Le forze apparenti e i loro effetti nella realtà Silvia Cherubini 5C scientifico liceo “G.Bagatta”

Cos’è una forza apparente Un corpo di massa m, che si trova in un sistema di riferimento inerziale I, è soggetto a varie forze. La risultante delle forze, F segue il secondo principio di Newton per il quale F = m . a. Se il corpo si trova in un sistema di riferimento non inerziale S, per esso non varranno più le leggi di Newton e un osservatore solidale a S vedrà che il corpo accelererà, pur non essendo soggetto all’azione di alcuna forza. Per spiegare tale fenomeno e far valere i principi di Newton sono state introdotte delle forze dette fittizie o apparenti.

Forza centrifuga Se ci troviamo su una giostra in rotazione ed appoggiamo una palla sulla piattaforma, osserviamo che la palla accelera senza che su di essa agisca alcuna forza non equilibrata. La traiettoria seguita dalla palla, inoltre, non è rettilinea, quindi, per un osservatore che si trova sulla piattaforma rotante (sistema di riferimento non inerziale perché soggetto ad accelerazione) non valgono le leggi di Newton. Immaginiamo di fissare l’estremità di una molla al centro di una piattaforma rotante e di collegare all’altra estremità della molla una massa. Un osservatore che si trovi sulla piattaforma vedrà la massa spostarsi verso l’esterno lungo il raggio e la molla allungarsi. Per l’osservatore solidale alla piattaforma tutto avviene come se sulla massa agisse una forza diretta verso l’esterno, questa forza, introdotta dall’osservatore per poter ragionare come se si trovasse in un sistema di riferimento inerziale è una forza fittizia: la forza centrifuga. Un osservatore eterno, invece, vede la massa muoversi lungo una traiettoria circolare. Per lui la massa è soggetta a un’accelerazione centripeta, diretta verso il centro della piattaforma, prodotta dalla forza centripeta esercitata sulla massa dalla molla.

Sistema di riferimento rotante Sistema di riferimento inerziale

Forza di Coriolis Se una persona, che si trova al centro di una piattaforma rotante, lancia una palla lungo il pavimento, in direzione radiale verso l’esterno, vede la palla seguire una traiettoria curva come se su di essa agisse una forza orizzontale. Questa forza, che viene chiamata forza di Coriolis, modifica unicamente il verso e la direzione della velocità, non il valore. Per un osservatore esterno alla piattaforma, la palla si muove lungo una traiettoria rettilinea.

Gaspard de Coriolis Il padre di Coriolis era Jean-Baptiste-Elzear Coriolis e sua madre Marie-Sophie de Maillet. Il padre divenne sottotenente nel reggimento Borbonese nel 1773, combatté nella campagna americana nel 1780 e tornò in Francia nel 1784, quando venne promosso capitano. Nel 1790 divenne un ufficiale di Luigi XVI, ma si trovò ben presto in difficoltà quando la monarchia entrò in crisi. Gaspard nacque nel 1792 pochi mesi prima che la monarchia fosse abolita, suo padre fuggì a Nancy dove diventò un industriale. Nel 1808 Coriolis diede l’esame di ammissione per entrare all’ Ecole Polytechnique, arrivò secondo su tutti gli studenti che entrarono quell’anno, studiò all’Ecole des Ponts et Chaussées a Parigi e con il corpo degli ingenieri lavorò nei distretti di Meurthe-et-Moselle e Vosges. Dopo la morte di suo padre, Coriolis dovette preoccuparsi della famiglia e decise di accettare nel 1816 l’insegnamento di Analisi all’ Ecole Polytechnique, per questo incarico fu raccomandato da Cauchy. Nel 1829 divenne professore di meccanica all’ Ecole Centrale des Artes et Manufactures, ma a seguito della rivoluzione, nel 1830 lasciò Parigi. Insegnò in varie scuole fino al 1838, quando decise di interrompere l’insegnamento. Morì nel 1843.

Esperienza alla “Villette”

Legge di Ferrel “Un corpo non vincolato in movimento nel nostro emisfero viene deviato verso destra rispetto alla direzione del suo movimento; nell’emisfero australe viene deviato verso sinistra.”

William Ferrel William Ferrel nacque a Bedford, Pennsylvania, nel 1817. Visse a Cambridge nel Massachusetts dove ricevette l’incarico di studiare la Teoria generale delle maree dagli Unites States Coast e Geodetic Survey nel 1867. Ferrel studiò gli effetti che avevano gli eventi meteorologici sulle maree e stabilì che, a causa della rotazione della Terra e della forza di Coriolis, la vorticosità delle correnti marine era diversa nei due emisferi.

Effetti della legge di Ferrel

I venti nell’atmosfera La Terra, per la sua rotazione, costituisce un sistema di riferimento non inerziale: sulle masse d’aria in movimento agisce l’effetto della forza di Coriolis. La forza di Coriolis fa sì che nel nostro emisfero le masse d’aria in movimento vengano deviate verso destra, rispetto alla direzione iniziale, e verso sinistra nell’emisfero australe. Nell’emisfero boreale i venti escono dalle aree anticicloniche ruotando in senso orario e convergono verso il centro delle aree cicloniche in senso antiorario. Nell’emisfero australe avviene il contrario: i venti escono dalle aree anticicloniche ruotando in senso antiorario e convergono verso il centro delle aree cicloniche in senso orario. Questi movimenti sono stabiliti dalla legge di Ferrel che non riguarda solo i venti, ma determina anche la direzione delle correnti marine.

Le correnti oceaniche L’azione della forza di Coriolis fa deviare la direzione del movimento dell’acqua verso destra nel nostro emisfero e verso sinistra in quello australe. Le acque oceaniche, spinte dal vento, non si muovono nella stessa direzione del vento, perché la la forza di Coriolis fa deviare la direzione del del movimento man mano che viene trasferito agli strati più profondi dell’acqua. Questi progressivi spostamenti della direzione del flusso dell’acqua porterebbero a un movimento nella direzione opposta a quella del vento; la corrente che si viene a produrre in questo modo, segue una direzione che è circa perpendicolare a quella del vento. Il sistema di circolazione delle correnti oceaniche, per effetto della legge di Ferrel, è strutturato in modo che sul lato occidentale degli oceani vi sono correnti calde (costituite da correnti d’acqua tropicale in moto verso i poli), mentre sul lato orientale si muovono verso l’equatore le correnti fredde.

Correnti calde Correnti fredde

Bibliografia Corso di geografia generale (M.Filippini-L.Bignami)-Minerva Italica Fisica principi e problemi (T.W.Zitzewitz-R.S.Ness)-McGraw/Hill Fisica generale (S.Rosati)-Ambrosiana Milano Siti internet: www.manualedivololibero.com www.satftp.soest.hawaii.edu www.accuweather.com Immagini Diapositiva 1: “Composizione VIII” Wassili Kandinsky Diapositiva 2: “Le grand style” René Magritte (rielaborato) Diapositiva 4:”Paradise 3” Yoichiro Kawaguchi Diapositiva 6: “Phisics today” Yoichiro Kawaguchi Diapositiva 12: “ La Grande Famille” René Magritte