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Beschleunigte Bezugssysteme

Corioliskraft

1. Beispiel

Von der Mitte einer rotierenden Scheibe wird eine Kugel nach außen gerollt. Je nach Standpunkt des Beobachters gibt es ein anderes Ergebnis.

Ruhender Beobachter

Der außenstehende Beobachter sieht Folgendes:

Der Beobachter erklärt dies so:

Die Scheibe bewegt sich unter der Kugel weg, da sie sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω bewegt. Die Kugel bewegt sich auf gerader Bahn nach außen.

Mitbewegter Beobachter

Der mitrotierende Beobachter sieht etwas Anderes:

Der Beobachter gibt folgende Erklärung ab:

Die Kugel ist nach rechts beschleunigt und erreicht deshalb den anvisierten Punkt nicht. Die Kraft, die diese Beschleunigung bewirkt, ist die so genannte Corioliskraft.

2. Beispiel

Eine weitere interessante Beobachtung kann man beim vorletzten Versuch machen, wenn man statt des Kraftmessers einen Faden verwendet und diesen während der Kreisbewegung durchtrennt.

Ruhender Beobachter

Der außenstehende Beobachter sieht Folgendes:

Er erklärt dieses Verhalten so:

Die Kraft, die den Körper vorher auf der Kreisbahn gehalten hat, fehlt nun. Es wirkt keine Kraft auf die Kugel, deshalb bewegt sie sich mit konstanter Geschwindigkeit tangential zur Kreisbahn weiter.

Mitbewegter Beobachter

Für den mitbewegten Beobachter ergibt sich ein völlig anderes Bild:

Corioliskraft
Die Coriolisbeschleunigung ist a c = 2 ( v × ω ) , und steht senkrecht zur Achse der Kreisbewegung. Hierbei ist ω die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Scheibe rotiert, und v die Geschwindigkeit der Kugel.
Die Corioliskraft ist demnach:
F c = 2 m ( v × ω )
Im vorliegenden Fall ( v ω ) ergibt sich für den Betrag:
F c = 2 m v ω

Für alle Scheinkräfte gelten nur das erste und das zweite Newton'sche Gesetz. Die Gegenkraft aus dem dritten Newton'schen Gesetz fehlt. Scheinkräfte treten nur in beschleunigten Bezugssystemen auf, so z.B. in einem Auto beim Anfahren, Bremsen und der Kurvenfahrt.

Auch die Erde ist ein beschleunigtes Bezugssystem und kein Inertialsystem. Das hat Foucault in seinem Pendelversuch nachgewiesen:

Zu Beginn verwendete Foucault ein Pendel mit einem Draht von 2 m Länge und eine Kugel von 5 kg Masse. Die große Vorführung fand im Pantheon in Paris statt. Hierfür verwendete er ein Pendel mit einem Stahldraht von 67 m Länge (1,4 mm Durchmesser) und einer Kugel der Masse 28 kg.

Das Pendel wurde durch Abbrennen eines Fadens genau in der Vertikalebene - also ohne seitliche Stöße - zum Schwingen gebracht. Und für die meisten Besucher war es erstaunlich, dass sich die Schwingungsebene des Pendels im Verlaufe der Zeit immer mehr drehte und es in seinem Maximalausschlag immer andere Marken des Bodenkreises erreichte. Pro 10 Minuten wanderte die Schwingungsrichtung um etwa 2°. Bei jeder Schwingung war auf der Peripherie des Bodenkreises eine Abweichung gegenüber der vorigen um 2,3 mm zu beobachten.

In der Erdrotation liegt deshalb auch die Erklärung für die so genannten Passatwinde.

Auf der Nordhalbkugel liegt wegen der Corioliskraft eine Rechtsabweichung bei Strömungen und Winden vor:

Entsprechend gibt es auf der Südhalbkugel eine Linksablenkung:

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