Corioliskraft und foucaultsches Pendel

Corioliskraft und foucaultsches Pendel Übung

• Fasse dein Wissen über Bezugssysteme zusammen.

  Tipps

  In Inertialsystemen gilt das erste Newtonsche Gesetz, das Trägheitsprinzip.

  Beispiele für rotierende Bezugssystem sind beispielsweise eine drehende Scheibe oder die sich um ihre Achse drehende Erde.

  Lösung

  In Inertialsystemen bewegen sich Körper ohne den Einfluss von äußeren Kräften geradlinig gleichförmig oder sie ruhen. Das liegt an der Trägheit der Körper, die einer Änderung des Bewegungszustandes einen Widerstand entgegensetzt (1. Newtonsches Axiom). Inertialsysteme bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit.

  Demgegenüber stehen die Bezugssysteme, die beschleunigt werden. Dazu gehören beispielsweise alle kleinen und großen rotierenden Körper, von der Drehscheibe bis zur Erde selbst. In beschleunigten Bezugssystemen treten Scheinkräfte auf.

  Beim rotierenden Bezugssystem gibt es zwei Scheinkräfte. Die Zentrifugalkraft wirkt auf alle Körper in rotierenden Bezugssystemen. Die Corioliskraft wirkt hingegen nur auf Körper, die sich relativ zum rotierenden Bezugssystem bewegen.

• Trage die wichtigsten Informationen zum Foucaultschen Pendel zusammen.

  Tipps

  Was kann man wie mit Hilfe des Foucaultschen Pendels nachweisen?

  Lösung

  Ein Foucaultschen Pendel ist ein langes Fadenpendel, das beispielsweise an der Decke eines sehr hohen Gebäudes aufgehängt ist. Unter dem Pendel befindet sich ein Kreis mit Markierungen der Himmelsrichtungen. Damit lässt sich die Rotation der Erde um ihre Achse nachweisen.

  Dies geschieht durch den Nachweis der Corioliskraft: Der Pendelkörper bewegt sich relativ zum Bezugssystem Erde. Im Laufe eines Tages umwandert die Schwingungsebene des Pendels einmal den gesamten Kreis und kehrt in ihre ursprüngliche Auslenkungsebene zurück. Die Änderung seiner Schwingungsebene kann nur durch eine wirkende Scheinkraft, die Corioliskraft, erklärt werden. Damit befindet sich das Pendel in einem rotierenden Bezugssystem. Die Erde dreht sich folglich um ihre eigene Achse.

  Im Bezugssystem Erde ändert sich die Schwingungsebene des Pendels. Vom Weltall aus betrachtet schwingt das Pendel jedoch beständig in der Ebene, in der es ausgelenkt wurde. Die Erde dreht sich quasi unter dem Pendel hindurch.

• Erkläre, in welche Himmelsrichtung die Luftmassen durch die Corioliskraft abgelenkt werden.

  Tipps

  In welche Richtung werden Körper ausgehend von ihrer Bewegungsrichtung auf der Nordhalbkugel durch die Corioliskraft abgelenkt?

  Ziehe die Bewegungsrichtung der Luftmassen anhand des Kommpassbildes und eventuell einer Zeichnung nach.

  Lösung

  Auf der Nordhalbkugel bewirkt die Corioliskraft eine Ablenkung der Luftmassen nach rechts.

  Luftmassen aus dem Süden werden noch Osten abgelenkt, Luftmassen aus dem Osten nach Norden, Luftmassen aus dem Norden nach Westen und Luftmassen aus dem Westen nach Süden.

  Da sich Luftmassen über weite Strecken bewegen können, ist dieser Effekt gut nachweisbar. Bei Körpern, die sich nur über kleine Strecken relativ zur Erdoberfläche bewegen, tritt die Corioliskraft zwar auch auf, sie ist aber sehr gering.

• Begründe, auf welcher Halbkugel sich die Forscher jeweils befinden.

  Tipps

  In welche Richtung lenkt die Corioliskraft die Wasserströmungen auf der Nord- und der Südhalbkugel jeweils ab?

  Lösung

  Mit Hilfe der Himmelsrichtungen lässt sich erschließen, ob die Meeresströmung nach rechts oder links abgelenkt wird. Aus der Ablenkungsrichtung der Meeresströmungen kann man dann auf den Ort der Messung schließen: Wurde sie nach rechts abgelenkt, so befindet sich die Meeresströmung auf der Nordhalbkugel. Wurde sie hingegen nach links abgelenkt, so befindet sie sich auf der Südhalbkugel.

  Natürlich haben noch eine Vielzahl von anderen Faktoren einen Einfluss auf die Strömungsrichtung in Meeren. Die Corioliskraft wirkt aber meist deutlich mit, da Meeresströmungen sich über weite Strecken relativ zum Bezugssystem der rotierenden Erde bewegen. Keinen Einfluss auf die Strömungsrichtung hat die Corioliskraft hingegen bei den üblichen Wasserabflüssen von Waschbecken und Badewanne: In welche Richtung der Wasserstrudel fließt, hängt entgegen der weit verbreiteten Meinung nicht davon ab, auf welcher Halbkugel man sich befindet. Der Einfluss der Corioliskraft ist bei diesen minimalen Bewegungen viel zu gering.

• Gib an, welche Gestalt Tiefdruckgebiete in der nördlichen Hemisphäre annehmen.

  Tipps

  Bei einem Tiefdruckgebiet strömen Luftmassen von allen Seiten auf ein Zentrum zu.

  Dabei werden sie von der Corioliskraft abgelenkt. In welche Richtung auf der Nordhalbkugel?

  Welche Form und Drehrichtung ergibt sich daraus für die Luftmassen?

  Lösung

  Auf der Nordhalbkugel wirkt die Corioliskraft in Bewegungsrichtung nach rechts. Das bewirkt bei einem Tiefdruckgebiet eine Wolkenspirale, die sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

  Das kann man sich so vorstellen: Die Luftmassen strömen von außen alle auf das Zentrum des Tiefdruckgebietes zu. Würde keine Corioliskraft wirken, so würden sich die Wolken alle geradlinig auf das Zentrum zubewegen und sich dort treffen. Durch die Corioliskraft werden sie aber auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt. Sie nähern sich dem Zentrum ein Stückchen an und werden dabei ein Stück nach rechts verschoben. Dann streben sie wieder Richtung Zentrum und werden dabei wieder ein Stück nach rechts verschoben und so weiter. Insgesamt ergibt sich somit eine Spiralbahn gegen den Uhrzeigersinn.

• Leite ab, welches Aussehen ein Hochdruckgebiet auf der Südhalbkugel besitzt.

  Tipps

  In welche Richtungen strömt Luft bei einem Hochdruckgebiet?

  Wie beeinflusst die Corioliskraft die Bewegung der Luftströmungen?

  Lösung

  Auf der Südhalbkugel wirkt die Corioliskraft in Bewegungsrichtung nach links. Das bewirkt bei einem Hochdruckgebiet eine Wolkenspirale, die sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Auf der Nordhalbkugel ist es genau umgekehrt.

  Das kann man sich so vorstellen: Die Luftmassen strömen vom Zentrum des Hochdruckgebietes in alle Richtungen nach außen. Würde keine Corioliskraft wirken, so würden sich die Wolken alle geradlinig nach außen bewegen und eine Art Strahlstern bilden. Durch die Corioliskraft werden sie aber auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt. Sie verlassen das Zentrum ein Stückchen und werden dabei ein Stück nach links verschoben. Dann streben sie wieder ein Stück vom Zentrum weg und werden dabei wieder ein Stück nach links verschoben und so weiter. Insgesamt ergibt sich somit eine Spiralbahn gegen den Uhrzeigersinn.

  Damit entspricht ein Hochdruckgebiet auf der Südhalbkugel vom Aussehen her einem Tiefdruckgebiet auf der Nordhalbkugel. Das liegt daran, dass die entgegengesetzte Wirkung der Corioliskraft auf beiden Halbkugeln durch die entgegengerichtete Bewegung der Luftmassen (Einströmen beziehungsweise Ausströmen von Luft) kompensiert wird.