Portal de Ciencias de la Tierra
Se define como ciencias de la tierra todas las disciplinas que estudian la estructura interna, morfología de la superficie y todo el ambiente que rodea al planeta Tierra , y su evolución en el tiempo. El estudio de nuestro planeta es un caso especial de la ciencia planetaria , que por lo general se ocupa del estudio de los planetas en nuestro sistema solar .
meteorología
La meteorología ( griego : Μετεορολογία ) es una rama de la ciencia atmosférica que estudia los fenómenos físicos responsables de las condiciones meteorológicas. Se basa en la observación, medición y predicción de fenómenos meteorológicos - tales como el viento , los frentes , las nubes - y las variables medibles ligados a ellos, tales como la temperatura del aire, la " humedad del aire , la presión atmosférica la radiación solar y la velocidad y dirección del viento.
mineralogía
Mineralogía es la ciencia que estudia la composición química, estructura cristalina y las características físicas (dureza, magnetismo, propiedades ópticas y así sucesivamente.) De los minerales y su génesis y transformación.
Hoy en día la nomenclatura de los minerales está codificado por la Asociación Internacional de Mineralogía (IMA) hecha por las diversas organizaciones que representan a los mineralogistas en los distintos países.
Hasta enero de 2002, las especies minerales fueron reconocidos por el IMA 3910. De estos, aproximadamente 150 son consideradas comunes, otros 50 son infrecuentes, y el resto se clasifican como raras o muy raras.
vulcanología
La vulcanología es la rama de la geología que se ocupa del estudio de los fenómenos volcánicos .
Los estudios vulcanológicos, en conjunción con los sismológica , le permiten:
analizar el comportamiento de los volcanes, hacer predicciones, y así dar la oportunidad de defender las zonas residenciales vecinas en caso de erupción o terremoto ;
obtener información sobre la estructura de las capas del subsuelo de la tierra y el origen y evolución de la corteza terrestre .
La hidrología es la ciencia que estudia la distribución, el movimiento, la biología y la química de las masas de agua del planeta. Consiste en muchos campos de estudio científico como la hidrografía, hidrogeología, la hidrogeoquímica e Hidrobiología.
Aunque el conocimiento del ciclo hidrológico es importante para la vida y las actividades humanas, la hidrología es una ciencia relativamente joven. Hasta la fecha no existe una teoría completa, así como existe, por ejemplo, una teoría para el electromagnetismo.
Una característica importante de muchas corrientes del ciclo hidrológico es su variabilidad espacial y temporal, lo que les hace aún más difícil de modelar matemáticamente. En este contexto, dos técnicas relacionados con los conceptos de probabilidad tienen gran aplicación: la rama de la estadística llamados geoestadística y la teoría de variables aleatorias.
Efecto Coriolis
En la física , la fuerza de Coriolis es una fuerza aparente , a la que un cuerpo se somete al observar su movimiento a partir de un sistema de referencia que está en un movimiento circular con respecto a un sistema de referencia inercial .
Descrito por primera vez en detalle por el físico francés Gaspard Gustave de Coriolis en 1835 , la fuerza de Coriolis depende, así como la dirección, la velocidad del cuerpo con respecto al bastidor giratorio. Es la base de la formación de los sistemas ciclónicos o anticiclónicas en ' atmósfera y no tiene efectos insignificantes en todos los casos en los que un cuerpo en la Tierra se está moviendo a gran velocidad a través de largas distancias, como por ejemplo en el caso de proyectiles o de misiles de largo alcance.
Con menor frecuencia la aparición de esta fuerza aparente también se indica con la expresión efecto de Coriolis .
En términos matemáticos, la fuerza de Coriolis es de la forma, que se desprende de la definición de la aceleración del mismo nombre en el teorema de Coriolis y el principio de proporcionalidad en Newton :
Las letras en negrita son cantidades vectoriales . F C es la fuerza de Coriolis, m es la masa del cuerpo que se mueve convelocidad v con respecto al sistema de referencia inercial no giratorio,
representa el producto vectorial , y ω es lavelocidad angular del sistema no hace inercial, medido con respecto a un sistema inercial. Explicando el ángulo dependencia
formado por el eje de rotación del sistema de referencia con la dirección de la velocidad del cuerpo, l 'intensidad de la fuerza se aplica:
La animación es una representación esquemática del efecto de Coriolis, en el que un objeto se mueve con respecto a un disco giratorio sin que la fricción entre las dos partes. En ausencia de fuerzas externas, el cuerpo se moverá en movimiento uniforme, si se ve desde un sistema de referencia inercial, independiente del disco; si se observa desde un sistema de referencia fijo con el disco en rotación, sin embargo, parece que recorrer una trayectoria curva. En este segundo caso, el observador será la conclusión de que una fuerza actúa sobre el objeto. El efecto es el mismo que se produciría con la aplicación de una fuerza transversal a la dirección de movimiento, por esta razón, se habla de la fuerza de Coriolis. Se trata de una " fuerza aparente ", ya que depende exclusivamente de movimiento del observador con respecto al sistema de referencia inercial, y no por la acción de algún otro objeto o de un campo de fuerzas.
También es posible interpretar el fenómeno como un "retraso" del movimiento del objeto con respecto a la del disco: para un observador en un sistema de referencia inercial, la velocidad tangencial del disco aumenta en proporción a la distancia desde el centro, mientras que la velocidad de 'objeto permanece constante. En la Tierra, la situación es similar a un cuerpo que se mueve en la dirección longitudinal (norte-sur): La distancia del ' eje de la Tierra (el análogo del' eje de rotación del disco en el ejemplo anterior) es cero en los polos y en el máximo ' ecuador . Dado que la Tierra gira de oeste a este, aunque el Polo Norte o el Polo Sur nos dirigimos primero hacia el ecuador, vamos a llegar a ser "tarde" en la rotación y por lo tanto nuestro movimiento a adquirir una parte hacia el oeste. Si, por el contrario, vamos desde el ecuador a uno de los dos polos, estaremos "por adelantado" y adquiriremos un componente de movimiento hacia el este. Tenga en cuenta que, más allá de esta representación intuitiva y parcial por el fenómeno, la fuerza de Coriolis se manifiesta incluso si inicialmente el movimiento longitudinal no es (y, en el caso del disco, aunque no es radial).
Para representar adecuadamente el efecto de Coriolis se puede utilizar un espejo de mercurio de rotación que las efectivamente utilizada en la astronomía . La superficie de un baño de mercurio de rotación adopta la forma de un espejo parabólico perfecto. Cada uno de mercurio partícula se encuentra en un estado de equilibrio dinámico en el que la fuerza centrífuga es proporcional a la distancia desde el centro. Todo el mercurio gira con el mismo periodo, como una sola masa.Un objeto que flota en el mercurio en cualquier lugar sería colocar también en equilibrio dinámico, impulsado en rotación por el metal. Esto es óptimo para el efecto Coriolis ocurrencia.
En primer lugar examinar la situación en la que un objeto, por ejemplo un pequeño aerodeslizador , se suspende en la superficie del mercurio-libre de fricción , aun suponiendo que la fricción del aire insignificante. El objeto, que no interactúa con la superficie no es arrastrado, por lo que se considera sólo el perfil del mercurio, no su rotación. Desde el punto de vista de un sistema inercial , cuando el aerodeslizador se dejó ir desde una posición al lado del borde de la bañera, que comenzará a oscilar de lado a lado de la superficie (que recordar tiene forma cóncava).
El movimiento del aerodeslizador está formado por dos movimientos oscilatorios independientes a lo largo de ejes ortogonales, como por ejemplo el norte / sur y este / oeste, el mismo período de rotación del mercurio. Dependiendo de lascondiciones iniciales (posición y velocidad con la que el aerodeslizador se deja libre), el movimiento resultante seguirá una trayectoria en forma de un segmento , de un " elipse o, en el caso de una simetría perfecta, de un círculo . Considere la trayectoria elíptica como una combinación de dos movimientos armónicos ayuda a comprender la física subyacente a este fenómeno y para visualizar la velocidad no constante del objeto a seguir una trayectoria elíptica.
La superficie del mercurio es de potencial, por lo tanto, para cada volumen de mercurio en la superficie que debe tenerse en cuenta que el potencial generalizado por unidad de masa (suma del potencial de la fuerza centrífuga T c y la fuerza gravitacional T g ) es constante:
Demostración de la formación de una superficie parabólica de un fluido en rotación
En el sistema de referencia inercial (parte superior de la figura), el objeto negro se mueve con trayectoria rectilínea. Por el contrario, el observador (punto rojo) que se encuentra en el sistema de referencia giratorio (parte inferior de la figura) considera que el objeto se mueva con trayectoria curvilínea.
Poner a 0 constante c , lo que equivale a poner 0 la altitud a la que la " energía potencial gravitatoria es cero, y la explicación de la cuota z , se obtiene el perfil de la superficie:
Observamos que se trata de una superficie radial, correspondiente a un paraboloide de rotación con vértice en el origen y dirigida hacia arriba. Para un cuerpo suspendido en la superficie, la energía potencial gravitatoria viene dada por:
Dado que la fuerza de la gravedad es la única aerodeslizador para actuar, se da por el gradiente de la energía potencial cambiado de signo:
Al resolver las dos ecuaciones diferenciales de segundo orden se obtienen dos movimientos armónicos desconectados a lo largo de los ejes:
donde A y B son las amplitudes de los movimientos y φ y ψ son las fases, que serán determinadas por las condiciones iniciales.
Considérese la situación en la que el aerodeslizador mueve a lo largo de la trayectoria elíptica con un período idéntico al de la rotación de mercurio. En este caso la única fuerza que afecta el movimiento es la fuerza centrípeta producida por el efecto de inclinación de la superficie.
Situación tal como aparece desde un punto de vista externo fijo.
ver la situación desde una cámara sólida en el disco giratorio.
El análisis de las diferentes posiciones, véase el texto.
Cuando el aerodeslizador se encuentra en una de las posiciones B " ', su velocidad es más baja que aquella para la que sería, para que la distancia desde el centro de rotación, el equilibrio entre la fuerza centrípeta y centrífuga. Por lo tanto, tiene una prevalencia de fuerza centrípeta que acelera el aerodeslizador hacia el centro del disco. en la posición Baerodeslizador está ganando velocidad y la fuerza centrípeta está haciendo el trabajo que consiste en el aumento de la energía cinética de rotación del aerodeslizador. en la posición C el aerodeslizador mueve más rápido que la velocidad de equilibrio para que la distancia desde el centro, para el que hay una falta de la fuerza centrípeta y el aerodeslizador, ya no restringido, tiende a moverse lejos del centro. en las posiciones D aerodeslizador se remonta inclinación perder velocidad y la energía cinética, que se convierte en energía potencial.
Desde el punto de vista de una integral de la cámara con el disco giratorio, el único movimiento perceptible es que, debido a la diferencia entre la órbita circular y la órbita elíptica. El aerodeslizador parece que se mueve en una trayectoria circular pequeña cerca del punto en el que fue puesto en libertad. Para cada revolución del sistema aerodeslizador girándolo realiza dos rotaciones. Desde el punto de vista matemático esta trayectoria circular se puede obtener restando una trayectoria circular de una elíptica concéntrica. La excentricidad dinámica de una trayectoria elíptica se llama dinámica Coriolis.
La fuerza que lleva a cabo el trabajo está dirigida paralelamente al eje de rotación del espejo rotatorio. En el ejemplo descrito es la fuerza gravitacional de la Tierra. La expresión fuerza de Coriolis en este caso es una simplificación de términos que resume una dinámica compleja.
Haciendo una analogía entre la dinámica de Coriolis en un espejo parabólico y en la tierra, es decir, si fuera posible suspender un objeto en la superficie de la Tierra sin ningún tipo de fricción, ¿qué pasaría? Se ha calculado como un ejemplo de que la latitud de 43 ° que tendría un movimiento circular en una órbita de 100 km en casi 14 horas, a una velocidad de 10 m / s. [4]
Consideremos ahora el caso en el que hay fricción. Los dos sistemas involucrados son el sistema de referencia inercial y el sistema de rotación. La dirección en la que se manifiesta la fuerza de inercia se determina de la dirección de aceleración con respecto al sistema de referencia inercial, que es un punto de referencia no giratorio. En el caso específico del sistema rotativo es el mercurio con el objeto en contacto con su superficie. Normalmente, el vector de la fuerza de la inercia y la fricción del punto de arrastre de producto en la misma dirección, pero no cuando está implicado un sistema de rotación.
Cuando la dinámica del sistema se añade a una fricción entre el mercurio y el aerodeslizador, la órbita elíptica se reduce progresivamente a una forma circular.
Para el observador solidario con el sistema de rotación, la órbita circular antes de que se convierte en un movimiento en espiral hacia el centro. Tiene la interacción entre los dos sistemas: el arrastre cambiar un equilibrio dinámico, la órbita elíptica, en otra equilibrio dinámico, la órbita circular.
Supongamos ahora que un dispositivo de co-rotación de buscar a una cantidad de mercurio, la creación de un local de descenso del nivel. El mercurio comenzará a fluir de forma natural en todas las direcciones para llenar el vacío.
Definimos ahora el centro norte del disco, la frontera sur, el oeste y el este hacia la derecha hacia la izquierda.
El mercurio que fluye inicialmente en la dirección radial en la dirección norte disminuye su velocidad tangencial (velocidad tangencial = ω * R donde ω es la velocidad angular y R es el radio o la distancia desde el eje de rotación) y luego se desvía hacia la derecha. Por el contrario, el líquido que fluye hacia el sur aumenta su velocidad tangencial y desvía hacia su derecha. Este caso corresponde al modelo de rotación anteriormente descrito de la silla en la que las masas se mueven hacia o desde el efecto de una fuerza radial.
El fluido que se mueve hacia el este, en el sentido de rotación del disco, se está moviendo a una velocidad mayor que la velocidad de equilibrio, por lo que tiende a elevarse hacia el sur para ampliar su trayectoria y el resultado es una desviación a la derecha. El fluido que se mueve hacia el oeste tiene una velocidad inferior a la de equilibrio y por lo tanto tiende a acercarse al norte y todavía tiene un desvío a la derecha. Este caso es equivalente al ejemplo del asiento rotatorio en el que se aplica un momento desde el exterior, en este caso constituido por el gradiente de nivel de fluido.
Esta serie de acontecimientos conduce a lo que en la meteorología es la ley de Buys-Ballot . El resultado es que el mercurio alrededor de la depresión tiende a asumir un movimiento espiral. Si la pelvis gira hacia la izquierda, entonces el vórticegira hacia la izquierda. (En el ejemplo anterior de movimiento sin restricciones, la rotación en sentido antihorario se reflejó en una rotación en sentido horario aparente del objeto en el marco giratorio).
La fuerza causada por el vacío en el mercurio provoca la desviación hacia la izquierda, mientras que sin este efecto sería la de la derecha.
Si se contrae el vórtice, como impuesta por las fuerzas centrípetas se describe, a continuación, los aumentos de velocidad angular. La fricción tiende a frenar el vórtice, pero la presencia de las fuerzas que causan la contracción tiene el efecto de mantener alta la velocidad de rotación.
Para obtener un movimiento circular estable con respecto a la referencia de inercia, la intensidad de la fuerza centrípeta será: F = mωv (donde ω es la velocidad angular ).
En el caso del vórtice en el mercurio giratorio, la intensidad de la fuerza de inercia se determina por la velocidad real con respecto al sistema inercial. Cuando esto se expresa con relación al sistema de rotación, la fuerza viene dada por: F = 2mωv . (Donde ω es la velocidad angular y v es la velocidad de la masa con respecto al sistema de rotación).
El efecto de Coriolis tiene un papel muy importante en la dinámica atmosférica ymeteorología , ya que afecta al viento , la formación y la rotación de las tormentas , así como en la dirección de las corrientes oceánicas ( Ekman espiral ).
Las masas de aire se calientan a ' ecuador , que disminuyen en densidad y suben, la atracción de más aire frío que fluye sobre la superficie de la tierra hacia el ecuador. Dado que no hay suficiente fricción entre la superficie y el aire, esto no adquiere la velocidad necesaria para mantener en co-rotación con la tierra.
En la atmósfera superior de la fricción tiene poca influencia sobre los vientos y las partículas de aire están sujetos exclusivamente a la fuerza debido algradiente de presión y efecto de Coriolis.
Como se describe en la sección relativa a la dinámica de vórtices, estas dos fuerzas tienden a cancelarse, y por esta razón las corrientes de aire a gran altura tienden a deslizarse en paralelo a las isobaras . Los vientos generados por esta dinámica se llaman geostrófico .
Los vientos que normalmente se derivarían verticalmente desde los polos hacia el ecuador son luego desviados por la fuerza de Coriolis y dan lugar a los vientos predominantes conocidos como los vientos comerciales . Hemisferio norte estos vientos soplan desde el noreste al suroeste y en el hemisferio sur viniendo del sureste al noroeste. Las corrientes de aire que se elevan en el ecuador no llegan hasta los polos , debido a la fuerza de Coriolis obliga a las corrientes de aire que se mueven en un círculo alrededor de las regiones polares.
Nell ' hemisferio norte un sistema de baja presión gira hacia la izquierda, mientras que un sistema de alta presión gira hacia la derecha, según lo establecido por la ley de Buys-Ballot ; Lo contrario ocurre en ' hemisferio sur .
Para recordar el sentido de rotación del fenómeno que pueda recordar este esquema simple (válido en el hemisferio norte)
Lucha contra el ciclón (presión arterial alta) - Sentido Tiempo
Ciclón (baja presión) - Sentido de lucha contra las agujas del reloj
El sistema funciona mediante la aplicación de vibraciones en el tubo y luego la detección y el análisis de los efectos de la inercia de la interacción entre la vibración y el flujo de la masa de fluido.Una aplicación de efecto tecnológico Coriolis se produce en el medidor de flujo , un dispositivo que mide la cantidad deflujo de fluido que fluye en un tubo . El principio de funcionamiento se aplicó en 1977 por Micro Motion, Inc.
El principal impacto práctico de la fuerza de Coriolis es debido a la componente de la fuerza paralela al suelo, pero hay otro efecto debido a la fuerza de Coriolis, es decir, el " efecto de Eötvös , debido a otro componente de la fuerza, la vertical. Independientemente hemisferio donde están, los objetos en movimiento de oeste a este se someten a una fuerza dirigida hacia arriba (que debilita ligeramente el efecto de la fuerza de la gravedad : los objetos son más ligeros ), mientras que los objetos que se mueven en dirección opuesta se someten a una fuerza dirigida hacia abajo (son más pesados ). El efecto es máximo en el ecuador y cero en los polos, pero el efecto es todavía demasiado pequeña en comparación con las otras fuerzas involucradas (por gravedad, restricciones, etc.) Reacciones a ser de gran importancia en los fenómenos dinámicos.
Una consecuencia importante de la Coriolis se expresa por el teorema de Taylor-Proudman : en un sistema hidrodinámico en rotación en el que la fuerza de Coriolis es un término dominante (es decir, en el que los flujos tienen lugar en escalas comparables con el movimiento de rotación, que corresponde a una bajo valor del número Rossby , Ro ) y en el que la fricción debido a la viscosidad son insignificantes (que corresponde a un alto número de Reynolds , Re ), todas las soluciones estables de las ecuaciones de Navier-Stokes tienen la característica de que la velocidad del fluido es constante a lo largo de cada línea paralela al eje de rotación.
A menudo, en los océanos se presentan situaciones que cumplen con las condiciones del teorema (en los océanos Re es universalmente pequeña, y los valores comunes, tales como 0,1 m / s para la velocidad típica del flujo de 4 km por la profundidad y, por tanto, en el Aproximación a la bajamar, [6] y un valor para f de 10 -4 s -1 corresponden a un valor de Rode alrededor de 0,25, que es insignificante): en esos casos se pueden observar las denominadas columnas de Taylor , en el que el la velocidad del agua es idéntico en todos los puntos de una vertical.
De manera más general, el teorema de Taylor-Proudman es ampliamente utilizado cuando tiene que ver con los flujos atmosféricos, en la astrofísica ( viento solar , la dinámica de Júpiter ) y los problemas industriales, tales como el diseño delas turbinas .
La fuerza de los efectos se manifiestan también en la física atómica. En moléculas poliatómicas, el movimiento molecular se puede describir como una rotación rígida más una vibración de las partes alrededor de la posición de equilibrio. Los átomos se mueven por lo tanto con relación a un bastidor giratorio (la molécula). Una fuerza de Coriolis es entonces presente e induce los átomos a moverse en una dirección perpendicular a la oscilación inicial. Esto produce una confusión particular en el espectro Molecular, entre los niveles de rotación y vibración.
Los insectos del grupo de dípteros y lepidópteros utilizan dos estructuras de vibración pequeños a los lados del cuerpo a sentir los efectos de la fuerza de Coriolis. Estos órganos desempeñan un papel clave en la capacidad de los insectos en acrobacia aérea.
Hay una idea generalizada de que el efecto de Coriolis determina la dirección de rotación de los vórtices que se crean cuando se descorcha la descarga de un lavabo: en ' hemisferio norte rotación haría en un sentido (hacia la izquierda), mientras que lo contrario estaría en' Hemisferio Sur (horas). En algunos países en el cambio de la ' ecuador veces se presenta a los turistas un experimento que demostraría cómo mover unos pocos metros al norte o al sur del ecuador iba a cambiar el sentido de giro de un vórtice en una sartén. [
En realidad, es una leyenda urbana : el efecto obtenido mediante el cálculo de la acción de la fuerza de Coriolis en un sistema ideal es, de hecho, varios órdenes de magnitud menor que en muchos otros aportes, tales como la geometría del tanque y de descarga, el 'inclinación del plano y sobre todo el movimiento que inicialmente el agua (que es fácil engañar a los turistas más arriba mediante la imposición de un ligero movimiento de torsión en la dirección deseada moviendo de manera adecuada y de manera imperceptible pan). Repetir este experimento en un fregadero de un seno puede ser engañoso, ya que hay un error sistemático debido a la geometría específica de la cuenca.
Si se toma una piscina plana, circular, con una descarga pequeña, suave, asegurándose de que esperar hasta que el agua es perfectamente inmóvil y descorchar con cuidado, todavía se puede observar la influencia de la fuerza de Coriolis. Sin embargo, dada la magnitud del fenómeno, el agua debe dejarse en reposo durante unos días, en una habitación cerrada y lejos del paso de vehículos pesados, debido a que el barométrica corrientes de aire, los movimientos internos del remolino del líquido y las vibraciones inducidas por un camión en más o menos del mismo orden de magnitud del fenómeno que usted quiere observar.
La fuerza de Coriolis debe ser considerado en el cálculo de las trayectorias de los cohetes, proyectiles de artillería, y también de las balas de vuelo de largo, en la que por último el efecto, aunque a menudo despreciable, también es capaz de producir una desviación de unos pocos centímetros objetivos distancia de un kilómetro.
El efecto Coriolis se menciona:
en la película tirador , de 2007 , dirigida por Antoine Fuqua ;
en un episodio de la comedia de situación The Suite Life on Deck ;
en el videojuego Call of Duty 4: Modern Warfare donde el capitán MacMillan, dada la enorme distancia, recomendó al entonces teniente John Price, para tener en cuenta la fuerza de Coriolis antes de disparar en Zakhaev ;
en la novela La horda viento , escrito por Alain Damasio , donde "Coriolis" es también el nombre de uno de los protagonistas;
en el episodio XVI de la sexta temporada de la serie de dibujos animados Los Simpson , como resultado de lo cual la dirección del agua de descarga gira contra el hemisferio norte que en el hemisferio sur;
en el episodio de Expediente X , La piel del diablo ;
en los libros de ciclo de Dune , como una causa contribuyente de las violentas tormentas de arena en Arrakis .
En las novelas del ciclo de Rama AC Clarke, y particularmente en Cita con Rama 1972, los efectos fuerza de Coriolis en una gigante nave espacial cilíndrica giratoria están cubiertos varias veces.
En un episodio de Martin Mystere donde menciona el problema de la evacuación de agua en los dos hemisferios
En la película "Escape Plan - escapar del infierno" de 2013, con Stallone y Schwarzenegger dirigida por Mikael Håfström, donde durante unos segundos se menciona y se muestra la dirección en la que el agua sale por el desagüe hacia la derecha para encontrar el hemisferio norte de la Tierra.