Fizik-Kimya-Matematik
Prof. Dr. Hüseyin Sarı
30/07/2021 - 13:05

Zayıf Ama Etkisi Büyük Bir Kuvvet: Coriolis Kuvveti

Bu yazıda Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü sonucunda oluşan, kendisi zayıf olsa da büyük ölçekli atmosfer hareketlerine yol açan Coriolis kuvvetini ve nasıl ortaya çıktığını anlamaya çalışacağız.  

Hissetmesek de Dünya kendi ekseni etrafında batıdan doğuya doğru saatte 1.670 km hızla döner. Dünya’nın çizgisel hızı Ekvator’dan kutuplara doğru gidildikçe azalır. Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü, gece ve gündüzü oluşturmasının yanı sıra atmosferdeki hava hareketlerini ve okyanus akıntılarını da etkiler. Bu yazıda Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü sonucunda oluşan, kendisi zayıf olsa da büyük ölçekli atmosfer hareketlerine yol açan Coriolis kuvvetini ve nasıl ortaya çıktığını anlamaya çalışacağız.  

Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü, hem Kuzey Yarım Küre’de hem de Güney Yarım Küre’de tropikal rüzgârların oluşmasına yol açar. Atmosfer olaylarının yanı sıra balistik füzelerin hareketi ve uzun mesafeli uçuşlar da Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşünden çeşitli şekillerde etkilenir. Ayrıca, akarsuların düz bir ovada yılan gibi kıvrımlar yapması (mendereslerin oluşması) da Coriolis etkisine dayanır.

Lavabo veya dolu bir küvetteki suyun Kuzey Yarım Küre’de ve Güney Yarım Küre’de ters yönlerde dönerek boşalması, bilinenin aksine Coriolis kuvvetinden ziyade daha çok diğer etkilerin bir sonucudur.

Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü sonucunda oluşan ve yukarıda örneklerini verdiğimiz olaylara yol açan kuvvete Coriolis kuvveti, bu kuvvet sonucu ortaya çıkan etkiye de “Coriolis etkisi” denir. Coriolis etkisi, basit bir tanımla kendi ekseni etrafında dönen bir sistem (örneğin Dünya ve diğer gezegenler, döner tabure vb.) üzerinde hareket eden cisimlerin yörüngelerinde meydana gelen sapmadır. Bu kuvvet, varlığı önceden bilinse de 1835 yılında yayımladığı makalede bu kuvveti matematiksel olarak tanımlayan Fransız matematikçi ve mühendis Gaspard-Gustave de Coriolis’in adı ile anılır. 

Peki Coriolis kuvvetinin kaynağı nedir?

Coriolis kuvveti; yer çekimi, manyetik kuvvetler veya elektrik kuvvetleri gibi gerçek bir kuvvet değildir. Ekseni etrafında dönen yani ivmeli hareket yapan bir gözlem çerçevesinde hissedilen, “gerçek olmayan” bir kuvvettir. Tıpkı dönen bir sistemde gözlenen ve gerçek olmayan merkezkaç kuvvet gibi... Merkezkaç kuvvet ile Coriolis kuvveti dönen sistemlerde gözlenen kuvvetler oldukları için aralarında benzerlikler ve farklılıklar vardır. Her iki kuvvet de gerçek kuvvetler olmayıp sadece hareketli (dönen) gözlem çerçevesinde gözlenen kuvvetlerdir. Merkezkaç kuvvetin büyüklüğü dönme hızının karesi ile, Coriolis kuvvetinin büyüklüğü ise dönme hızı ile orantılıdır. Ayrıca merkezkaç kuvvet, dönme eksenine olan uzaklığa bağlı iken Coriolis kuvveti cismin hızına bağlıdır. 

Coriolis kuvvetinden kaynaklanan en dikkate değer etki atmosfer olaylarıdır. Dünyanın belirli bölgelerinde oluşan tropikal rüzgârların habercisi olan spiral şeklindeki hava hareketlerini gösteren uydu fotoğraflarını hepimiz biliriz. Bu fotoğraflarda, yüksek basınç bölgesinden düşük basınç bölgesine hareket eden havanın geniş bir alana yayılan spiral şeklindeki görüntüsü, kasırganın karaya vurduğunda ne kadar tehlikeli olabileceğinin ipuçlarını verir. Tropikal rüzgârların spiral şeklinde olmasının nedeni, “göz” denilen spiralin merkezindeki havanın hızının spiralin dışına göre çok büyük oluşudur. Bu spiral yapı, Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü sonucu oluşan Coriolis etkisinden kaynaklanır.

Kuzey Yarım Küre’de Ekvator’daki yüksek basınç bölgesinden (A) kuzeydeki düşük basınç bölgesine (C) doğru ilerleyen hava kütlesi Coriolis etkisinden dolayı doğuya doğru saparken kutuplardaki yüksek basınç bölgesinden (B) güneydeki düşük basınç bölgesine (C) doğru hareket eden hava kütlesi batıya doğru sapar. Bu sapmalardan dolayı oluşan desen, dönüş yönü saat yönünün tersi yönde olan bir spiraldir. Güney Yarım Küre’de ise spiralin dönüş yönü saat yönündedir. Ekvator kuşağında Coriolis kuvveti sıfır olduğundan kasırgalar oluşmaz çünkü Ekvator’da hava hareketi ve Dünya’nın dönüş yönü birbirine paraleldir. Eğer Dünya kendi ekseni etrafında dönmeseydi tropikal rüzgârlar spiral şeklini almayacak, hava yüksek basınç bölgesinden düşük basınç bölgesine düzgün bir şekilde hareket edecekti.

Tropikal rüzgârlar, Kuzey Yarım Küre’de ve Güney Yarım Küre’de ters yönlüdür.

Coriolis kuvvetini günlük hayatta da gözleyebiliriz. Parkta büyük bir döner taburede karşılıklı oturan iki kişiyi düşünelim. Taburenin dönmediği durumda (açısal hız, w=0) bu kişiler birbirlerine kolayca top atıp tutabilirler. Ancak tabure kendi ekseni etrafında dönerken aynı işi yapmak çok daha zor olacaktır. Çünkü topu yakalayacak kişinin yeri, üstünde oturduğu platformun dönmesinden dolayı değişecektir. Bu olayı dışarıdan izleyen bir kişi topun atıldıktan sonra düz bir çizgi boyunca ilerlediğini görecektir. Ancak dönen taburede oturan bir gözlemci -kendisi hareket ettiği için- topun düz değil kavisli bir yörüngesi olduğunu söyleyecektir. Dönme ve taburenin hızı göz önünde bulundurulduğunda tabure, saat yönünün tersi yönde dönüyorsa top alıcının soluna, tersi yönde dönüyorsa sağına düşecektir.

Coriolis kuvvetinin büyüklüğü dünyanın neresinde olduğunuza bağlı olarak farklılık gösterir. Çünkü bu kuvvet Dünya’nın dönüş hızı ve Dünya üzerinde hareket eden cisimlerin hızının vektörel çarpımına (2wxv) bağlıdır. Başka bir deyişle bu kuvvet, Dünya’nın açısal hızı (w) ve dönen sistemde hareket eden cismin çizgisel hızının (v) hem büyüklüklerine hem de hızların birbirlerine göre doğrultusuna bağlıdır. Güney Yarım Küre ve Kuzey Yarım Küre’de cisimlerin hızı kuzeye doğru olsa da, Dünya’nın eksen eğikliğinden dolayı hızların doğrultuları farklı olacağından Coriolis kuvveti her iki yarım kürede farklı yönlerde etki edecektir. Tam olarak Ekvator üzerinde hareket eden bir cismin Coriolis kuvvetinden dolayı doğrultusunda sapma olmayacaktır çünkü Dünya’nın açısal hızı ve Ekvator’daki hız birbirine paraleldir.

Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüş hızı diğer gezegenlerle karşılaştırıldığında görece küçük olduğu için Coriolis kuvveti her zaman dikkate alınacak boyutlarda olmaz, sadece hareketli ve büyük kütleli cisimlerde (tropikal rüzgârlarda olduğu gibi) ve uzun uçuş mesafelerinde etkilidir. Dönüş hızı büyük olan diğer gezegenlerde, örneğin Jüpiter’de Coriolis kuvvetinin etkisi çok daha büyüktür. Öyle ki bu gezegende kuzey-güney rüzgârları Coriolis kuvveti nedeniyle doğu-batı yönünde eser ve çok belirgin rüzgâr kuşaklarının oluşmasına yol açar.

Kaynaklar:

Fizik-Kimya-Matematik

İlkokulda hepimiz defterimize Türkiye haritasını çizmiş ve renklendirmişizdir. Peki aynı haritayı birbirine komşu şehirler farklı renkte olacak şekilde boyamak için en az kaç renge ihtiyaç duyarız?

Bu yazıda matematiğin gücünden ve fizik ile arasındaki sıkı ilişkiden bahsediyoruz.