Le prove della rotazione terrestre: da Guglielmini, Coriolis e Focault ai giorni nostri

La Terra ruota su se stessa intorno ad un asse immaginario, detto asse di rotazione, che passa per i poli. E’ un moto uniforme, che avviene da ovest verso est, cioè in senso antiorario. La velocità angolare della Terra, dovendo essa descrivere ogni giorno un angolo di 360° attorno al proprio asse, è costante. Ciascun punto della superficie terrestre, invece, percorre in un giorno una circonferenza che è più o meno lunga a seconda della latitudine, con una velocità lineare diversa. L’intervallo di tempo per compiere una rotazione completa viene chiamato giorno. 

GIORNO SOLARE E GIORNO SIDEREO   

La durata del giorno sidereo ha un valore minore rispetto a quella del giorno solare. I due intervalli di tempo non coincidono e la loro differenza è variabile, perché bisogna tener conto anche della rivoluzione intorno al Sole. Questo spostamento non è apprezzabile quanto un punto di riferimento è una stella fissa, per cui si può ritenere che il giorno sidereo corrisponda esattamente al tempo che il nostro pianeta impiega per compiere una rotazione completa. 

Rispetto al Sole invece lo spostamento non è trascurabile ed è necessario un intervallo di tempo maggiore. Il giorno solare è quindi più lungo in media di 4 minuti. La durata del giorno solare vero non è costante durante l’anno a causa dell’eccentricità dell’orbita terrestre. Ciò la rende variabile di qualche secondo nel corso dell’anno.   

PROVE E CONSEGUENZE

L’esistenza del moto di rotazione terrestre è spesso comprovata da esperienze fisiche e dall’osservazione di fenomeni specifici. Tutta una serie di conseguenze del moto di rotazione possono cioè assumere anche il valore di prove del movimento stesso, e viceversa. 

Tracce stellari nella fotografia astronomica

La fisica ci insegna che sui corpi che ruotano agiscono delle forze: quella centrifuga, per esempio. Se la Terra ruota intorno al proprio asse, ogni corpo libero sulla sua superficie è soggetto ad una forza centrifuga perpendiclare all’asse di rotazione, diretta verso l’esterno. Questa forza (F) è direttamente proporzionale alla massa della Terra (m), al quadrato della sua velocità angolare (ω) ed alla distanza del corpo dall’asse di rotazione (R). Tutto ciò è espresso dalla formula: 

  F = m ω² r

La forza centrifuga è nulla ai poli, poiché sono situati proprio sull’asse di rotazione (R=0), ed è massima all’equatore. La forza centrifuga diretta verso l’esterno, si oppone all’azione della forza di gravità, che è diretta verso il centro della Terra. La stessa accelerazione di gravità è la risultante di queste due forze: essa ha il massimo valore ai poli ed è minima all’equatore. Il rigonfiamento equatoriale della Terra è una conseguenza della forza centrifuga provocata appunto dalla rotazione terrestre, in contrasto con la forza centripeta dell’attrazione gravitazionale. 

L’ESPERIENZA DI FOCAULT    

Nel 1851 il fisico Focault, per dimostrare che la Terra ruota intorno al proprio asse, appese alla volta del Pantheon di Parigi un pendolo molto lungo e, perciò, dotato di oscillazioni molto lente. In alto il pendolo era gollegato ad un perno girevole pressoché privo di attrito, in basso la punta sfiorava uno straterello di sabbia sparsa sul pavimento, imprimendovi una traccia.

Pendolo di Focault: immagine esemplificativa

Dopo un certo tempo fu facile constatare che la punta del pendolo non ripassava mai nel solco tracciato durante una delle oscillazioni precedenti, ma tracciava nuovi solchi, come se il piano di oscillazione ruotasse da est verso ovest rispetto al suolo.

Tenendo presente che il piano di oscillazione del pendolo non si sposta, se ne deve dedurre che è il suolo a spostarsi, da ovest verso est. Se l’esperienza fosse stata compiuta ai poli la traccia del pendolo avrebbe compiuto nelle 24 ore una circonferenza completa; all’equatore invece il pendolo non può ruotare poiché il piano dell’orizzonte è parallelo all’asse di rotazione; a latitudini intermedie il piano di oscillazione del pendolo si comporta in modo intermedio tra queste due situazioni estreme. 

IL GIORNO SI ALTERNA ALLA NOTTE   

La Terra in ogni suo punto è divisa in due zone: una buia e una illuminata dal Sole, separata da una zona detta circolo di illuminazione. Il giorno dura tutto il tempo che una determinata località ruota nella metà della sfera illuminata dalla nstra stella; la notte dura il resto delle 24 ore. Il Sole illumina però sempre un po’ di pi della metà della Terra, perché l’atmosfera che la circonda, grazie alla rifrazione e diffusione della luce, fa si che il limite tra la zona buia e la zona illuminata non sia una linea retta, ma tutta una fascia in cui la luminosità si fa sempre più tenue. 

IL MOVIMENTO APPARENTE DEL SOLE 

Il Sole sembra sorgere ad est, raggiungere la massima altezza sull’orizzonte a sud, tramontare ad ovest, passare sull’antimeridiano, per tornare di nuovo a sorgere ad oriente il giorno dopo. Questo interessa anche tutti gli altri astri e la sfera celeste; in realtà tale spostamento è apparente ed è provocato dal moto di rotazione della Terra. 

L’ESPERIENZA DI GUGLIELMINI (1791)

Sempre dalla fisica sappiamo, che un grave sospeso ad un filo assume come posizione di equilibrio la direzione verticale. Se, invece, un grave è libero di cadere, ad esempio, dalla sommità di una torre esso non cade seguendo la verticale, ma si sposta verso est. Questo fenomeno è stato dimostrato con un semplice esperimento da Guglielmini nel 1791 a Bologna. 

Se la Terra fosse ferma, il grave sarebbe soggetto alla sola forza di gravità e cadrebbe secondo la verticale che conduce al centro della Terra. Ma poiché la Terra si muove ruotando intorno al proprio asse, ogni corpo in caduta libera tende a mantenere la sua velocità lineare di rotazione iniziale. Tale velocità ha direzione orizzontale ed è data dal numero di metri che ogni corpo percorre trascinato dal movimento di rotazione della Terra. Ovviamente la velocità lineare di rotazione aumenta con la distanza dell’asse di rotazione ed un corpo che si trova alla sommità di una torre si sposta da ovest ad est più velocemente di un corpo situato alla base, dal momento che la sommità si trova ad una distanza maggiore dall’asse di rotazione terrestre. 

La velocità lineare di spostamento, quindi l’entità dello spostamento dalla verticale, non dipende soltanto dall’altezza sulla superficie terrestre, ma anche dalla latitudine: è massima all’equatore, è nulla ai poli; a 45° di latitudine, la deviazione per una caduta di 50 m è di soli 5 mm.  

L’EFFETTO CORIOLIS E LA LEGGE DI FERREL

L’aria in movimento nell’atmosfera non segue percorsi rettilinei. Per effetto della rotazione terrestre e della conseguente diversità lineare alle varie latitudini, ogni corpo o massa che si muova liberamente dall’equatore ai poli, subisce una deviazione dalla sua direzione iniziale. Il fenomeno, che prende il nome di Forza di Coriolis, si spiega col fatto che un corpo mobile che si sposta dalla zona equatoriale verso quella polare, incontra punti che hanno una velocità lineare sempre minore. Ma, poiché, per inerzia, il corpo tende a conservare la velocità lineare iniziale, lungo la sua traiettoria, risulta in anticipo rispetto ai punti della superficie che incontra, per cui subisce una deviazione verso est.

Viceversa, quando un corpo mobile si sposta dalle zone polari verso quelle equatoriali, incontra punti che si muovono con velocità sempre maggiore, per cui si trova in ritardo e subisce una deviazione verso ovest. Il valore della “deriva” dipende innanzitutto dalla latitudine, ma è tanto più elevato quanto maggiore è la velocità del corpo in movimento.

L’effetto Coriolis, descritto per la prima volta in maniera dettagliata dal fisico francese Gaspard Gustave de Coriolis nel 1835, ha una notevole influenza sulla direzione della circolazione atmosferica e dei grandi circuiti oceanici. Subiscono l’effetto Coriolis anche i proiettili a lunga gittata, i missili, le navi, gli aerei, le correnti fluviali, ecc. Ha inoltre un effetto determinante sulla meteorologia, dal momento che influisce sui venti, sulla formazione e rotazione delle tempeste e su quella che viene definita la spirale di Ekman (la direzione delle correnti oceaniche). 

Tale fenomeno spiega la direzione di moto dei sistemi meteorologici: nell’emisfero settentrionale un sistema di bassa pressione ruota in senso antiorario, mentre un sistema di alta pressione ruota in senso orario. Viceversa nell’emisfero meridionale.

L’effetto, invece, non si verifica se il corpo mobile si muove lungo un parallelo, perché essendo tutti i punti che il corpo incontra situati alla stessa latitudine, hanno la stessa velocità lineare. Inoltre, non agisce sull’Equatore, ed è massima ai Poli. Non bisogna però dimenticare che lo spostamento del corpo in movimento è solo relativo, perché in effetti è la Terra che si sposta sotto il corpo ed è per questo motivo che la forza di Coriolis è una forza fittizia.

Questo spostamento, conseguenza della rotazione terrestre, è stato codificato in geografia dalla legge di Ferrel: ogni corpo libero di muoversi alla superficie terrestre in una direzione diversa da quella rappresentata dai paralleli, viene deviato verso la sua destra nell’emisfero boreale e verso la sua sinistra nell’emisfero australe.

RICAPITOLANDO

LE PROVE

• Forza centrifuga 
• schiacciamento ai poli
• diversa accelerazione di gravità a latitudini diverse
• esperienza di Focault

CONSEGUENZE

• Alternanza luce/buio
• moto apparente del Sole
• forza di Coriolis
• deviazione dalla verticale dei corpi che cadono 

VELOCITA’

• 1600 Km/h al’equatore
• 0 Km/h ai Poli