A körhintától a ciklonokig és a Golf-áramlatig:
Útikalauz meglepetésekkel

Interaktív tananyag középiskolásoknak
tanórai vagy önálló feldolgozáshoz

A kérdések és javasolt kísérletek kék téglalapokban,  a kvantitatív gyakorlatok és feladatok pedig sárga téglalapokban
találhatók. jelzi a továbbgondolkodni is kész, igazán céltudatos olvasóknak szánt feladatokat.

Bevezetés

Nézd meg a következő videót, amely angol nyelvű ugyan, de jól érthető:


https://www.youtube.com/watch?v=Kk7sXkzmtp0.

Mit gondolsz, vajon valóságos a bemutatott effektus?

Hogy a fenti kérdésre választ kapj, először figyelj meg egy nyilvánvalóbb esetet: video2.

X

Lemezjátszó vagy fazekaskorong segítségével Te is végezhetsz hasonló kísérleteket forgó korongon mozgó golyókkal. A forgó koronghoz rögzített webkamerával olyan furcsa mozgásokat figyelhetsz meg, mint ez: video3.

X

Hasonlítsd össze az utóbbi két videót: meg tudod állapítani, hogy a video2 korongja az óra járásának irányában forog vagy pedig azzal ellentétesen?

Mit gondolsz, miért haladnak az eldobott labdák és elgurított golyók egyenes helyett görbe vonalban? Hasonlót tapasztalhattál például science center-ekben is.

A videók és a saját kísérletek egyaránt mutatják, hogy a forgó rendszerekben útnak indított testek meglepő módon mozognak: eredeti irányuktól eltérülnek.

Szeretnéd tudni,

A magyarázatok túlmutatnak a középiskolai fizika tananyagán. Ha készen állsz a felfedező útra, olvasd végig a következő tanegységeket. A vállalkozó szelleműek számára a tananyag tartalmaz további olvasnivalókat, otthon is elvégezhető kísérleteket és megoldandó feladatokat is. Mindehhez csak igen alapszintű matematikára lesz szükséged. Mindhárom modul során egy-egy elemi összefüggés játszik fontos szerepet, (ez a bekeretezett képlet). Mindegyik modul végén található egy ellenőrző kérdéssor, amelyet jelöl. A válasz beküldésekor megjelenő smiley annak elismerése, hogy a válaszok nagyrészt helyesek.

I. Alapjelenség: a mozgó testek eltérülése

Megtanuljuk, hogy a forgó korongon mindig eltérülnek a mozgó testek, és felfedezzük azt az összefüggést, amely adott forgási szögsebesség mellett kifejezi az eltérülés mértékét.

II. A forgó Föld mint körhinta

Felismerjük, hogy a forgó Föld gömb alakja befolyásolja az eltérülés erősségét, amely tehát függ a földrajzi szélességtől. Becslést adunk az emberi léptékű mozgások esetében fellépő eltérülésre, és megállapítjuk, hogy hétköznapi mozgásokban az eltérülés igen kicsi.

III. Erős Coriolis-eltérülés

Megértjük, hogy a legtöbb nagyskálájú, csaknem az egész Földre kiterjedő mozgás esetében (illetve forgatott tartályokkal végzett analóg kísérletekben) jelentős mértékű eltérülés lép fel, mely teljes fordulatot, örvénylő mozgást eredményez. Felfedezünk néhány meglepő következményt is.

Ha nem kívánsz mélyebben búvárkodni, akkor olvasd el az alábbi tömör összefoglalást, de ne felejtsd el, hogy a komplex légköri és óceáni áramlások hátterében olyan meglepő fizikai jelenségek állnak − meglepőek, mert ellentétesek a hétköznapi tapasztalattal − mint például a jelentős mértékű eltérülés, amelynek magyarázatához a középiskolai tananyagon túlmutató ismeretek szükségesek.

Összefoglalás

Az I-III. modulokban röviden bemutattuk, hogy a Föld forgásából eredő eltérítő hatás (az úgynevezett Coriolis-hatás) a hétköznapi életünkben jelen lévő tárgyak (méterestől kilométeresig terjedő) méretskáláján alig észrevehető, csak gondosan megtervezett kísérletek segítségével lehet kimutatni. A Coriolis-hatás fontos sajátossága, hogy annál jelentősebb szerepet játszik, minél nagyobb kiterjedésű mozgásről van szó. A bolygó nagyságával összemérhető (100 vagy 1000 kilométeres) méretskálák esetén egyedül a nyomáskülönbségből származó erő vetekedhet a Coriolis-hatással. Ez meglepő jelenségekhez vezet, amelyekhez hasonlókat a hétköznapi életben sosem tapasztalunk (kivéve a körhintán, illetve forgótartályos kísérletekben). Az eltérítő hatás ismerete nélkül nem értheted meg a forgó Földön zajló mozgások rendszerét (nem is beszélve korunk nagy kihívásáról, a klímaváltozásról).

Az alábbi NASA-videók érzékeltetik 1) az atmoszféra, illetve 2) az óceánok globális dinamikáját:


https://www.youtube.com/watch?v=n0mupl4FZsQ

A légkörben domináns a forgó mozgás (eltérülés az egyenesvonalú pályától), de jól megfigyelhető, hogy az Egyenlítőnél nincsenek örvénylő mozgások, azaz nincsenek ciklonok.


https://www.youtube.com/watch?v=xusdWPuWAoU

Az óceánokban is domináns az örvénylő mozgás, de az Egyenlítőnél most sincsenek örvények! Ezek a videók is megmutatják, hogy mivel az Egyenlítőnél egyáltalán nem lép fel eltérítő hatás, a legelső videó biztosan csaláson alapul. Nézd csak újra a videót! Ugye azt is észrevetted, hogy a "mutatvány" készítői arra sem ügyeltek, hogy a lefolyó forgásiránya megfeleljen annak, amit az Egyenlítőtől távol várunk? Hiszen az óramutatónak megfelelő forgatás esetén - vagyis délen - a Coriolis-eltérülés a valóságban balra történik, ahogy a video2-ben a labdák mozgása mutatja. Ezért az örvény forgása az óramutatónak megfelelő irányú kellene, hogy legyen, de ennek ellenkezőjét látjuk a tálban.


Copyright: A. Gróf, Á. Szeidemann, T. Tél
A tanulmány elkészítését a Magyar Tudományos Akadémia Tantárgypedagógiai Kutatási Programja támogatta.