domingo, 11 de noviembre de 2007

¿Qué es el efecto Coriolis?

Este efecto llamado Coriolis es una fuerza aparente que aparece por la rotación de la tierra, siendo que la velocidad tangencial (velocidad real del objeto que efectúa el movimiento circular) para una persona ubicada en el ecuador es mayor que si estuviera ubicada en los polos.

Una forma fácil de entender este efecto es imaginar que nos encontramos en el ecuador y lanzamos un cañón, primero hacia el sur, si dijésemos que la tierra no tuviera rotación podríamos lanzar este cañón sin problemas, porque caería exactamente donde nosotros lo estamos dirigiendo, pero, como sabes la tierra se mantiene rotando, por ende cuando lanzamos el cañón este ira al sur pero tendrá una desviación hacia el este, ya que la tierra gira oeste a este, por el contrario si ahora lanzamos una cañón hacia el norte, este tendrá la misma inclinación hacia el este. Por lo tanto el efecto coriolis causa un desvío hacia la izquierda en el sur y un desvío hacia la derecha el norte. Entonces pondríamos decir que esta fuerza "aparente" actúa en direcciones diferentes en distintos hemisferios

Hay otros fenómenos atmosféricos en donde se observa este efecto coriolis por ejemplo los huracanes y ciclones, o incluso los vientos, las corrientes marinas y los remolinos oceánicos.

En los vientos podemos decir que como se mantiene girando, la adición del Efecto Coriolis hace que las moléculas del aire no se desplacen en línea recta desde la zona de alta presión hacia la de baja presión, sino que siguen trayectorias curvas que son susceptibles de convertirse en remolinos. Ciertamente que en el hemisferio Norte los huracanes, tifones, remolinos y tornados rotan en el sentido contrario a las agujas del reloj, mientras que en el Sur giran en el sentido de las agujas del reloj. Cuando el viento se curva en la dirección contra reloj en el hemisferio Norte y en dirección a las agujas del reloj en el hemisferio Sur; se conoce como, flujo ciclónico. y viceversa se conoce como flujo anticiclónico. Sabiendo que el aire caliente asciende y el aire frío ocupa su lugar, este movimiento crea los vientos alrededor del globo terráqueo. El viento se genera a causa de diferentes presiones en la
atmósfera haciendo que las masas de aire se mueven de centros de altas presiones a centros de bajas presiones un ejemplo del flujo ciclónico es la circulación alrededor de un área de baja presión y una muestra del flujo anticiclónico es la circulación de la corriente alrededor de un área de alta presión. (Un huracán es un ciclón)

jueves, 8 de noviembre de 2007

Ciclones y anticiclones


Sabemos que el clima es un ciclo de tipos de tiempo que tienden a reiterarse con regularidad y que estos tipos de tiempo son inducidos por los centros de acción.
Estos centros de acción a cada una de las regiones en las que se generan las masas de aire que definen el tiempo atmosférico que pueden ser masas de aire cálidas o frías, secas o húmedas. Existen, en el conjunto del planeta, una serie de altas y bajas presiones donde se concentran la mayor parte de los centros de acción permanentes y otros tienen un carácter temporal.
Estas regiones son: las bajas presiones ecuatoriales o zona de convergencia intertropical, las altas presiones subtropicales que por su estabilidad tienen nombre: como los anticiclones de Hawai, Índico, del Pacífico Sur o del Atlántico Sur; las bajas presiones polares que definen el Frente Polar; y las altas presiones polares, que también tienen nombre, como los anticiclones ártico, antártico, canadiense o siberiano.
Los centros de acción no son estáticos sino que se desplazan de norte a sur en verano y en invierno, con el desplazamiento aparente del sol, en el llamado balanceo estacional. Además, existen, otros centros de acción secundarios que afectan a lugares concretos y en determinadas estaciones, y que provocan tipos de tiempo específicos que son los ciclones.

Debidos a estos centros de acción de generan dos efectos:
1.-Ciclones que son masas de aire que ascienden, esta masa de aire puede ascender porque está más caliente que el entorno, o porque se ve empujada hacia arriba.
Aquí nos damos cuenta que se generan dos tipos de ciclones uno térmico y otro dinámico:
a. Ciclón térmico; que es la masa de aire que asciende porque está más caliente que el entorno. Es típica de las regiones tropicales y comporta un tiempo nuboso, lluvioso y cálido. Cuando la diferencia con el entorno es muy grande, como suele suceder en los mares tropicales tras el calentamiento del verano, se producen huracanes, y tormentas tropicales, con vientos muy fuertes. Estas también son conocidas como las tormentas de verano, si bien estas tienen un carácter muy local.


b. Ciclón dinámico; que es la masa de aire cálida que asciende porque se ve empujada hacia arriba por el aire polar en movimiento. El cual genera el “Frente Polar” y conlleva un tipo de tiempo nuboso, lluvioso y frío. Puede llegar a ser muy potente y tener asociados vientos que van desde flojos a fuertes, pero raramente llegan a ser huracanados.

2.-Anticiclones son masas de aire que descienden, esta masa de aire puede descender porque está más fría que el entorno o porque se ve empujada hacia abajo.
Al igual que los ciclones se generan dos tipos de anticiclones los cuales son los siguientes:
a. Anticiclón térmico; que es la masa de aire que desciende porque está más fría que el entorno. Es típica de las regiones polares y al interior de los grandes continentes como Siberia y Canadá. Conlleva un tiempo seco, soleado y muy frío. En el interior de las masas continentales lo suficientemente grandes aparecen, general mente en invierno, anticiclones térmicos locales, con un tiempo seco, soleado y frío, con nieblas que pueden ser bien matutinas, vespertinas o persistentes. En general, a medida que desciende el aire se va calentando, pero cuando el suelo está muy frío se puede formar una inversión térmica, en la que las capas superiores de la atmósfera están más calientes que las inferiores.

En Latinoamérica la inversión nocturna es provechosa. Los patios interiores de las casas acumulan el aire frío que desciende durante la noche y éste penetra a través de las rendijas de las puertas en las habitaciones manteniéndolas frescas también durante el día.
b. Anticiclón dinámico; que es la masa de aire que desciende porque se ve empujada hacia abajo por el choque en altura del aire frío del Frente Polar y el aire tropical. A medida que desciende se va calentando y secando, por lo que conllevan un tiempo seco, soleado y caluroso, con vientos flojos y calmas. Son características de los grandes desiertos de arena, y las que se ven afectan en verano son las latitudes medias.

Coriolis y su aplicación en Física


Aceleración de Coriolis
Una de las tantas ramas que tiene la Física, es el análisis del movimiento de las partículas, mas conocido como “Cinemática de los Cuerpos Rígidos”.
El análisis parte suponiendo un sistema de referencia Inercial (sabemos que la tierra, al tener rotación y traslación, claramente no lo es), pero para simplificar, asumiremos que por ahora no se mueve. Para estas situaciones, la cinemática de una partícula se puede modelar vectorialmente, y se obtienen los siguientes valores para la velocidad y aceleración.
Donde A y B son dos puntos cualquiera del cuerpo rígido (cuando se desarrollan problemas, generalmente se eligen 2 puntos conocidos, para poder tener el vector se su posición), y donde O es el origen de nuestro sistema de referencia (recordar que estamos en un sistema Inercial, es decir, esta “quieto”).

Esta ecuación se puede explicar verbalmente como sigue:
“La velocidad de B con respecto al origen = velocidad de A con respecto al origen + (Aceleración angular del cuerpo rígido producto cruz por el vector posición de B con respecto a A)”.
El vector posición de B con respecto a A, es simplemente colocar las coordenadas de A (x , y , z) como si B fuera el origen. Abajo una imagen para entender mejor el tema de las posiciones relativas.

Para obtener las velocidades líneas y angulares, se realizan derivadas de vectores y ángulos entre posiciones, pero no vale la pena caer en esas explicaciones para este caso.
El término para la aceleración es un poco mas largo, y al explicar la velocidad, se puede usar la misma lógica para entender los términos de esta aceleración.
Estas ecuaciones modelan la cinemática de un cuerpo rígido en un sistema inercial. Ahora, ¿Qué pasa cuando ese sistema de referencia no es inercial, sino que tiene movimientos de rotación y traslación, como ocurre en el caso de la tierra? Ahora el modelamiento es mucho mas complejo, ya que entra en juego una nueva aceleración, La Aceleración de Coriolis.
La Aceleración de Coriolis nace por hecho de que al moverse una partícula, su trayectoria sufrirá cambios debido al movimiento de la tierra, o debido al movimiento del sistema de referencia en el cual estemos situados.

En la figura se puede notar este caso, si no existiera el moviendo de nuestro sistema de referencia, al lanzar la partícula desde O, esta llegaría al punto A sin desviarse. Al giro hace que la trayectoria cambie, y en realidad el punto que se va a alcanzar no es A, sino que B

Físicamente, la aceleración del cuerpo ahora que sistema de referencia ya no es inicial, sino que tiene un movimiento relativo al cuerpo regido, se puede expresar de la siguiente forma (más abajo):






imagen: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Coriolis.JPG.


No entraremos a explicar en detalle la formula, a grosso modo, los superíndices indican el sistema de referencia, 0 es con respecto a la tierra (u otro sistema de referencia en movimiento), 1 para el sistema de referencia situado para el cuerpo rígido (el origen de este no es al azar, ya que todo cuerpo rígido que rota, posee dentro o fuera de él algún punto con velocidad nula respecto al cual “rueda sin deslizar” el Centro Instantáneo de Rotación CIR).

Ver que esta formula, con respecto a la anterior es casi igual, pero tenemos 2 términos nuevos:
indica la aceleración relativa del cuerpo con respecto a la tierra.


es la Aceleración de Coriolis.
Se define como la aceleración angular del sistema de referencia situado para el cuerpo rígido con respecto a la tierra, producto cruz con la velocidad del cuerpo rígido del cuerpo con respecto a su sistema de referencia.

Es increíble como el giro de la tierra tiene efectos tanto en los aspectos climáticos, como en el área de la física y de las matemáticas, y tiene que ser tomado en cuenta al momento de modelar trayectorias. Un caso típico donde el efecto de Coriolis entra en juego, es al momento de lanzar un Misil de largo alcance. Dentro de los cálculos para alcanzar el objetivo, el giro de la tierra tiene una gran importancia, y si no es considerado es imposible lograr el cometido. Así a través de la aceleración de Coriolis, podemos modelar con bastante confianza, situaciones de la vida real

Link con mas informacion. Ejemplos y calculos mas ismples asociados al tema, http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cinematica/coriolis/coriolis.htm

miércoles, 7 de noviembre de 2007

Mareas Rojas Asociadas al Efecto de Coriolis

En ciertos períodos del año, observamos que se habla de peligro sobre el consumo de productos provenientes del mar (mariscos por ejemplo), debido a la ocurrencia del fenómeno que se conoce como “marea roja”. Este fenómeno bastante peculiar y poco deseado, tiene relación con el efecto de Coriolis en la forma que veremos a continuación:

Antes que todo… ¿qué son realmente las mareas rojas?

Las mareas rojas, se originan dado que, en ciertas ocasiones, se produce en regiones cercanas a las costas una concentración muy grande de nutrientes venidos desde el fondo marino, por lo cual existe un crecimiento excesivo de algas, algunas de las cuales tiñen el océano de un color rojizo, también existen de otros colores pero menos llamativos tales como verde o amarillo.

El efecto nocivo de las mareas rojas es que, por una parte, al proliferar en masa las algas, estas consumen todo el oxigeno disponible, por lo tanto otros organismos como el zooplancton (pequeños organismos animales que sirven de alimento a peces y otros seres vivos) mueren, lo que es muy perjudicial para la pesca en esos sectores. Por otro lado, las algas al crecer y para protegerse, producen toxinas, las cuales infectan a los organismos que las comen y a través de la cadena alimenticia pueden llegar a nosotros los humanos.

>> Ya conoces el fenomeno provocado! Ahora toca saber su relacion con el Efecto Coriolis!


Espiral de Ekman:

El espiral de Ekman, recibe su nombre en honor al oceanógrafo sueco Vagn Walfrid Ekman quien desarrolló un modelo que explicaba por qué los icebergs en el océano, no se movían en la dirección del viento.

El espiral de Ekman, podemos explicarlo como un efecto en cadena, y consiste en lo siguiente:

El viento, al soplar sobre la superficie del agua, provoca el movimiento de ella, pero ya sabemos que debido a la fuerza aparente de Coriolis, sobre el agua también actúa una fuerza con una dirección de 90º respecto de la fuerza generada por el viento, y con dirección anti-horario si nos encontramos en el hemisferio sur de la tierra, y dirección horario si estamos en el hemisferio norte. Como ambas fuerzas se representan mediante vectores, al realizar la suma vectorial de ambas, se obtiene una fuerza resultante que actúa sobre la superficie del agua, que posee una dirección de aproximadamente 45º según el sentido antes mencionado, con respecto de la fuerza original del viento. Luego debido a la viscosidad del agua, al desplazarse la capa superficial de agua, se produce el movimiento de capas inferiores de fluido (mediante roce entre capas de fluido), ocurriendo el mismo efecto antes señalado, generándose así un espiral conocido como el espiral de Ekman, que se muestra en la siguiente figura:

Ahora la relación que tiene este fenómeno con las mareas rojas, es que, por ejemplo en las costas, al soplar el viento paralelo a ella y en dirección tal que la fuerza de Coriolis apunte mar adentro, se producirá este espiral, y la resultante total del movimiento de aguas (suma vectorial de todos los desplazamientos), será hacia mar adentro como se muestra en la figura de la derecha.

Por lo tanto tenemos que el viento paralelo a la costa provoca un desplazamiento de agua oceánica superficial hacia mar adentro, agua que deja un espacio que debe ser rellenado (por tratarse de un fluido recordemos que los fluidos tienden a ocupar el espacio del recipiente que los contiene, se puede pensar en qué ocurriría si moviéramos el agua superficial en un estanque utilizando una placa muy ancha y delgada), y que será rellenado por agua proveniente de las profundidades del océano, la cual es muy rica en nutrientes como se puede apreciar en la figura.
Esto sumado al posible derrame de fertilizantes sobre el océano provoca que las aguas durante este efecto sean muy ricas en nutrientes, lo que provoca la proliferación de las algas y las mareas rojas como se mencionó anteriormente.