Kuinka anemometri toimii?

Sisältö

• Mistä tuuli tulee?
• Tuulivoiman fysiikka
• Anemometrin tyypit
• Kuinka anemometrit toimivat
• Muut anemometrin käyttötavat: Urheilu

Vaikka jotain hankalaa sanaa, tuulimittari viittaa yksinkertaiseen, mutta yllättävän monipuoliseen instrumenttiin, jota esiintyy maailman peruseimmissä sääasemissa. Kreikan kielen käännös on suoraviivainen: "anem-" on "tuulen" ja "mittarin" merkitys (yleisesti ottaen, ei määränä) "mitta".

Kun ajattelet itse sanaa "sää", paitsi jos asut avaruudessa, yksi ensimmäisistä mieleen tulevista sanoista tai aistikuvista on melkein varmasti tuuli, ilmiö, joka voi aiheuttaa katastrofaalisia vahinkoja, on silti edelleen vaalittu osa melkein jokaisen elämänkokemusta, jos luulee runoja ja ilmiön kattavuutta tutkittavaa kirjallisuutta.

Turvallisuuteen, virkistyssuunnitteluun ja selkeään uteliaisuuteen liittyvistä syistä tietäessäsi alueellasi milloin tahansa säänopeutta - tai ainakin sitä suuntaa, johon sen puhaltaa - jos jostain syystä et pääse ulkopuolelle havaitsemaan tätä omilla tunneillasi - tai paikasta, johon aiot matkustaa pian, on todella hyödyllistä tietoa. Tätä tarkoitusta varten on saatavana monia erityyppisiä anemometrejä, joista osa luottaa erityisen fiksuihin menetelmiin tuulen nopeuden epäsuoraan mittaamiseksi.

Mistä tuuli tulee?

Pieni lapsi kertoi, että maapallon pyörii noin 1000 mailia tunnissa päiväntasaajassaan ja noin 800 mailin tunnissa 40 asteen leveydessä (suunnilleen missä suurin osa Yhdysvaltain väestöstä on keskittynyt), voisi olettaa, että tuuli tulee yksinkertaisesta ruoskinnasta esineen ympärillä näennäisesti mahdottomilla nopeuksilla. Vaikka tämä on intuitiivista järkeä, todellinen kuva on huomattavasti monimutkaisempi, mutta tarjoaa myös arvokkaita opetuspisteitä sääilmiöistä, jotka liittyvät tuulen itseään, mutta ovat siitä riippumattomia.

Aurinko on lopullinen energialähde monille prosesseille maapallolla, ja tuuli ei ole poikkeus. Tuuli johtuu pääasiassa maapallon eri osista, jotka absorboivat erilaisia ​​määriä lämpöä auringosta. Tämä energia ilmaistaan ​​tuulen läpi konvektio, lämmön siirto nesteen liikkeen kautta. Kuumemmalla ilmalla on taipumus nousta, kun taas viileämpi ilma vajoaa, muodostaen jatkuvasti pyörivät ilmanvaihdot vierekkäisten, eri lämpötilojen alueiden välillä.

Tuuli kiertää maapallon ympäri tunnetuissa "puroissa", jotka ovat kuin kuuluisia ilmajoia: suihkuvirrat, kaupalliset tuulet, polaarisuihkut. Tuulet luokitellaan niiden erityisten alkuperälähteiden perusteella geostrofiset tuulet, lämpötuulet tai kaltevuus tuulet.

Tuulivoiman fysiikka

Ilmalla on massa, joten liikkuvan ilman kineettinen energia on mahdollista laskea kuten mikä tahansa muu esine. Yhtälö kineettinen energia on KE = (1/2) mv² missä v = nopeus. (Tuulen nopeus on harvoin vakio pitkään, joten tuulen nopeus lasketaan yleensä keskiarvoon lyhyillä ajanjaksoilla tarkoituksenmukaisen tiedon tuottamiseksi.)

Tietyn ilmatilavuuden massa on sen tiheys ja tilavuus, tai ρV. Mutta tuulen kanssa teho, tai energiaa aikayksikköä kohden, mielenkiinnon kohteena oleva muuttuja on "tuulen massavirta" tai kuinka paljon ilmaa virtaa turbiinin poikkipinta-alan A (usein ympyrän) läpi. tuulivoiman yhtälö osoittautuu

P_w = (1/2) ρAv³,

tarkoittaa, että teho kasvaa tuulen nopeuden kuutiossa. Tämä tarkoittaa, että 30 MPH tuuli antaa 10³ = tuhat kertaa yhtä paljon voimaa kuin 10 MPH tuuli!

(1 mi / h) = (mi / 1 609 m) (3600 s / h) = 0,447 m / s.

Anemometrin tyypit

Tiedät jo, mitä anemometri "on". Mutta rakeisella tasolla, millaisia ​​laitteita ihmiset mittaavat tuulen nopeutta?

Joskus tuulen suunta on suurin huolenaihe, nopeus vähemmän tärkeä. Tätä silmällä pitäen lentokentillä on tuulisukat, jotka kertovat paljon pian tapahtuvasta säästä. Esimerkiksi luoteesta lähtevä tuuli (NW-tuuli) tarkoittaa yleensä viileämpää, kuivempaa säätä, kun taas kaakkoinen tuuli tuo usein lämpimämmän, kosteamman ilman.

Kuinka anemometrit toimivat

cup-ja-potkuri anemometrin tyyli on, kuten todettiin, yleisin tyyppi; onneksi sen toiminta on helppo selittää. Kun tuuli pyörii potkurin varren ympäri, tuulen "kiinnittävät" kupit pyörittävät tunnetun ajanjakson ympäri, jolla on tunnettu säde (2 kertaa π-potkurivarren pituus tai kehä), tunnetun ajanjaksona, kuten keskussauva lasketaan. Kokonaisetäisyys (kierrokset kertaa kehä) jaettuna ajalla on tuulen nopeus.

Muunlaiset anemometrit määrittävät tuulen nopeuden mukaan paremmin. kuumavirtaan anemometri käyttää sitä tosiasiaa, että kun ilma virtaa esineen, joka on lämmitetty lämpötilaa, joka on lämpimämpi kuin ilma, esine jäähdytetään, kun lämpö poistuu konvektiolla.

Kuumalangan anemometrissä sähkölämmitetty metallilanka altistetaan tuulen vaikutukselle, kun taas tehoa kasvatetaan tai vähennetään pitämään langankärjen lämpötila vakiona.Siten mitä korkeampi tuulen nopeus, sitä enemmän tehoa tarvitaan lämpötasapainon ylläpitämiseksi.

Ilmanpaineen mittaus - joka itse mitataan instrumentilla nimeltään a barometri - voidaan käyttää myös tuulen nopeuden laskemiseen. Esimerkiksi putken anemometri mittaa ilmanpainetta lasiputken sisällä, joka on avoin vain toisesta päästä. Tuulen nopeus voidaan laskea putken sisä- ja ulkopuolen paine-erosta.

Muut anemometrin käyttötavat: Urheilu

Kansainvälisissä ulkokilpailuissa järjestettävissä juoksutapahtumissa, joissa juoksijat liikkuvat yhteen verkon suuntaan, tuuli voi auttaa (tai estää) kilpailijoita ja tuottaa parempia aikoja. Tästä syystä anemometri asetetaan radan viereen näiden tapahtumien aikana. Suurin sallittu tuulennopeus juoksijoiden suunnassa uusien ennätysten asettamiseksi on 2,0 m / s, joten jos tuulimittarin lukema ylittää tämän arvon milloin tahansa kilpailun aikana, merkki ei kelpaa ennätystarkoituksiin.

Edellisestä osasta tiedät, että tuulen nopeus mailia tunnissa (MPH) on hiukan yli kaksinkertainen sen arvo m / s. Siten 5 MPH: n tuuli, jota pidetään jokapäiväisessä standardissa melko vaatimattomana, riittää tarjoamaan riittävän vauhdin saadakseen merkki "todellisen" inhimillisen saavutuksen alueen ulkopuolelle. Kun viimeistelet vain 0,01 sekuntia nopeammin kuin kukaan ei ole koskaan juoksanut kilpailussa, joka kestää alle 10 sekuntia, jokainen tekijä on kriittinen. Kuvittele nyt raita ilman moderneja ajoituslaitteita, puhumattakaan anemometreistä!