Corioliskraft

Ohne den Golfstrom gäbe es in Europa Temperaturen wie in Sibirien. Aber wie kommt das Wasser von Mittelamerika nach Europa? Dafür ist die Corioliskraft verantwortlich!

Was ist die Corioliskraft und wie beeinflusst sie unseren Alltag?

simpleclub erklärt es dir!

Corioliskraft einfach erklärt

Die Corioliskraft \overrightarrow F_C$\overrightarrow F_C$ ist eine Scheinkraft, sie ist also nicht real. Sie wirkt auf alle Körper, die sich in einem rotierenden System befinden. Diese rotierenden Systeme sind zum Beispiel eine Drehscheibe und die Erde. Die Corioliskraft ist für die scheinbare Ablenkung der Bewegungsbahnen von Körpern verantwortlich.

Die Ursache für die Corioliskraft sind unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten des rotierenden Systems.

Folgende Phänomene auf der Erde sind auf die Corioliskraft zurückzuführen:

• Passatwinde
• Golfstrom
• Bewegungsrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten

Corioliskraft Definition

Corioliskraft Experiment

Experiment 1: Wurf in ruhendem System

\fcolorbox{white}{grey}{F}$\fcolorbox{white}{grey}{F}$ Frage:

Wie bewegt sich ein Körper, wenn er in einem ruhenden System gerade nach vorn geworfen wird?

\fcolorbox{white}{grey}{D}$\fcolorbox{white}{grey}{D}$ Durchführung:

Du stehst in der Mitte einer großen Scheibe. Diese Scheibe steht still. Du hast einen Pfeil in der Hand. Diesen wirfst du mit Druck gerade nach vorn.

\fcolorbox{white}{grey}{B}$\fcolorbox{white}{grey}{B}$ Beobachtung:

Der Pfeil fliegt gerade nach vorn und macht dabei keine Kurve nach links oder rechts.
\rarr$\rarr$ Der Pfeil macht also eine geradlinige Bewegung.

Experiment 2: Wurf in rotierendem System

\fcolorbox{white}{grey}{F}$\fcolorbox{white}{grey}{F}$ Frage:

Wie bewegt sich ein Körper, wenn er in einem rotierenden System gerade nach vorn geworfen wird?

\fcolorbox{white}{grey}{D}$\fcolorbox{white}{grey}{D}$ Durchführung:

Du stehst wieder auf der großen Scheibe. Dieses Mal dreht sich die Scheibe aber im Kreis.
Du hast wieder einen Pfeil in der Hand. Diesen wirfst du mit Druck gerade nach vorn.

\fcolorbox{white}{grey}{B}$\fcolorbox{white}{grey}{B}$ Beobachtung:

Du hast dich selbst auf der Scheibe gedreht. Die Umgebung ist also an dir vorbeigezogen.
Nach dem Loswerfen des Pfeils ist der Pfeil in einer Kurve geflogen. Nach kurzer Zeit konntest du den Pfeil nicht mehr sehen.

\fcolorbox{white}{grey}{E}$\fcolorbox{white}{grey}{E}$ Erklärung

Du hast gesehen, dass der Pfeil, wenn sich die Scheibe nicht dreht, eine geradlinige Bewegung macht. Wenn sich die Scheibe aber dreht, macht der Pfeil eine Kurve.

Damit der Pfeil diese Kurve machen kann, muss auf den Pfeil eine Kraft wirken. Nur so kann der Pfeil eine Kurve machen.

\rightarrow$\rightarrow$ Diese Kraft ist die Corioliskraft!

Corioliskraft Erklärung

Die Corioliskraft bewirkt eine scheinbare Ablenkung der Flugbahn eines Körpers. Diese Ablenkung findet nur in rotierenden Systemen statt.

Geschwindigkeitsunterschiede im rotierenden System

Ein rotierendes System hat immer eine Drehachse. Um diese Drehachse dreht sich das ganze System.
Das rotierende System (der Körper) hat außerdem überall am Körper einen anderen Umfang. Der Körper ist an manchen Stellen nämlich breiter und größer als an anderen Stellen.

Schauen wir uns nun die Scheibe aus dem Experiment an.
Die Drehachse ist genau im Mittelpunkt der Scheibe. Stell dir vor, du ziehst vom Mittelpunkt aus eine Gerade nach außen zum Rand der Drehscheibe.

Es gilt:

• Jeder Punkt auf dieser Geraden braucht für eine Umdrehung gleich lang.
• Die Punkte weiter außen müssen einen viel größeren Weg zurücklegen als die Punkte weiter innen.

\rightarrow$\rightarrow$ Die Punkte weiter außen haben eine höhere Drehgeschwindigkeit.

Für die Drehscheibe gelten zum Beispiel folgende Drehgeschwindigkeiten:

Drehimpuls

Jeder Körper in einem rotierenden System hat eine Drehgeschwindigkeit und eine Masse. Außerdem besitzt er einen bestimmten Abstand zur Drehachse.
Das Zusammenspiel dieser drei Größen ist der Drehimpuls.
\rarr$\rarr$ Jeder rotierende Körper hat also einen Drehimpuls.

Ein Drehmoment ist definiert über die außen angreifende Kraft, und den Radius, mit dem der Angriffspunkt der Kraft vom Drehpunkt entfernt ist.

Einheit:

Drehimpulserhaltungssatz

Wirkung von Drehgeschwindigkeiten und Drehimpulserhaltung

Der Pfeil, den du im Mittelpunkt der rotierenden Drehscheibe in deiner Hand hältst, hat einen sehr kleinen Drehimpuls. Der Grund dafür ist, dass die Drehgeschwindigkeit des Pfeils und der Radius am Mittelpunkt sehr klein ist.

\rightarrow$\rightarrow$ Diesen kleinen Drehimpuls will der Pfeli aufrecht erhalten!

Wenn der Pfeil sich nun nach außen bewegt, dreht sich die Scheibe außen schneller als der Ball selbst. Der Pfeil ändert aufgrund der Drehimpulserhaltung seine Geschwindigkeit nicht (wenn man den Radius erstmal nicht beachtet).

Von oben betrachtet macht der Pfeil eine geradlinige Bewegung. Von innen, also von der Drehscheibe aus, aber nicht.

• Du drehst dich auf der Scheibe weiter.
  \rightarrow$\rightarrow$ Der Pfeil bewegt sich langsam aus deinem Sichtfeld.\rightarrow$\rightarrow$ Es wirkt, als würde der Pfeil eine Kurve fliegen.

Aber: Der Pfeil fliegt in Wirklichkeit gar keine Kurve! Es sieht für dich von Innen nur so aus, weil du dich mit einer anderen Geschwindigkeit drehst als der Pfeil!

Der Radius, also der Abstand des Körpers zur Drehachse, hat auch einen Einfluss auf den Drehimpuls.

• Der Körper (Ball) bewegt sich weg von der Drehachse

\rightarrow$\rightarrow$ r$r$ wird größer**
\rightarrow$\rightarrow$ \overrightarrow v$\overrightarrow v$ muss kleiner werden (da Drehimpulserhaltung)

\rightarrow$\rightarrow$ Scheinbare Ablenkung der Bewegungsbahn wird nochmal verstärkt

Corioliskraft und das erste Newtonsche Gesetz

Wir gehen nun von der Betrachtung des Wurfes von Innen aus. Wir gehen also davon aus, dass der Pfeil eine Kurve macht.

Damit der Pfeil also die Kurve in seiner Flugbahn machen kann, muss eine Kraft auf ihn wirken. Die Kraft lenkt den Pfeil ab.

\rightarrow$\rightarrow$ Genau diese Kraft, die den Pfeil ablenkt, ist die Corioliskraft!

Corioliskraft als Scheinkraft

Es sieht also nur für den inneren Beobachter so aus, als würde der Pfeil eine Kurve machen. Für einen Beobachter von außen (Beispielsweise von oben) macht der Pfeil keine Kurve. Das entspricht auch der Realität!

\rightarrow$\rightarrow$ Der Ball macht in Realität keine Kurve.

\rightarrow$\rightarrow$ Der Ball wird nicht abgelenkt.

\rightarrow$\rightarrow$ Es gibt keine Kraft, die den Ball ablenkt.

\rightarrow$\rightarrow$ Es gibt die Corioliskraft gar nicht.

Es scheint also nur für den inneren Betrachter so, als würde es die Corioliskraft geben.
Die Corioliskraft ist eine sogenannte Scheinkraft, weil es sie in Wirklichkeit nicht gibt.

Corioliskraft Wirkung auf den Alltag

In den folgenden Beispielen gehen wir davon aus, dass wir uns auf der Erde befinden. Wir sind also Beobachter von innen. Wir sehen also die Wirkung der Corioliskraft. Denk aber immer daran, dass es nur so scheint, als würde es die Corioliskraft geben!

Die Corioliskraft beeinflusst unseren Alltag nur unbewusst. Sie ist immer da, denn: Die Erde ist eine rotierende Kugel.

Damit hat die Erde auch an jedem Breitengrad eine andere Drehgeschwindigkeit.

Steinschleuder

Wir schauen uns das Ganze erst an einem einfachen Beispiel an.

Jan steht mit einer Steinschleuder am Äquator. Er ist, von der West-Ost-Ausrichtung her, etwa auf der Höhe von Köln. Jan schießt nun einen Stein genau in Richtung Norden, also genau auf Köln.

Angenommen, die Erde würde sich nicht drehen. Dann würde der Stein genau in Köln ankommen.
Aber was passiert, wenn sich die Erde dreht?
Der Stein bewegt sich mit der gleichen Drehgeschwindigkeit nach Osten, wie die Erde am Äquator selbst auch. Mit dieser Drehgeschwindigkeit fliegt der Stein nach Norden.Er hält diese die ganze Zeit aufrecht (aufgrund der Impulserhaltung).

\rightarrow$\rightarrow$ Die Drehgeschwindigkeit ist viel höher als die der Erde auf der Höhe von Köln.

Wo würde der Stein aufkommen?
Der Stein legt einen größeren Weg nach Osten zurück als Köln. Deshalb kommt der Stein nicht in Köln an, sondern weiter östlich. Möglicherweise in Dresden.

Aus dem Weltall, also von außen, betrachtet, macht der Stein eine geradlinige Bewegung nach Norden. Nur von der Erde aus, also von innen, mach der Stein scheinbar eine Kurve.

Bewegung von Hoch- und Tiefdruckgebieten

Durch unterschiedliche Sonneneinstrahlungen erwärmt sich die Luft an unterschiedlichen Orten unterschiedlich stark.

\rightarrow$\rightarrow$ Warme Luft erzeugt ein Tiefdruckgebiet

\rightarrow$\rightarrow$ Kalte Luft erzeugt ein Hochdruckgebiet

Zwischen diesen Druckgebieten gibt es einen Druckausgleich. Deshalb bewegen sich die Druckgebiete.

\rightarrow$\rightarrow$ Hochdruckgebiete bewegen sich zu Tiefdruckgebieten

Wir nehmen an, dass es an dem Äquator ein Hochdruckgebiet gibt. Genau nördlich gibt es ein Tiefdruckgebiet.

Das Hochdruckgebiet wandert somit nach Norden.
Auch auf das Hochdruckgebiet wirkt die Corioliskraft. Deshalb bewegt sich das Hochdruckgebiet scheinbar auch ein Stück in Richtung Osten.

Es gibt auch die Möglichkeit, dass sich das Tiefdruckgebiet am Äquator befindet und das Hochdruckgebiet weiter nördlich.

\rightarrow$\rightarrow$ Hochdruckgebiet bewegt sich nach Süden

\rightarrow$\rightarrow$ Durch Corioliskraft wird das Hochdruckgebiet nach Westen abgelenkt

Golfstrom

Der Golf von Mexiko ist eine Bucht in Mittelamerika. Das Meerwasser dort ist sehr warm. Dieses warme Meerwasser bewegt sich nach Norden, entlang der Ostküste von Nordamerika.

\rightarrow$\rightarrow$ Meerwasser wird unter anderem durch die Corioliskraft abgelenkt (Es wirken aber auch verschiedene Winde)

\rightarrow$\rightarrow$ Meerwasser gelangt nach Westeuropa

So kommt also warmes Meerwasser nach Westeuropa. Daraus folgt:

• Der Atlantik ist angenehm warm zum Baden
• Der Atlantik hält Westeuropa im Winter warm

Corioliskraft Zusammenfassung

Die Corioliskraft \overrightarrow F_C$\overrightarrow F_C$ ist eine Scheinkraft, es gibt sie also eigentlich gar nicht. Sie wirkt auf alle sich bewegenden Körper, die sich auf einer rotierenden Kugel oder runden Scheibe befinden.

Die Corioliskraft entsteht durch:

• Unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten der Kugel / der Scheibe
• Die Impulserhaltung des sich bewegenden Körpers

Aufgrund der Corioliskraft wird der sich bewegende Körper abgelenkt und macht eine Kurve.

Merke! Die Corioliskraft gibt es nicht wirklich, es scheint nur so!