Corioliseffekten

Jordens rotation har en förunderlig inverkan på föremål som rör sig över dess yta. De ges en sidoacceleration rakt åt höger på norra halvklotet, rakt åt vänster på södra halvklotet. Denna sidoacceleration är orsakad av den så kallade corioliskraften vilken är av fundamental betydelse för atmosfärens och oceanernas allmänna cirkulation.

Corioliseffekten upptäcktes på 1830-talet av den franske fysikern och matematikern Gaspard Gustave Coriolis (1792-1843), när han studerade dynamiken hos maskiner med roterande delar.

Corioliskraften är proportionell mot föremålets hastighet, är kraftigast vid polerna och noll vid ekvatorn. Dess matematiska uttryck är fV där V är hastigheten och f den så kallade coriolisparametern.
 f = 2Ωsinφ där Ω är jordrotationens vinkelhastighet relativt stjärnorna = 2π/(23 timmar + 56 minuter + 4 sekunder). φ är latituden.
På våra breddgrader är coriolisparametern omkring 1,2 × 10-4 s-1.

Corioliskraftens påverkan är inte obetydlig. En curlingsten som rör sig med hastigheten 2 m/s skulle efter 42 meter (längden på en typisk curlingbana) komma att avvika 2–3 cm åt höger (på norra halvklotet).

Tröghetscirkeln

För alla rörelseriktningar avböjer corioliskraften rörelsen i en rät vinkel åt höger på norra halvklotet, åt vänster på södra halvklotet. Det gör att den bara kan ändra rörelsens riktning, inte dess fart.

Eftersom accelerationen är vinkelrät mot rörelseriktningen, strävar den till att driva rörelsen i cirkelbanor. En rörelse från söder böjs av mot höger till en rörelse från väster, som böjs av och blir en rörelse från norr, som snart blir en rörelse från öster, som sedan under fortsatt avböjning återkommer som en rörelse från söder.

Under de här avböjningarna rör sig föremålet i en cirkelrörelse, i en så kallad tröghetscirkel. På våra breddgrader är radien (i kilometer) av en sådan cirkel ungefär hastigheten (i m/s) gånger 8. Omloppstiden är cirka 14 timmar oberoende av hastigheten.

En ishockeypuck som skjuts iväg på en (mycket stor) isbana med 2 eller 5 m/s skulle röra sig i cirkelformade banor med 16 respektive 40 kilometers radie.

Luften får svårt att röra sig

Genom att leda in varje rörligt föremål i en cirkelbana, kommer corioliskraften att försöka begränsa varje rörelse i atmosfären och i oceanerna. Detta får till konsekvens att luft får svårt att förflytta sig några avsevärda sträckor och blir "åtsittande" på jordytan som en tät yllemössa på huvudet.

Det som gör det möjligt för luften att överhuvudtaget röra sig över kontinenterna är förekomsten av starka horisontella tryckkrafter, orsakade av den olikartade uppvärmningen på olika delar av jorden, främst mellan låga och höga breddgrader.

Vädrets växlingar och atmosfärens komplicerade cirkulationsmönster är därför ett resultat av en tvekamp mellan å ena sidan de krafter som strävar till att utjämna skillnaden i uppvärmningen, å andra sidan jordens rotation som försvårar denna utjämning genom att söka driva tillbaka luften varifrån den kom. Denna tvekamp resulterar i en mängd atmosfäriska fenomen.

Corioliskraften i rymden

Att corioliseffekten manifesterar sig genom en rubbad balans mellan gravitationskraften och centrifugalkraften är inget unikt för jorden. Ett av de mest spektakulära exemplen i rymden utgörs av de så kallade stabila Lagrangepunkterna.

1772 fann den franske matematikern Joseph Louis Lagrange (1736-1813) på teoretisk väg att om ett mindre föremål placeras i en omloppsbana runt solen i en av fem bestämda positioner skulle föremålet under sin rotation runt solen förbli i en fast position relativt solen och en given planet. Dessa bestäms av en balans mellan solens och planetens dragningskrafter och föremålets utåtriktade centrifugalkraft.

Lagrange trodde inte att dessa punkter skulle ha någon praktisk funktion men i våra dagar utgör de ideala platser att placera rymdstationer. Tre av Lagrangepunkterna är dock instabila, dvs en rymdstation måste knuffas tillbaka var 2-3 vecka. Men två av dem är stabila det vill säga ett föremål skulle tvingas tillbaka om det "försökte smita".

Detta är vad som verkligen har hänt med ett stort antal asteroider som fastnat i Jupiters två stabila Lagrangepunkter. Kraften som håller dessa asteroider fast är corioliskraften, vilken i detta fall, liksom på en roterande planet, bestäms av att centrifugalkraften av en partikel i rörelse är delvis balanserad av gravitationen, i detta fall från två himlakroppar.

Corioliseffekten på en rymdstation

För att skapa en miljö där människor kan vistas i rymden lanserades i början av 1950-talet en idé med jättelika hjul vars rotation skulle ge en centrifugalkraft som skulle kunna fungera som en artificiell tyngdkraft.

En sådan rymdstation möter vi i Stanley Kubriks film "2001". Men ungefär samtidigt som filmen hade premiär i slutet av 60-talet kom rymdteknikerna på att konstruktionen inte skulle fungera - på grund av corioliskraften.

Antag att hjulet hade en radie på 1000 meter. För att ge en fiktiv tyngdkraft på 9.8 m/sek² skulle det behöva rotera med nästan ett varv i minuten. Detta skulle vara över tusen gånger snabbare än jordrotationen och skulle således ge upphov till corioliskrafter som skulle vara mer än tusen gånger kraftigare än på jorden.

Så skulle till exempel rörelser på 5 m/s förändra centrifugalkraften och därmed den artificiella tyngdkraften med 10 %. Maskiner ombord med snabbt roterande rörliga delar som tvättmaskiner och centrifuger skulle bryta samman.