6.4: Forças fictícias e estruturas não inerciais - A força de Coriolis

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Discuta o quadro de referência inercial.
• Discuta o quadro de referência não inercial.
• Descreva os efeitos da força de Coriolis.

O que decolar em um avião a jato, virar uma esquina em um carro, andar de carrossel e o movimento circular de um ciclone tropical têm em comum? Cada um exibe forças fictícias — forças irreais que surgem do movimento e podem parecer reais, porque o quadro de referência do observador está acelerando ou girando.

Ao decolar em um jato, a maioria das pessoas concorda que é como se você estivesse sendo empurrado de volta para o assento enquanto o avião acelera na pista. No entanto, um físico diria que você tende a permanecer parado enquanto o assento o empurra para frente, e não há nenhuma força real para trás em você. Uma experiência ainda mais comum ocorre quando você faz uma curva apertada em seu carro, digamos, para a direita. Você se sente como se fosse jogado (ou seja, forçado) para a esquerda em relação ao carro. Novamente, um físico diria que você está indo em linha reta, mas o carro se move para a direita e não há nenhuma força real sobre você para a esquerda. Lembre-se da primeira lei de Newton.

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) O motorista do carro se sente forçado para a esquerda em relação ao carro quando faz uma curva à direita. Essa é uma força fictícia decorrente do uso do carro como quadro de referência. (b) No quadro de referência da Terra, o motorista se move em linha reta, obedecendo à primeira lei de Newton, e o carro se move para a direita. Não há força real à esquerda no motorista em relação à Terra. Há uma força real à direita no carro para fazê-lo girar.

Podemos conciliar esses pontos de vista examinando os quadros de referência usados. Vamos nos concentrar nas pessoas em um carro. Os passageiros usam instintivamente o carro como referência, enquanto um físico usa a Terra. O físico escolhe a Terra porque ela é quase um quadro de referência inercial — aquele em que todas as forças são reais (ou seja, em que todas as forças têm uma origem física identificável). Nesse quadro de referência, as leis do movimento de Newton assumem a forma dada em Dinâmica: Leis do Movimento de Newton. O carro é um quadro de referência não inercial porque é acelerado para o lado. A força à esquerda detectada pelos passageiros do carro é uma força fictícia sem origem física. Não há nada real empurrando-os para a esquerda — o carro, assim como o motorista, está realmente acelerando para a direita.

Vamos agora fazer um passeio mental em um carrossel — especificamente, um carrossel de playground que gira rapidamente. Você considera o carrossel como seu quadro de referência porque vocês giram juntos. Nesse quadro não inercial, você sente uma força fictícia, chamada força centrífuga (não confundir com força centrípeta), tentando te despistar. Você deve se segurar bem para neutralizar a força centrífuga. No quadro de referência da Terra, não há força tentando expulsá-lo. Em vez disso, você deve se segurar para fazer um círculo, porque caso contrário, você seguiria em linha reta, logo após o carrossel.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Um piloto em um carrossel se sente como se estivesse sendo expulso. Essa força fictícia é chamada de força centrífuga — ela explica o movimento do piloto na estrutura giratória de referência. (b) Em um quadro de referência inercial e de acordo com as leis de Newton, é sua inércia que o afasta e não uma força real (o piloto sem sombra tem\(F_{net} = 0\) e segue em linha reta). Uma força real,\(F_{centripetal}\), é necessária para criar um caminho circular.

Esse efeito inercial, afastando você do centro de rotação se não houver força centrípeta para causar movimento circular, é bem utilizado em centrífugas (veja a Figura). Uma centrífuga gira uma amostra muito rapidamente, conforme mencionado anteriormente neste capítulo. Vista a partir do quadro de referência rotativo, a força centrífuga fictícia lança as partículas para fora, acelerando sua sedimentação. Quanto maior a velocidade angular, maior a força centrífuga. Mas o que realmente acontece é que a inércia das partículas as carrega ao longo de uma linha tangente ao círculo enquanto o tubo de ensaio é forçado em um caminho circular por uma força centrípeta.

Figura\(\PageIndex{3}\): As centrífugas usam a inércia para realizar sua tarefa. As partículas no sedimento fluido saem porque sua inércia as afasta do centro de rotação. A grande velocidade angular da centrífuga acelera a sedimentação. Por fim, as partículas entrarão em contato com as paredes do tubo de ensaio, o que fornecerá a força centrípeta necessária para fazê-las se mover em um círculo de raio constante.

Vamos agora considerar o que acontece se algo se move em um quadro de referência que gira. Por exemplo, e se você deslizar uma bola diretamente para longe do centro do carrossel, conforme mostrado na Figura? A bola segue um caminho reto em relação à Terra (assumindo atrito insignificante) e um caminho curvado para a direita na superfície do carrossel. Uma pessoa ao lado do carrossel vê a bola se movendo em linha reta e o carrossel girando embaixo dela. No quadro de referência do carrossel, explicamos a curva aparente à direita usando uma força fictícia, chamada força de Coriolis, que faz com que a bola se curve para a direita. A força fictícia de Coriolis pode ser usada por qualquer pessoa nesse quadro de referência para explicar por que os objetos seguem caminhos curvos e nos permite aplicar as Leis de Newton em quadros de referência não inerciais.

Figura\(\PageIndex{4}\):. Olhando para baixo, no sentido anti-horário de um carrossel, vemos que uma bola deslizada diretamente em direção à borda segue um caminho curvado para a direita. A pessoa desliza a bola em direção ao ponto B, começando no ponto A. Ambos os pontos giram para as posições sombreadas (A' e B') mostradas no tempo em que a bola segue o caminho curvo na estrutura giratória e um caminho reto na estrutura da Terra.

Até agora, consideramos a Terra um quadro de referência inercial com pouca ou nenhuma preocupação com os efeitos devido à sua rotação. No entanto, esses efeitos existem — na rotação dos sistemas climáticos, por exemplo. A maioria das consequências da rotação da Terra pode ser entendida qualitativamente por analogia com o carrossel. Visto de cima do Pólo Norte, a Terra gira no sentido anti-horário, assim como o carrossel na Figura. Como no carrossel, qualquer movimento no hemisfério norte da Terra experimenta uma força de Coriolis para a direita. Exatamente o oposto ocorre no hemisfério sul; lá, a força está para a esquerda. Como a velocidade angular da Terra é pequena, a força de Coriolis geralmente é insignificante, mas para movimentos de grande escala, como padrões de vento, ela tem efeitos substanciais.

A força de Coriolis faz com que furacões no hemisfério norte girem no sentido anti-horário, enquanto os ciclones tropicais (chamados furacões abaixo do equador) no hemisfério sul giram no sentido horário. Os termos furacão, tufão e tempestade tropical são nomes regionais específicos para ciclones tropicais, sistemas de tempestades caracterizados por centros de baixa pressão, ventos fortes e chuvas fortes. A figura ajuda a mostrar como essas rotações ocorrem. O ar flui em direção a qualquer região de baixa pressão, e os ciclones tropicais contêm pressões particularmente baixas. Assim, os ventos fluem em direção ao centro de um ciclone tropical ou de um sistema climático de baixa pressão na superfície. No hemisfério norte, esses ventos internos são desviados para a direita, conforme mostrado na figura, produzindo uma circulação no sentido anti-horário na superfície para zonas de baixa pressão de qualquer tipo. A baixa pressão na superfície está associada ao aumento do ar, que também produz resfriamento e formação de nuvens, tornando os padrões de baixa pressão bastante visíveis do espaço. Por outro lado, a circulação do vento em torno das zonas de alta pressão é no sentido horário no hemisfério norte, mas é menos visível porque a alta pressão está associada ao afundamento do ar, produzindo céu limpo.

A rotação dos ciclones tropicais e o caminho de uma bola em um carrossel também podem ser explicados pela inércia e pela rotação do sistema por baixo. Quando estruturas não inerciais são usadas, forças fictícias, como a força de Coriolis, devem ser inventadas para explicar o caminho curvo. Não há fonte física identificável para essas forças fictícias. Em uma estrutura inercial, a inércia explica o caminho, e nenhuma força é encontrada sem uma fonte identificável. Qualquer visão nos permite descrever a natureza, mas uma visão em um quadro inercial é a mais simples e verdadeira, no sentido de que todas as forças têm origens e explicações reais.

Figura\(\PageIndex{5\): (a) A rotação anti-horária desse furacão no hemisfério norte é uma das principais consequências da força de Coriolis. (crédito: NASA) (b) Sem a força de Coriolis, o ar fluiria diretamente para uma zona de baixa pressão, como a encontrada em ciclones tropicais. (c) A força de Coriolis desvia os ventos para a direita, produzindo uma rotação no sentido anti-horário. (d) O vento que flui para longe de uma zona de alta pressão também é desviado para a direita, produzindo uma rotação no sentido horário. (e) A direção oposta de rotação é produzida pela força de Coriolis no hemisfério sul, levando a ciclones tropicais. (crédito: NASA)

Resumo da seção

• Os quadros de referência giratórios e acelerados não são inerciais.
• Forças fictícias, como a força de Coriolis, são necessárias para explicar o movimento nesses quadros.

Glossário

força fictícia

uma força sem origem física

força centrífuga

uma força fictícia que tende a expulsar um objeto quando o objeto está girando em um quadro de referência não inercial

Força de Coriolis

a força fictícia que causa a aparente deflexão de objetos em movimento quando vistos em um quadro de referência rotativo

quadro de referência não inercial

um quadro de referência acelerado