Coriolis Kuvveti Nedir? Coriolis Etkisi Hangi Durumlarda Hissedilir?
Coriolis kuvveti, dünya üzerindeki hareketli sistemleri anlamak, atmosfer ve okyanus dinamiklerini çözümlemek için kritik bir rol oynar. Bu kuvvet, gözlemcinin dönmesinden kaynaklanan bir yalancı kuvvettir. Ancak Coriolis etkisi, hava akımlarından okyanus akıntılarına, hatta uzun menzilli füze yörüngelerine kadar pek çok alanda kendini gösterir. Bu etki, özellikle büyük ölçekli hareketlerde belirginleşir ve cismin yön değiştirmesine neden olur. Peki bu yön değişimi ne kadar belirgindir? Ne zaman ihmal edilebilir, ne zaman göz önünde bulundurulmalıdır? İşte bu soruların cevabı da Rossby sayısı kavramında gizlidir.
Bu makalede Coriolis kuvvetinin temel prensiplerini, doğada nasıl ve ne zaman hissedildiğini, hangi fiziksel olaylara yol açtığını ve Rossby sayısı ile nasıl ilişkilendirildiğini inceleyeceğiz.
Coriolis Kuvveti Nedir?
Coriolis kuvveti, dünyanın kendi ekseni etrafına dönmesiyle oluşan ve önemli atmosferik hareketlere yol açan bir kuvvettir. Bu kuvvetin yarattığı etki de Coriolis etkisi olarak adlandırılmaktadır. Bu etki, kendi ekseni etrafında dönen herhangi bir sistem üzerindeki cisimlerin yörüngelerinde oluşan belirgin sapmadır. Tropikal rüzgarların oluşumu, akarsuların menderesler oluşturması, uzun mesafeli uçuşlar ve balistik füzelerin hareketleri bu etkinin bir sonucudur. Coriolis kuvveti ilk kez 1835 yılında Fransız matematikçi ve mühendis Gaspard-Gustave Coriolis tarafından tanımlanmıştır.
Coriolis kuvveti tıpkı merkezkaç kuvveti gibi gerçek bir kuvvet değil gözlem yapılarak hissedilen bir kuvvettir. Her iki kuvvet de dönen ve ivmeli hareket oluşturan sistemler üzerinde gözlenmektedir. Bu hususta yerçekimi veya manyetik kuvvetler gibi gerçek kuvvetlerden ayrışırlar. Coriolis kuvvetinin büyüklüğü dönme hızı ile, merkezkaç kuvvetinin büyüklüğü ise dönme hızının karesi ile orantılıdır. Ayrıca Coriolis kuvveti cismin hızına bağlıyken merkezkaç kuvveti dönme eksenine olan uzaklığa bağlıdır.
Coriolis Kuvvetinin Sonuçları Nelerdir?
Coriolis etkisi ile oluşan en önemli olaylardan biri olan tropikal rüzgarlar spiral şeklinde meydana gelirler. Kuzey yarımkürede oluşan spirallerin dönüş yönü saat yönünün tersineyken Güney yarımkürede saat yönündedir. Ekvator’da ise hava kütlesinin hareketi ile dünyanın açısal hızı aynı olduğundan herhangi bir spiral oluşmamaktadır. Yani yüksek basınç alanından alçak basınç alanına düz bir esinti olmaktadır.
Tropikal rüzgarların oluşturduğu siklonlar, spiral şeklinde merkezlerine doğru dönen alçak basınçlı sistemlerdir. Siklonun çeperlerinde yani sınır kısımlarında bulunan hava, yüksek basınç pozisyonundadır. Bu sebeple merkeze yani alçak basınç pozisyonuna doğru yayılmaktadır.
Kuzey yarımkürede saat yönünün tersine dönen Nanmadol Tayfunu (solda). Güney yarımkürede saat yönünde dönen Darian Kasırgası (sağda).
Dünyanın kendi ekseni etrafındaki dönüş hızı ekvator bölgesinde yaklaşık 1670 km/h değerindedir. Bu hız diğer gezegenlere göre daha yavaş olduğundan Coriolis kuvveti küçük ölçekte hissedilmemektedir. Dünyanın yavaş dönmesi, Coriolis etkisinin kısa mesafelerde düşük hızlarda görülebilecek kadar güçlü olmadığı anlamına gelir. Jüpiter gibi kendi ekseni etrafındaki dönüş hızı yüksek olan gezegenlerde ise bu etki özellikle rüzgar oluşumlarında belirgin bir şekilde gözlenmektedir. Bu etki Jüpiter’de o kadar belirgindir ki kuzey-güney rüzgarları doğu-batı rüzgarlarına dönüşür. Doğuya doğru esen rüzgarlar ile batıya doğru esen rüzgarlar arasındaki ayrım, gezegendeki bulutlar arasında kuşak şeklinde yatay bölünmeler oluşturur. Hızla hareket eden bu kuşaklar arasındaki sınırlar son derece aktif fırtına bölgeleridir.
Coriolis kuvveti, deniz yüzeyinde oluşan rüzgarların etkisiyle hareket eden okyanus sularını da sapmaya zorlar. Bununla birlikte gökyüzünde yüksek hızla hareket eden cisimlerde de hesaba katılması gereken bir etkidir. Bu sebeple uçakların rotaları düz bir çizgi yerine eğri görünür. Çünkü Dünya’nın dönüşü sırasında hareket eden uçağın konumu değişir. Obüs mermileri ve uzun menzilli füzeler de Dünya’nın dönüşü nedeniyle hedefinden sapar. Örneğin, kuzey yarımkürede doğuya doğru atılan bir top mermisi sağa sapar. Bu nedenle balistik hesaplamalarda Coriolis kuvveti mutlaka dikkate alınır.
Coriolis Etkisi Hangi Durumlarda Hissedilir?
Dönen bir sistem üzerinde oturan bir kişinin karşısındaki kişiye top attığını düşünelim. Topu yakalayacak kişinin yeri dönme etkisinden dolayı değişeceğinden, top alıcının sağına veya soluna düşecektir. Dönen sisteme dışarıdan bakan birisi topun düz gittiğini görecektir. Fakat hareketli referans sistemi içerisindeki iki kişi topun düz gitmediğini, sapmaya uğradığını söyleyecektir. Topun karşı taraftaki kişiye ulaşması isteniyorsa, Coriolis etkisi sebebiyle oluşan sapma hesaplanmalıdır. Buna göre karşıdaki kişinin dönme sonucu geleceği konum hesaplanarak belirlenen doğrultuda top fırlatılmalıdır. Bu örneklerden yola çıkarak uzaya fırlatılan bir uzay aracının, bir füzenin veya bir keskin nişancının ateşlediği fişeğin hedefine tam olarak ulaşabilmesi için de Coriolis kuvveti hesaplanmalı ve sapmalar dikkate alınmalıdır.
Coriolis etkisi, kutuplardan ekvatora doğru gittikçe azalmaktadır. Aynı zamanda bir cisim ne kadar hızlı hareket ederse o kadar fazla sapmaktadır. Bu sebeple uçuş süresi uzun olan mühimmatların veya bir keskin nişancı tarafından ateşlenen fişeğin yörüngesinden saptığı gözlenir. Bir keskin nişancı, ateşleme yapmadan önce Coriolis kuvvetinin yatay ve dikey bileşenlerini dikkate almalıdır. Bu hesaplamalar adedi atış cetvelleri ve balistik tablolar kullanılarak yapılmaktadır. Fişeğin ilk hızı, ağırlığı, rüzgarın yönü ve hızı, hava durumu, sürtünme katsayısı gibi parametreler bu hesaplamalara dahil edilmektedir. Gelişmiş silah sistemleri tüm bu hesaplamaları sahip olduğu yazılımlar sayesinde yapmaktadır.
Şimdi de en çok duyulan fakat kısmen yanlış bilinen bir örnekten bahsedelim. Lavaboya akan suyun Kuzey yarımkürede saat yönünün tersinde ve Güney yarımkürede saat yönünde dönerek akıp gitmesinin sebebi Coriolis kuvveti değildir. Suyun lavabodaki dönme yönü sahip olduğu ilk hareket, musluk açısı, akış hızı gibi parametrelerle ilgilidir. Dünyanın kendi ekseni etrafında dönmesi, suyun lavabodaki dönüş yönünü belirleyecek kadar hissedilir değildir. Çünkü yeterli sıcak-soğuk hava ile alçak-yüksek basınç küçük bir lavaboda bulunmamaktadır. Bu kuvvetin etkisini lavabodaki su üzerinde görmek için diğer dış faktörlerin tamamını ortadan kaldırmanız gerekir.
Rossby Sayısı
Akışkanlar mekaniğinin en önemli konularından olan Navier-Stokes denklemleri, sıvıların veya gazların hareketindeki değişimi onlara etki eden kuvvetlerle ilişkilendirir. Bu denklemlerin henüz kesin bir çözümü olmasa da bazı kabuller yapılarak yaklaşık sonuçlar elde edilmesi mümkündür. Bu çözümlerin sonucunda elde edilen boyutsuz sayılardan biri Rossby sayısıdır. Rossby sayısı, eylemsizlik kuvvetinin Coriolis kuvvetine oranıdır.
Ro=U/fL formülünde U, sistemdeki karakteristik hızı (rüzgar, akıntı vb.), L, hareketin karakteristik uzunluğunu, f ise Coriolis frekansını ifade eder. Coriolis frekansı, f=2Ωsin(ϕ) bağıntısı ile hesaplanır. Burada Ω, dünyanın açısal dönüş hızı (yaklaşık 7.292×10−5 rad/s), ϕ ise derece cinsinden enlemi gösterir.
Düşük basınçlı bir fırtına etrafında oluşan akışlar ve Rossby sayısı ile ilişkisi
Küçük Rossby sayısı (Ro<<1) Coriolis kuvvetinden güçlü bir şekilde etkilenen bir sistemi ifade eder. Büyük Rossby sayısı (Ro>>1) ise merkezkaç kuvvetlerinin baskın olduğu ve Coriolis kuvvetinin ihmal edilecek kadar küçük olduğu bir sistemi belirtir. Örneğin bir kasırga için Rossby sayısı 0.03 ise, lavabodaki su için 3 olabilir. Bu durum, lavabodaki su için Coriolis kuvvetinin ihmal edilebileceğini gösterir. O halde fırtınalardan kaçmak için gidilebilecek en mükemmel yer Coriolis kuvvetinin neredeyse sıfır olduğu ve bu yüzden alçak basıncın oluşmadığı ekvatordur diyebiliriz.
| Olay | U (m/s) | L (m) | Enlem (φ) | f (1/s) | Ro | Açıklamalar |
| Tropikal siklon | 30 | 100.000 | 15° | ≈3.8×10-5 | ≈8 | Coriolis etkisi orta derecede |
| Orta enlem fırtınası | 15 | 1.000.000 | 45° | ≈1×10-4 | ≈0.15 | Coriolis kuvveti baskın |
| Lavabodaki su | 0.01 | 0.1 | 45° | ≈1×10-4 | ≈1 | Coriolis etkisi tek başına baskın değil |
| Okyanus akıntısı | 1 | 500.000 | 30° | ≈7.3×10-5 | ≈0.027 | Coriolis kuvveti çok baskın |
| Kısa mesafeli futbol topu | 20 | 30 | 45° | ≈1×10-4 | ≈6.600 | Coriolis tamamen ihmal edilebilir |
Tavsiye İçerik : Jiroskop Nedir ve Nasıl Çalışır? Kullanım Alanları Nelerdir?
