Efeito de Coriolis

A força inercial de Coriolis é um movimento percebido apenas por observadores que estejam em um referencial não-inerciais em movimento de rotação (por exemplo, o planeta Terra). As leis de Newton do movimento são válidas para sistemas de referência inerciais, ou seja, sem aceleração. Para usá-las em um sistema não inercial, pode-se adaptá-las introduzindo forças fictícias. Por isso, é comum chamar o efeito de Coriolis como força fictícia ou inercial, pois trata-se apenas de uma aceleração (unidade de medida é m/s² e não newtons).

Efeito de Coriolis no hemisfério sul (deflexão à esquerda em movimento de sul para norte, promovendo giro anti-horário) e norte (o contrário)

Veja esse vídeo para entender a diferença de referenciais: para quem está fora do referencial girando, a bola parece fazer uma linha reta, enquanto que as pessoas que estão no gira-gira têm dificuldade em arremessar a bola para quem está logo de frente.

A componente horizontal da força de Coriolis é sempre perpendicular à direção do movimento, induzindo desvio para a direita no Hemisfério Norte e para a esquerda no Hemisfério Sul. É dada pelo produto da velocidade de rotação do referencial pela velocidade de movimentação do corpo nesse referencial e o seno da latitude (já que estamos falando da Terra – veja mais detalhes no post sobre fluidos geofísicos):

\(F_C=2\Omega V sen\phi\)

Note que o corpo precisa ter um movimento com relação ao referencial para sofrer ação do efeito de Coriolis. Ao pensar no movimento de um fluido (massas de ar ou correntes marítimas, por exemplo), deve-se considerar a força aplicada em dois pontos, e a diferença entre a latitude de cada ponto gera o desvio comentado anteriormente. Assim, forma-se um movimento circular, que pode ser horário ou anti-horário conforme o hemisfério e o sentido do movimento (para norte ou para sul).

Como a força de Coriolis é proporcional à diferença de latitude entre dois pontos, ela é desprezível para pequenos movimentos ou objetos da escala humana. Ou seja, o ralo da pia não vai mudar seu sentido de giro somente pelo fato de estar no hemisfério norte ou sul. Caso contrário, cuidado com a rotação da Terra ao atravessar a rua! 😛

Bart Simpsom tentando observar o efeito de Coriolis no vaso sanitário

Inclusive, quanto mais perto do Equador, menor o efeito de Coriolis, o que inviabiliza uma famosa experiência feita em cidades por onde passa a linha do Equador. Pessoas mostram água correndo para um sentido no hemisfério norte e no sentido oposto quando atravessam a linha para o outro hemisfério. O que realmente acontece é que a direção inicial que a água é jogada é uma força muito maior do que algum efeito microscópico da força fictícia.

Pensando em um movimento giratório, como a água escorrendo em um tanque com um furo no meio, deve-se considerar a diferença de aceleração entre um ponto mais externo e outro mais interno. Considerando-se um tanque com raio de 1 metro, a diferença da aceleração entre esses pontos é da ordem de 10-8 m/s² (veja mais detalhes nessa resposta do Physics Stack Exchange). Esse valor é muito menor do que outros efeitos como a inércia do movimento inicial da água devido preenchimento do tanque, a viscosidade da água (interna e com o tanque), a força de atrito promovida pelo vento ao soprar tangencialmente à água, convecção interna devido ao transporte de calor, etc. Um estudo foi publicado na revista nature apresentando essas dificuldades experimentais para tentar observar a influência da rotação da Terra no sentido do giro de água em um tanque. Uma discussão das fórmulas envolvidas e uma análise de escala comparando a intensidade de cada componente pode ser vista e duas respostas do Earth Science Stack Exchange.

Para observar o efeito de Coriolis em objetos menores, é preciso deixar a força de Coriolis agindo por várias horas ou mesmo dias. O pêndulo de Foucault é uma experiência concebida para demonstrar a rotação da Terra em relação a seu próprio eixo. A primeira demonstração data de 1851, quando um pêndulo de 30 kg foi fixado ao teto do Panteão de Paris por um fio de 67 metros de comprimento. Durante o movimento, a areia ia escorrendo da esfera e marcando a trajetória do pêndulo; o rastro deixado pela areia não se sobrepunha um ao outro, mas sim existia um espaçamento entre um e outro a cada período do pêndulo completado. A explicação para isso é a atuação da força fictícia de Coriolis, promovendo um giro do pêndulo ao longo do dia.

Recuo do mar e a Espiral de Ekman

Em agosto de 2017, houve um grande reuco do oceano nas praias do sul e sudeste do Brasil. No município de Balneário Rincão/SC, o mar chegou a recuar 50 metros dia 12. Muitas pessoas chegaram a falar de tsunami, devido à magnitude desse recuo. No entanto, um tsunami é causado por terremotos no fundo do oceano, e esse recuo dura poucos minutos e não dias.

Um dos fatores que causaram esse fenômeno tão intenso foi a presença de um anti-ciclone (região de alta pressão atmosférica) sobre o oceano atlântico – veja mais no post sobre Ventos e ciclones. Com o vento forte soprando no sentido anti-horário, ele ficava paralelo à costa vindo de norte, acentuando o transporte de Ekman e promovendo o recuo. Esse transporte de água acontece devido à espiral de Ekman, que recebeu o nome em homenagem ao oceanógrafo sueco Vagn Walfrid Ekman.

A Espiral de Ekman refere-se a uma estrutura de correntes ou ventos próximos a uma fronteira horizontal, na qual a direção do fluxo gira como se estivesse se afastando da fronteira. O efeito é uma consequência da força inercial de Coriolis. Assim, quando um vento persistente (por horas ou dias) sopra sobre uma área extensa da superfície do oceano no hemisfério sul, ele causa uma corrente marítima de superfície que acelera na mesma direção do vento; por sua vez, essa corrente experimenta uma força de Coriolis e uma aceleração do vento para a esquerda.

A corrente se vira gradualmente à equerda enquanto ganha velocidade. Esta corrente de superfície arrasta na camada aquática abaixo dela, repetindo o processo. Conforme a profundidade aumenta, a força transmitida do vento direcionado diminui, assim como a velocidade da corrente, daí a representação do fenômeno como uma espiral cônica.

Espiral de Ekman (imagine o continente sul americano à esquerda)

Outro fenômeno que contribuiu para o recuo do mar foi a lua cheia. As marés de sizígia são ocorrem nas luas nova e cheia, quando os efeitos lunares e solares atuando em conjunto e se reforçam, produzindo as maiores marés altas e as menores marés baixas.

Fontes