Deviazione verso est

La deflessione verso est è un fenomeno fisico corrispondente al fatto che un corpo in caduta libera non segue esattamente la direzione della gravità , ma viene leggermente deviato verso est dalla forza di Coriolis risultante dalla rotazione terrestre. Dalla fine del XVIII °  secolo , questo fenomeno ha dato luogo a diversi esperimenti per essere messo in evidenza, in particolare quelle di Ferdinand Reich nel 1831. Reich bussato proiettili in un pozzo 158 metri di profondità a Freiberg (Sassonia) . Osservò una deviazione di 28  mm verso est.

Questa rotazione verso est è correlata alla direzione di rotazione della Terra. Su una stella che ruota nella direzione opposta, la deviazione sarebbe verso ovest.

Storia

La deviazione verso est fu prevista - pare per la prima volta - da Newton in una lettera a Hooke del 28 novembre 1679 (8 dicembre 1679nel calendario gregoriano ). Per dirla semplicemente, prendiamo il caso equatoriale. Nota che il punto A aveva una velocità Ω · (R + h ), dove è la velocità di rotazione della Terra, R il suo raggio, h l'altezza dal suolo. Questa velocità è maggiore della velocità del punto O sul terreno sulla verticale discendente A . Questa differenza di velocità corrisponde a una piccola velocità verso est di Ω · h , quindi la deviazione è verso est. È dato da 2/3 Ω · h · T 0 , dove T 0 è il tempo di decadimento, il coefficiente 2/3 non può essere determinato da questa spiegazione rudimentale.

È con difficoltà che è dimostrato da esperimenti: in 1790-1791di padre Guglielmini (1760-1817); nel1794-1795di Tadini (1754-1830); poi in1802-1804di Benzenberg (1777-1846). Nel1803, Lapà (1749-1827) e Gauss (1777-1855) ottengono, indipendentemente l'una dall'altra, l'espressione matematica della deviazione verso est. Gli esperimenti di Reich in1831sono considerate prove della deviazione, sebbene l'incertezza delle misurazioni sia molto maggiore della deviazione stessa. Essi sono stati confermati all'inizio del XX °  secolo da Sala (1855-1938) nel 1902e da Flammarion (1842-1925) nel 1903. L'esistenza della deviazione è verificata da1912da Hagen  (en) e l'anno successivo da Gianfrancheschi  (de) , entrambi utilizzando una macchina Atwood .

Importanza

L'esistenza di questo fenomeno dimostra, come l'esperimento del pendolo di Foucault , che la Terra gira su se stessa in un sistema di riferimento galileiano , senza ricorrere alla minima osservazione astronomica. Verificare la coerenza dei risultati osservati con le previsioni teoriche fornite dalla meccanica newtoniana è stata una sfida sperimentale.

Formula di deviazione est

Espressione

La formula della deviazione verso est è una forma semplificata della rappresentazione vettoriale descritta nei paragrafi seguenti. Permette di calcolare la deviazione verso est di un corpo in caduta libera in un quadro di riferimento terrestre. Questa deviazione è spiegata dalla presenza della forza di Coriolis che compare nelle equazioni del moto, perché la Terra che ruota su se stessa non è un punto di riferimento galileiano .

La lunghezza di questa deviazione è data dalla formula approssimativa:

,

o :

La deviazione verso est è massima all'equatore ed è zero al Polo Nord come al Polo Sud .

Equazione rigorosa

La forza di Coriolis ha per espressione:

,

o :

Poiché il vettore è parallelo (collineare) all'asse di rotazione della Terra, diretto a nord e orientato verso il centro della Terra, il prodotto vettoriale risultante è orientato verso est (quando invertito). Questa forza dipende dalla latitudine dell'oggetto, dalla sua massa e dalla sua velocità di caduta.

La velocità del corpo in caduta libera è , dove A è il punto di origine, un sistema di riferimento rotante collegato alla superficie della Terra.

Il principio fondamentale della dinamica permette di scrivere l'accelerazione come la somma della forza di attrazione della Terra e della forza di Coriolis:

,

dove è il vettore di accelerazione di gravità diretto lungo la verticale discendente.

Risoluzione

Integriamo una volta per trovare la velocità:

,

Si assume quindi che l'accelerazione di gravità g sia costante. Il modello utilizzato presuppone un'altezza di caduta non troppo grande e quindi anche un tempo di caduta non troppo grande. La costante di integrazione è nulla perché la velocità iniziale è nulla.

Otteniamo così un sistema differenziale lineare , che è quindi matematicamente solubile in modo esatto, la cui soluzione è:

Dimostrazione

Scomponiamo nella base (non ortonormale) e denotiamo ( a , b , c ) le componenti. Tenendo conto del fatto che , il sistema da risolvere si scrive:

Lo deduciamo . La soluzione generale di questa equazione differenziale del secondo ordine è . Deduciamo che:

Sapendo questo , abbiamo e quindi:

Infine, e dai :

Essendo la soluzione valida solo per piccoli valori di t , si possono calcolare espansioni limitate di ciascun termine. Il primo termine è equivalente a per piccoli valori di t , che corrisponde al moto di caduta libera senza forza di Coriolis. Il secondo è equivalente a quello che dà la deviazione verso est osservata. L'ultimo termine è equivalente alla cui proiezione sul meridiano dà un'ulteriore deviazione verso l'equatore.

Tuttavia, in genere si preferisce determinare questi termini aggiuntivi esprimendo una soluzione approssimata con il metodo perturbativo  : prima si risolve l'equazione senza la forza di Coriolis, poi si aggiunge una forza di Coriolis derivante dalla soluzione precedente per ottenere una prima correzione che dia la deviazione verso est, quindi questa soluzione corretta viene reiniettata per ottenere una seconda correzione dando una deviazione verso l'equatore. Per questo, si introduce la deviazione rispetto alla caduta libera senza forza di Coriolis.

L'integrazione dell'equazione trovata in precedenza dà l'espressione della deviazione: (che svanisce all'origine A).

Approssimazione del primo ordine

Essendo la deviazione verso est piccola rispetto alla deviazione dovuta alla gravità, prendiamo come approssimazione:

,

quindi il risultato:

che vale se D è piccolo rispetto all'altezza di caduta h , cioè per T 0 (tempo di caduta) piccolo rispetto a T = 86 164 s (periodo siderale):

oppure, in valore assoluto:

Approssimazione del secondo ordine

Se ora prendiamo: per calcolare la deviazione , compare un altro termine, ancora più debole, che dà una deviazione a sud nell'emisfero nord, ea nord nell'emisfero sud: è uguale a un valore assoluto .

complementi

Esperienze

Note e riferimenti

Appunti

  1. Dalla cima della torre degli Asinelli a Bologna .
  2. Dalla cima della torre della chiesa di San Michele ad Amburgo .
  3. In una torre a Harvard .
  4. Con sfere d'acciaio cadute dalla sommità della cupola del Pantheon di Parigi .

Riferimenti

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Vedi anche

Bibliografia

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Altro
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  • Richard Taillet , "  Caduta libera, storia di una deviazione  ", Pour la Science , n o  505,novembre 2019, pag.  74-79

Articoli Correlati

link esterno

  • [Chamaraux e Clusel 2002] François Chamaraux e Maxime Clusel , “  La misteriosa “forza di Coriolis ”  ”, Planète-Terre , ENS Lyon ,1 ° maggio 2002, sv deviazione verso est ( leggi online ).
  • [Persson 2015] Anders Persson ( tradotto  dall'inglese da Alexandre Moatti ), “  La prova della rotazione terrestre misurando la deviazione degli oggetti che cadono in un pozzo di una miniera: una competizione matematica franco-tedesca tra Pierre-Simon de Laplace e Friedrich Gauß (1803)  "[" Dimostrare che la Terra ruota misurando la deflessione di oggetti caduti in una profonda miniera: la contesa matematica franco-tedesca tra Pierre Simon de Laplace e Friedrich Gauß (1803) ”], Bibnum , CERIMES ,1 ° marzo 2015, 22  pag. ( riassunto , leggi online ).