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5.4: Tipos de fuerzas en la naturaleza

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    Mareas

    Las mareas son el ascenso y descenso del nivel del mar debido a los efectos de la gravedad ejercida por la luna y el sol, y la rotación de la Tierra.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar los factores que influyen en los tiempos y la amplitud de las mareas en un lugar

    Las mareas son el ascenso y descenso del nivel del mar debido a los efectos de las fuerzas gravitacionales ejercidas por la luna y el sol cuando se combinan con la rotación de la Tierra. Las mareas ocurren en diversos grados y frecuencia, dependiendo de la ubicación. Las costas donde ocurren dos mareas casi igualmente altas y dos bajas cada día experimentan una marea semidiurna. La ocurrencia de solo una marea alta y una baja cada día se conoce como marea diurna. Una marea mixta se refiere a la ocurrencia diaria de dos mareas desiguales, o quizás una marea alta y otra baja. Los tiempos y la amplitud de las mareas en diversos lugares están influenciados por la alineación del sol y la luna, el patrón de las mareas en las profundidades del océano, la forma de la costa y otras fuerzas.

    imagen

    Mareas terrestres. : Esquema de la porción lunar de las mareas terrestres mostrando mareas altas (exageradas) en los puntos sublunar y antípodal para el caso hipotético de un océano de profundidad constante sin tierra. También habría bultos más pequeños, superpuestos en los lados orientados hacia y lejos del sol.

    Fuerza de las mareas

    Si queremos conocer la aceleración “sentida” por un observador que vive en la Tierra debido a la luna, una parte complicada es que la Tierra no es un marco de referencia inercial porque está en “caída libre” con respecto a la luna. Ante esto, para poder averiguar la fuerza observada, debemos restar la aceleración del propio marco (Tierra). La fuerza de marea producida por la luna sobre una pequeña partícula ubicada en la Tierra es la diferencia vectorial entre la fuerza gravitacional ejercida por la luna sobre la partícula, y la fuerza gravitacional que se ejercería si estuviera ubicada en el centro de masa de la Tierra.

    imagen

    Gravedad de la Luna en la Tierra: La imagen superior muestra la fuerza de gravedad debida a la Luna en diferentes lugares\(\mathrm{F_r}\) de la Tierra. La imagen inferior muestra la fuerza diferencial\(\mathrm{F_r−F_{center}}\). Esta es la aceleración “sentida” por un observador que vive en la Tierra.

    Como se esquematiza a continuación, esto equivale a restar el vector “rojo” de los vectores “negros” en la superficie de la Tierra en la imagen superior, conduciendo a la fuerza “diferencial” representada por la imagen inferior. Así, la fuerza mareante depende no de la fuerza del campo gravitacional lunar, sino de su gradiente (que cae aproximadamente como el cubo inverso de la distancia al cuerpo gravitacional originario).

    En promedio, la fuerza gravitacional solar sobre la Tierra es 179 veces más fuerte que la lunar, pero debido a que el sol está en promedio 389 veces más lejos de la Tierra su gradiente de campo es más débil. La fuerza de las mareas solares es 46% más grande que la lunar. Más precisamente, la aceleración de las mareas lunares (a lo largo del eje Luna-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente\(\mathrm{1.1⋅10^{−7}}\) g, mientras que la aceleración de las mareas solares (a lo largo del eje Sol-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente\(\mathrm{0.52⋅10^{−7}}\) g, donde g es la aceleración gravitacional en la superficie de la Tierra. Venus tiene el mayor efecto de los otros planetas, a 0.000113 veces el efecto solar.

    Energía mareomotriz

    La energía de las mareas se puede extraer por dos medios: insertar una turbina de agua en una corriente de marea, o construir estanques que liberan/admiten agua a través de una turbina. En el primer caso, la cantidad de energía está determinada completamente por el tiempo y la magnitud de la corriente de marea, pero las mejores corrientes pueden no estar disponibles porque las turbinas obstruirían los barcos. En el segundo caso, las presas de embalse son costosas de construir, los ciclos naturales del agua están completamente alterados, al igual que la navegación de los barcos. Sin embargo, con múltiples estanques, se puede generar energía en los momentos elegidos. Actualmente, hay pocos sistemas instalados para la generación de energía mareomotriz (el más famoso, La Rance de Saint Malo, Francia), ya que hay muchas dificultades involucradas. Aparte de los problemas ambientales, simplemente soportar la corrosión y el ensuciamiento biológico plantea desafíos de ingeniería.

    imagen

    Generador de Energía Mareal: Generador de energía mareomotriz que funciona como una turbina eólica, pero con las corrientes oceánicas proporcionando la energía. El círculo en el medio es la turbina. El artilugio viaja arriba y abajo de las dos patas como un elevador y se sienta en el fondo del mar cuando está en uso.

    A diferencia de los sistemas de energía eólica, los defensores de la energía mareomotriz señalan que los niveles de generación se pueden predecir de manera confiable (excepto para efectos climáticos) Si bien alguna generación es posible para la mayor parte del ciclo de marea, en la práctica, las turbinas pierden eficiencia a velocidades de operación más bajas. Dado que la potencia disponible de un flujo es proporcional al cubo de la velocidad de flujo, los tiempos durante los cuales es posible una alta generación de energía son breves.

    La Fuerza Coriolois

    El efecto Coriolis es una desviación de objetos en movimiento cuando se ven en un marco de referencia giratorio.

    objetivos de aprendizaje

    • Formular relación entre la fuerza de Coriolis, la masa de un objeto y la velocidad en el marco giratorio

    El efecto Coriolis es una desviación de objetos en movimiento cuando se ven en un marco de referencia giratorio. En un marco de referencia con rotación en sentido horario, la deflexión es a la izquierda del movimiento del objeto; en uno con rotación en sentido antihorario, la deflexión es hacia la derecha. Aunque reconocida anteriormente por otros, la expresión matemática para la fuerza Coriolis apareció en un artículo de 1835 del científico francés Gaspard-Gustave Coriolis, en conexión con la teoría de las ruedas de agua. A principios del siglo XX, el término “fuerza Coriolis” comenzó a usarse en relación con la meteorología.

    imagen

    Marcos de Referencia: En el marco inercial de referencia (parte superior de la imagen), el objeto negro se mueve en línea recta. Sin embargo, el observador (punto rojo) que se encuentra parado en el marco de referencia giratorio/no inercial (parte inferior de la imagen) ve al objeto siguiendo una trayectoria curva debido a las fuerzas Coriolis y centrífugas presentes en este marco.

    Las leyes del movimiento de Newton gobiernan el movimiento de un objeto en un marco de referencia inercial (no acelerado). Cuando las leyes de Newton se transforman en un marco de referencia que gira uniformemente, aparecen los Coriolis y las fuerzas centrífugas. Ambas fuerzas son proporcionales a la masa del objeto. La fuerza de Coriolis es proporcional a la velocidad de rotación, y la fuerza centrífuga es proporcional a su cuadrado. La fuerza de Coriolis actúa en una dirección perpendicular al eje de rotación y a la velocidad del cuerpo en el marco giratorio. Es proporcional a la velocidad del objeto en el marco giratorio. Estas fuerzas adicionales se denominan fuerzas inerciales, fuerzas ficticias o pseudo-fuerzas. Permiten la aplicación de las leyes de Newton a un sistema rotativo. Son factores de corrección que no existen en un marco de referencia no acelerante o inercial.

    Quizás el marco de referencia giratorio más comúnmente encontrado es la Tierra. El efecto Coriolis es causado por la rotación de la Tierra y la inercia de la masa que experimenta el efecto. Debido a que la Tierra solo completa una rotación por día, la fuerza de Coriolis es bastante pequeña. Sus efectos generalmente se notan solo por movimientos que ocurren a grandes distancias y largos períodos de tiempo, como los movimientos a gran escala del aire en la atmósfera o el agua en el océano. Dichos movimientos están restringidos por la superficie de la tierra, por lo que generalmente solo es importante la componente horizontal de la fuerza de Coriolis. Esta fuerza hace que los objetos en movimiento sobre la superficie de la Tierra sean desviados en sentido horario (con respecto a la dirección de desplazamiento) en el hemisferio norte y en sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio sur. En lugar de fluir directamente desde zonas de alta presión a baja presión, como lo harían en un sistema no rotativo, los vientos y corrientes tienden a fluir hacia la derecha de esta dirección al norte del ecuador y a la izquierda de esta dirección al sur del mismo. Este efecto es responsable de la rotación de los ciclones grandes.

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    Fuerza Coriolis: Este sistema de baja presión sobre Islandia gira en sentido antihorario debido al equilibrio entre la fuerza de Coriolis y la fuerza de gradiente de presión.

    Otras aplicaciones geofísicas

    Las fuerzas de marea y Coriolis pueden no ser obvias en una pequeña escala espacio-temporal, pero son importantes en meteorología, navegación y pesca.

    objetivos de aprendizaje

    • Identificar campos que tienen que tener en cuenta las fuerzas mareales y Coriolis

    Anteriormente se han estudiado las fuerzas mareales y Coriolis. Para revisar, la fuerza de marea es la responsable de las mareas, es una “fuerza diferencial”, debido a un efecto secundario de la fuerza de gravedad. La fuerza Coriolis es una fuerza ficticia, que representa una desviación de objetos en movimiento cuando son vistos en un marco de referencia giratorio de la Tierra. Aunque sus efectos pueden no ser obvios en una pequeña escala de tiempo-espacio, estas fuerzas son importantes en contextos como la meteorología, la navegación, la pesca y otros.

    Las mareas

    Los flujos de marea son importantes para la navegación marina, y se producen errores significativos en la posición si no se tienen en cuenta. Las alturas de las mareas también son importantes; por ejemplo, muchos ríos y puertos tienen un “bar” poco profundo en la entrada para evitar que las embarcaciones con calado significativo ingresen durante la marea baja. Hasta la llegada de la navegación automatizada, la competencia en el cálculo de los efectos de las mareas era importante para los oficiales navales El acta de examen para tenientes en la Marina Real declaró una vez que el posible oficial pudo “cambiar sus mareas”.

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    Indicador de mareas: Indicador de mareas, río Delaware, Delaware c. 1897. En el momento de la foto, la marea está a 1.25 pies por encima de la media del agua baja y sigue bajando, como lo indica la punta de la flecha. El indicador es alimentado por un sistema de poleas, cables y un flotador

    La Fuerza Coriolis

    La fuerza de Coriolis es bastante pequeña, y sus efectos generalmente se notan solo cuando estamos lidiando con movimientos que ocurren a grandes distancias y largos períodos de tiempo, como los movimientos a gran escala del aire en la atmósfera o el agua en el océano. Los efectos Coriolis también cobraron importancia en los cálculos balísticos, por ejemplo, el cálculo de las trayectorias de proyectiles de artillería de muy largo alcance. El ejemplo histórico más famoso es el arma de París, utilizada por los alemanes durante la Primera Guerra Mundial para bombardear París desde un alcance de unos 120 km.

    imagen

    Representación de flujo: Una representación esquemática del flujo alrededor de un área de baja presión en el hemisferio norte. La fuerza de gradiente de presión está representada por flechas azules y la aceleración de Coriolis (siempre perpendicular a la velocidad) por flechas rojas

    Puntos Clave

    • La fuerza de marea no depende de la fuerza del campo gravitacional lunar en sí, sino de su gradiente, que cae aproximadamente como el cubo inverso de la distancia al cuerpo gravitacional originario. Esto se debe a que la fuerza de marea que siente un observador en la Tierra es una fuerza diferencial.
    • Los tiempos y la amplitud de las mareas en un lugar están influenciados por varios factores, como la alineación del sol y la luna, el patrón de mareas en el océano profundo, la forma de la costa y otras fuerzas.
    • La energía de las mareas se puede extraer por dos medios: insertar una turbina de agua en una corriente de marea, o construir estanques que liberan/admiten agua a través de una turbina.
    • Cuando las leyes de Newton se transforman en un marco de referencia que gira uniformemente, aparecen los Coriolis y las fuerzas centrífugas.
    • La fuerza de Coriolis actúa en una dirección perpendicular al eje de rotación y a la velocidad del cuerpo en el marco giratorio; es proporcional a la masa y velocidad del objeto en el marco giratorio.
    • El efecto Coriolis es causado por la rotación de la Tierra y la inercia de la masa que experimenta el efecto.
    • Los flujos de marea son importantes para la navegación marina, y se producen errores significativos en la posición si no se tienen en cuenta.
    • La fuerza de Coriolis es bastante pequeña, y sus efectos generalmente se notan solo cuando estamos lidiando con movimientos que ocurren a grandes distancias y largos períodos de tiempo, como los movimientos a gran escala del aire en la atmósfera o el agua en el océano.
    • La fuerza mareomotriz es la responsable de las mareas. Se trata de una “fuerza diferencial”, debido a un efecto secundario de la fuerza de gravedad. La fuerza Coriolis es una fuerza ficticia, que representa una desviación de objetos en movimiento cuando son vistos en un marco de referencia giratorio de la Tierra.

    Términos Clave

    • Marco inercial: Marco de referencia que describe el tiempo y el espacio de manera homogénea, isotrópicamente e independiente del tiempo.
    • diurno: Tener un ciclo diario que se completa cada 24 horas, generalmente refiriéndose a tareas, procesos, mareas, o desde el amanecer hasta el atardecer.
    • gradiente: La velocidad a la que una cantidad física aumenta o disminuye en relación con el cambio en una variable dada, especialmente la distancia.
    • fuerza ficticia: una fuerza aparente que actúa sobre todas las masas en un marco de referencia no inercial, como un marco de referencia giratorio
    • fuerza centrífuga: la fuerza aparente hacia afuera que aleja un cuerpo giratorio del centro de rotación
    • balística: la ciencia de la mecánica que se ocupa del vuelo, el comportamiento y los efectos de proyectiles, especialmente balas, bombas de gravedad, cohetes o similares
    • meteorología: el estudio científico interdisciplinario de la atmósfera

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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