3: La fuerza de Coriolis

La fuerza de Coriolis es un elemento central de la dinámica de los flujos oceánicos y atmosféricos. En muchos libros de texto de mecánica clásica se ofrece una derivación rigurosa utilizando el cálculo vectorial, pero tales derivaciones no suelen ser la forma más eficaz de obtener una comprensión conceptual. Por lo tanto, aquí ofreceremos una explicación cualitativa más intuitiva. A lo largo de este capítulo sobre los flujos geofísicos, hemos hablado mucho de la 2ª ley de Newton, pero la clave para entender la fuerza de Coriolis es más bien la 1ª ley de Newton: un objeto en movimiento permanece en movimiento con la misma velocidad y en la misma dirección a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada. La Tierra y todo lo que hay en ella está en constante movimiento, ya que la Tierra gira alrededor de su eje. Además, la dirección de todo este movimiento cambia constantemente: mientras escribes en tu escritorio a las 2 de la tarde, te estás moviendo exactamente en la dirección opuesta a cuando estabas acostado en tu cama a las 2 de la mañana. Estos cambios forzados en la dirección del movimiento de objetos que tienden a mantenerse en la misma dirección es lo que da lugar a las llamadas pseudofuerzas (que en realidad son muy reales, si resulta que vives en un planeta en rotación como la Tierra).

La pseudofuerza más fácil de entender conceptualmente es la fuerza centrífuga, representada a continuación.

Esencialmente, los objetos tienden a salir despedidos de un cuerpo en rotación, porque los objetos siguen moviéndose en línea recta (como indica la flecha), mientras que la superficie del cuerpo en rotación no se mueve en línea recta (como indica el círculo). Afortunadamente, no tenemos que preocuparnos por salir despedidos de la Tierra, porque la fuerza gravitatoria que mantiene nuestros pies en el suelo es unas 300 veces mayor que la fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga no desempeña ningún papel significativo en la dinámica del océano y la atmósfera, pero hace que la Tierra sea ligeramente elíptica.

La fuerza de Coriolis es una pseudofuerza que surge cuando un objeto se mueve sobre la superficie de un cuerpo en rotación. La fuerza de Coriolis es conceptualmente mucho más sutil que la fuerza centrífuga y, de hecho, consiste en dos efectos diferentes, cada uno de ellos ilustrado a continuación:

El panel de la izquierda ilustra el primer efecto: un objeto que se mantiene en movimiento en la misma dirección en el espacio absoluto parece cambiar de dirección, ya que la Tierra gira hacia la derecha. Al principio, el objeto se mueve en línea recta hacia el Norte, hacia el polo (flecha izquierda), pero luego, la dirección del movimiento se vuelve hacia el Noreste en el marco de referencia de la Tierra (flecha derecha), aunque la dirección y la velocidad del objeto no han cambiado en el espacio absoluto. El panel de la derecha ilustra el segundo efecto: cuando un objeto se desplaza sobre la superficie de la Tierra (como indica la flecha sólida), arrastra consigo la velocidad de la rotación terrestre (flechas discontinuas). A medida que el objeto se desplaza hacia el Norte, llega a regiones donde la velocidad de rotación de la Tierra es menor que en su ubicación original. Así, tendrá un exceso de velocidad hacia el Este que desvía el movimiento del Norte hacia el Noreste, cuando se ve en el marco de referencia terrestre. En el marco de referencia terrestre, cada uno de estos 2 efectos conduce a una aceleración con una magnitud igual a \(\mega \times v \sin\theta \) (con \(\mega \) la velocidad angular de la Tierra, \(v\) la velocidad del objeto en el marco de referencia terrestre, y \(\theta\) la latitud), por lo que la aceleración total suma \(2 \times \Omega \times v \sin\theta\) o \(f \times v\), con el parámetro de Coriolis \(f = 2 \times \mega \times \sin\theta\). La fuerza de Coriolis forma un ángulo \(90^{circ}\) con respecto al movimiento del objeto, a la derecha en el hemisferio norte, a la izquierda en el hemisferio sur; desaparece en el Ecuador (\(\theta=0\)). En las direcciones zonal y meridional, las aceleraciones ascienden a:

El impacto de la fuerza de Coriolis sobre las parcelas de aire (o agua) en movimiento se demuestra aquí.