sur para a dirección do vento no hemisferio superficie. Se tal corrente transporta a auga da costa (por exemplo, cando unha corrente do sur progresa ao longo da costa occidental de un continente do sur, obtendo transporte neto de Ekman á esquerda, é dicir, a oeste mar ) crea afloramientos ou upwellings do fondo con augas ricas en nutrientes. Da costa, onde este fenómeno ocorre son rexións de pesca ricos.
O transporte de Ekman sobre a capa de fondo é causada polo efecto de fricción inferior nas capas adxacentes. O rozamento inferior actúa do mesmo xeito que a fricción causado polo vento sobre a superficie. Afectada pola profundidade de transporte Ekman está directamente relacionada coa viscosidade e a magnitude do efecto Coriolis naquel punto.
Déixovos un vídeo que explica moi ben o Transporte de Ekamn
O transporte de Ekman é o responsable de que nas rías de Galicia sexan así de produtivas, xa que os ventos do Norte na plataforma orixinan un transporte da auga superficial para fora favorecéndose a emerxencia de augas profundas máis ricas en nutrientes. Isto sucede entre os meses de abril e outubro.
Pero no todo son vantaxes. As temperaturas tan frías das augas de baño en Galicia están relacionadas con este fenómeno de afloramento costeiro debido ao vento e coriolis. Vede este vídeo onde o explica moi clariño.
Se podría hacer el siguiente experimento en clase para apreciar la influencia de la rotación de la Tierra en la dirección de los vientos y ayudar en la comprensión del funcionamiento de la circulación general atmosférica:
Sujetamos una hoja de papel por su centro a la mesa. Con la ayuda de una regla dibujamos una línea desde el centro hacia el exterior de la hoja.
Después repetiremos esta experiencia, pero modificándola, mientras dos alumnos hacer girar una hoja en blanco, el otro tratará de pintar una línea recta y comprobarán que no son capaces de hacerlo ya que la línea sale desviada.
En el siguiente video de YouTube podemos ver como se desarrollaría la actividad. Para ver mejor lo que ocurre en la Tierra, utilizaríamos un globo terráqueo. En esta ocasión mientras un alumno simula la rotación de la Tierra haciendo girar el globo en sentido anti-horario, otro intentará pintar una línea recta ente cada uno de los polos y el Ecuador.
Una aplicación práctica de gran utilidad de la fuerza de Coriolis es el caudalímetro másico. Es un instrumento que mide de forma directa y continua el caudal másico de un fluido que circula por el interior de una tubería. Los caudalímetros normales miden el caudal volumétrico, que es proporcional al másico solo cuando la densidad de fluido es constante. El volumen de la mayoría de los líquidos puede variar notablemente por influencia de las condiciones físicas de presión, temperatura y densidad. Por el contrario, la masa de un fluido no se ve afectada por estas influencias, de modo que la medición del caudal másico presenta algunas ventajas que el caudal volumétrico simplemente no puede ofrecer.
El caudalímetro másico basado en el principio de Coriolis funciona aplicando una fuerza de vibración a un tubo curvado a través del que pasa el fluido. El efecto Coriolis provoca una fuerza en el tubo perpendicular a ambas direcciones: la de vibración y la dirección de la corriente. Esta fuerza se mide para obtener el caudal másico. Estos caudalímetros pueden utilizarse con fluidos no newtonianos, que en el caso de los normales dan resultados erróneos, y también se pueden usar para medir la densidad del fluido. El estudio del efecto Coriolis se podría realizar con los alumnos mediante una actividad similar a esta de National Geographic.
Para ilustrar este efecto es útil el siguiente ejemplo. Si nos encontramos en un tiovivo que gira en sentido antihorario, y lanzamos una pelota en cualquier dirección veremos cómo su trayectoria se curva hacia la derecha. En cambio, un observador externo verá que la bola describe una línea recta. Es cuestión de en qué sistema de referencia se encuentra cada uno. La información está extraída de la revista Investigación y ciencia, donde se puede leer más acerca del efecto Coriolis.
Como se comentó en entradas anteriores, el efecto Coriolis es el responsable de la desviación de la trayectoria de los fluidos en movimiento presentes en la superficie terrestre. Esto influye en gran medida en fenómenos como las borrascas o lo anticiclones dependiendo del hemisferio. Sin embargo, como biólogo gallego que soy, no puedo dejar de comentar los procesos de afloramiento o upwelling (como ya hizo algún compañero más arriba). Y es que es precisamente a este fenómeno al que le debemos la gran biodiversidad presente en las Rías Baixas. Cuando sopla viendo del Norte paralelo a la costa Gallega (principalmente en época estival: primavera y verano). El efecto Coriolis desvía la trayectoria de las masas de aire hacia el oeste. Debido a la espiral de Ekmann (explicada en comentarios anteriores), la capa superficial del océano se desplaza hacia mar abierto, alejándose de la costa. Este desplazamiento hacia fuera crea un “hueco” en la superficie, permitiendo que suban aguas profundas (como que se le quitó el “techo” que les impedía subir). Estas aguas, al ser mucho más frías, están muy cargadas de nutrientes. Cuando estos nutrientes reciben luz en las capas superficiales, se genera una floración (proliferación) masiva de organismos fotosintéticos: el fitoplancton. Este fitoplancton tiñe completamente de verde las aguas y sirve de alimento para el zooplancton, del que posteriormente se alimentarán peces, calamares, rayas, etc. Sucesivamente, de acuerdo con las redes tróficas del ecosistema. Como se puede ver, el conocimiento científico está todo ligado y, una vez más, un fenómeno físico ha influido en gran sobre la biología de un lugar. A continuación dejo un par de vídeos que explican muy bien este proceso que explica el proceso de upwelling y este otro con una interesante la animación del minuto 2:25.
Continuando con el comentario de Ana(2016) sobre el papel del efecto Coriolis en las guerras y batallas. Este hecho también tuvo lugar durante la Primera Guerra Mundial en las islas Malvinas (1914). Allí, se enfrentaron la flota alemana contra la británica a cañonazos. A pesar de que ambos bandos eran conscientes del efecto Coriolis, y de la corrección que debían aplicar, los británicos no se dieron cuenta de que estaban en el Hemisferio Sur y que la corrección era de signo contrario. Los alemanes sí se dieron cuenta y ganaron la batalla. Al parecer, tiempo después hubo en la misma zona un segundo enfrentamiento, con victoria británica esta vez, por lo que tuvieron que aprender de su derrota. También dejo un documento con una modelización para visualizar lo ocurrido en estas batallas de la Primera Guerra Mundial. Guarin, E.D.;Méndez-Hincapié, N.(2016).Modelización del efecto Coriolis sobre el movimiento de proyectiles de largo alcance. Revista de Enseñanza de la Física,28(1),73-82