Тема 4. Рух повітря та методи вимірювання його параметрів

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Виникнення вітру та його параметри.

2. Прилади для вимірювання параметрів вітру.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Виникнення вітру та його параметри

 

Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром.

Утворення повітряних потоків відбувається завдяки дії таких чинників, як:

- градієнти тиску, що забезпечують рух повітря від зони високого тиску до зони низького;

- гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м ∙ с2. Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою;

- сила тертя(F). Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має протилежний останньому напрямок;

- сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря (вправо в Північній півкулі, вліво - в Південній);

- відцентрова сила. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни вона може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).

 

Основні параметри вітру - швидкість, напрямок і поривчастість.

Швидкість вітру вимірюється в м/сек., хоча можуть застосовуватися такі одиниці як вузол або км /год.

Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 4.1).

 

Таблиця 4.1. Шкала Бофорта

Бал	Характеристика	м/сек	вузол	км/год.
0	Безвітря	0,0...0,2	<1	<1
1	Легкий вітрець	0,3...1,5	1...3	1...5
2	Легкий бриз	1,6...3,3	4...6	6...11
3	М'який бриз	3,4...5,4	7...10	12...19
4	Помірний бриз	5,5...7,9	11...16	20...28
5	Свіжий бриз	8,0...10,7	17...21	29...38
6	Сильний бриз	10,8...13,8	22...27	39...49
7	Близький до штормового вітер	13,9...17,1	28...33	50...61
8	Штормовий вітер	17,2...20,7	34...40	62...74
9	Сильний штормовий вітер	20,8...24,4	41...47	75...88
10	Шторм	24,5...28,4	48...55	89...102
11	Надзвичайно сильний шторм	28,5...32,6	56...63	103...117
12	Ураган	>32,7	>64	>118

 

Напрямок вітру визначають щодо сторін світу і позначають або в румбах (8 або 16): північний, північно-східний, східний тощо, або в поділках: одна поділка містить 5о або 10о, залежно від необхідної точності вимірювань.

Поривчастість вітру - це стрибкоподібні підсилення і послаблення швидкості вітру.

Розглянемо повітряні потоки, що можуть викликати стресові ситуації.

Смерч - сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання. В Америці його називають торнадо. Причиною смерчу є великі градієнти тиску, нестійкість нижнього шару атмосфери (до2 км), що виникає при зіткненні сухих холодних повітряних мас з теплими й вологими. Для оцінки смерчів використовують шкалу Фудзі (табл. 4.2.)

 

Таблиця 4.2. Шкала Фудзі

Категорія	Швидкість, км/год.	Наслідки
F0 (легкий)	64...115	Руйнування телевізійних антен, труб, дерев, вікон
F1 (помірний)	116...179	Перевертання автомобілів, виривання дерев з корінням
F2 (значний)	180...251	Знесення дахів, перевертання рухомих будинків
F3( суворий)	252...330	Руйнування металевих будівель, зсування зовнішніх стін, повал лісів та вилягання угідь
F4 (спустошливий)	331...416	Падіння стін, перенесення металевих та бетонних конструкцій на велику відстань
F5 (неймовірний)	417...509	Перенесення будинків на велику відстань, руйнування шкіл, мотелів
F6(який важко уявити)	510...606	Автомобілі піднімає в повітря

 

Урагани - тропічні циклони, швидкість яких досягає 80 м/сек. Термін «ураган» стосується екстремальних вітрів, що виникають у північній Атлантиці; аналогічні явища у Тихому океані називають тайфунами. Тривалість ураганів від 1 до 30 днів. Оцінюють урагани за шкалою Сафіра-Сімсона (табл. 4.3).

 

 

 

 

 

Таблиця 4.3. Шкала Сапфіра-Сімсона оцінки ураганів

Категорія	Швидкість, км/год	Наслідки
1 (мінімальний)	119…153	Руйнування рухомих будинків, часткове затоплення прибережних районів
2 (помірний)	154…177	Суттєве пошкодження рослинності, виривання дерев, затоплення прибережних доріг
3 (великий)	178…279	Руйнування малих будинків, затоплення прибережної території на відстані до 13 км
4 (екстремальний)	210…249	Руйнування дахів, вікон, повне руйнування рухомих будинків, затоплення до 10 км
5 (катастрофічний)	>249	Руйнування будинків, промислових підприємств, потреба в евакуації населення в зоні 8…16 км

 

2. Прилади для вимірювання параметрів вітру

 

Прилади, що визначають швидкість руху повітряних потоків, називаються анемометрами. Принцип їх дії полягає в перетворенні енергії поступального руху повітря в механічне обертання різноманітних вітрових коліс або гвинтів. Найбільш поширеними є анемометри чашечкового та пропелерного типу.

Анемометр чашечкового типу складається з трьох-чотирьох напівсферичних чашок, що обертаються навколо осі, перпендикулярної напрямку вітру (рис. 4.1, 4.2).

 

  Рис. 4.1. Анемометр чашечкового типу  Рис. 4.2. Сили, що діють на чашки

                     анемометра

 

Для перетворення механічних обертань у сигнал, що інформує про швидкість вітру, використовують електричні генератори, оптікоелектричні або ємнісні перетворювачі. Перевагою чашечкових анемометрів є лінійна залежність швидкості від швидкості вітру за умови, що коефіцієнти зчеплення сталі (для анемометрів чашечкового типу ця умова виконується). Порогова чутливість чашечкового анемометра становить 0,9...2,24 м/сек. Анемометри цього типу прості й чутливі.

Анемометр пропелерного типу має три - чотирилопатевий пропелер, вісь якого показує напрямок вітру (рис.4.3).

 

Рис. 4.3. Анемометр пропелерного типу

 

Гранична чутливість пропелерного анемометра становить 1,1 м/сек. Використовують ці прилади для вимірювання швидкості вітру до 90 м/сек. Перевагою анемометра пропелерного типу, порівняно з чашечковим, є його мала вага (пропелер може бути виготовлений з пластмаси), у три рази більша швидкість обертання і здатність вимірювань слабких повітряних потоків.

Трубка Піто має вигляд циліндра з двома отворами, один з яких спрямований у напрямку руху повітря і призначений для вимірювання загального тиску (статичного р і динамічного pV/2), а інший - збоку, що дає змогу вимірювати тільки статичний тиск р. Різниця тисків, вимірюються диференційним манометром (рис. 4.4).

 

Рис. 4.4. Трубка Піто

 

Анемометри цього типу використовують для вимірювань швидкостей вітру у межах 2...3 м/сек. Звичайно ці анемометри застосовують переважно в метеорології, а не для вимірювання параметрів навколишнього середовища.

Термоанемометр ґрунтується на реєстрації впливу повітряного потоку на температуру нагрітого провідника або тіла.

Анемометри цього типу чутливі до зміни як швидкості вітру, так і температури.

Ультразвуковий анемометр використовує той факт, що звук (ультразвук) поширюється швидше у напрямку, в якому діє вітер. Звичайно ультразвуковий анемометр вимірює три компоненти вітрового вектора у тривимірному просторі.

Величина швидкостей вітру, які вимірюють ультразвукові анемометри, досягає 30 м/сек. Недоліком ультразвукових анемометрів є залежність швидкості поширення ультразвуку від температури, вологості, атмосферного тиску, що потребує відповідного калібрування приладів. Крім того, електронне обладнання підвищує вартість приладів цього типу.

Допплерівський анемометр діє на основі ефекту Допплера: при опромінюванні об’єкта, що рухається зі швидкістю F, ультразвуковою хвилею певної довжини λ, відбувається розсіювання хвилі, причому частота (довжина) розсіяної ультразвукової хвилі залежить від швидкості руху об’єкта.

Допплерівські анемометри здатні вимірювати швидкість вітру на висотах до 1 км; точність вимірювання становить 5%.

Для визначення напрямку вітру використовують флюгери, що мають вигляд металевої пластини прямокутної форми, яка обертається навколо вертикальної осі. Передача інформації про напрямок вітру в сучасних приладах здійснюється за допомогою потенціометра, зміна положення реохорда в якому спричиняє відповідну зміну електричного струму, що проходить через статор приймальної системи, викликаючи обертання ротора цієї системи та стрілки індикатора. Точність визначення напрямку вітру потенціометричною системою становить ±3о.

Для одночасного вимірювання швидкості і напрямку руху повітря використовують анеморумбометр. Кількість обертань повітряного гвинта цього приладу перетворюється в послідовність електричних імпульсів, частота яких пропорційна швидкості вітру, а фазовий зсув залежить від напрямку.

За нормами міжнародної метеорологічної організації, прилади, призначені для вимірювання напрямку вітру, повинні визначати напрямок вітру в інтервалі швидкостей 0,5...50 м/сек. з роздільною здатністю ±2...±5°.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»