Как измеряют скорость и направление ветра? Сила ветра: измерение и использование По какой шкале измеряется сила ветра

Определение силы, скорости и направления ветра, дальности видимости, направления и скорости течений крайне важно при планировании и выполнении погружений в открытом море и прибрежной зоне. Бороться с силой природы бессмысленно и порой крайне опасно, поэтому всегда нужно учитывать влияние природных явлений, таких как течение и ветер, при планировани погружений. Приведённая ниже информация поможет Вам оценить силу некоторых явлений природы для того, что бы учесть их при планировании погружений.

Сила и скорость ветра.

Ветер — это перемещение потока воздуха параллельно земной поверхности, возникающее в результате неравномерного распределения тепла и атмосферного давления, и направленное из зоны высокого давления в зону низкого давления.

Ветер характеризуется скоростью (силой) и направлением. Н аправление определяется сторонами горизонта и измеряется градусами. Скорость ветра измеряется в метрах в секудну и километрах в час. Сила ветра измеряется в баллах.

Шкала бофорта — условная шкала для визуального определения и записи скорости (силы) ветра в баллах. Первоначально она была разработана английским адмиралом Френсисом Бофортом в 1806 г. для определения силы ветра по характеру его проявления на море. С 1874 г. принята для повсеместного (на суше и на море) использования в международной синоптической практике. В последующие годы менялась и уточнялась. За ноль баллов было принято состояние полного штиля на море. Изначально система была тринадцатибальная (0-12). В 1946 г. шкалу увеличили до семнадцати (0-17). Сила ветра в шкале определяется по взаимодействию ветра с различными предметами. В последние годы силу ветра чаще оценивают по скорости, измеряемой в метрах в секунду у земной поверхности, на высоте порядка 10 метров над открытой, ровной поверхностью.
В таблице 1 приведена шкала Бофорта, принятая в 1963 году Всемирной метеорологической организацией. Шкала волнения на море — девятибальная (параметры волнения даны для большой морской акватории, на малых акваториях волнение меньше). Приборов для измерения высоты волны не существует, поэтому и волнение моря в баллах определяется достаточно условно.

Сила ветра в баллах по шкале Бофорта и волнение на море.

таблица 1

Шкала дальности видимости.

Видимость — это предельное расстояние, на котором днём обнаруживаются предметы, а ночью навигационные огни. Видимость определяется прозрачностью атмосферы, зависит от погодных условий и характеризуется дальностью видимости. Ниже приведена таблица определения дальности видимости в светлое время суток.

Ветра и определения направления его дуновения известен как обсерватор, или анемометр. Применяют такие устройство при необходимости контроля над параметрами перемещения воздушных масс.

Принцип функционирования

Несмотря на разнообразие анемометров, которые отличаются конструктивно, большинство из них работают по принципу определения характера действия воздушного потока на подвижные вращающиеся элементы.

Приборы данной категории способны определять максимальную текущую при дуновении потока в определенном направлении. Отдельные модели выдают показатели объемного расхода воздуха, температуры потока, влажности. Таким образом, функциональный прибор для измерения скорости ветра превращается в портативную метеостанцию.

Типы

Выделяют несколько отдельных разновидностей устройств, способных производить расчет скорости ветра. В настоящее время выделяют следующие типы приборов данного назначения:

• вращательные;
• вихревые;
• тепловые;
• динамометрические;
• оптические;
• ультразвуковые.

Давайте подробно рассмотрим устройства каждого типа, определим их возможности, способы эксплуатации.

Вращательные анемометры

Метеорологический прибор может быть оснащен чашками либо лопастями, которые играют роль чувствительного элемента. Последние подвижно закрепляются на вертикальном стержне и соединяются с измерителем. Перемещение воздушных потоков заставляет такие вертушки вращаться вокруг оси. По мере движения измерительный механизм фиксирует количество оборотов в течение определенного временного отрезка. Визуальную информацию выдает шкала скорости ветра либо цифровой дисплей.

Конструкции данного типа изобретены достаточно давно. Однако, несмотря на появление более совершенных приборов, вращательные анемометры до сих пор продолжают успешно эксплуатироваться метеорологами по всему миру.

Вихревые анемометры

В таких приборах измерение скорости и происходит за счет воздействия воздушных потоков на легкое лопастное колесо, расположенное в вертикальной плоскости. Как и в предыдущем случае, вращение крыльчатки посредством воздействия на систему передает данные к счетному механизму.

В настоящее время наиболее распространены ручные вихревые анемометры. Последние используются для измерения скорости воздушных потоков в вентиляционных системах и трубопроводах, устанавливаются в воздуховодах промышленных и жилых объектов.

Тепловые анемометры

Не слишком востребованы тепловые приборы. Чаще всего необходимость в их применении возникает при измерении показателей медленных воздушных потоков.

Функционирует тепловой ветра по принципу измерения температуры нити накаливания либо специальной пластины, на которую оказывается давление воздуха. При различных показателях потока выделяется определенное количество энергии, которое позволяет поддерживать ту или иную температуру теплового элемента. Таким нехитрым способом и определяется скорость ветра.

Динамометрические анемометры

Прибор для измерения скорости ветра может также функционировать благодаря определению показателей давления ветрового потока в средине запаянной с одной стороны Г-образной трубки. Данные получают на основе сравнения избыточного воздушного давления снаружи и внутри элемента.

Динамометрический прибор для измерения скорости ветра применяется не только в метеорологии. Устанавливаются подобные устройства вентиляционных системах и газоходах, где вычисляют объемный расход потоков и их скорость.

Ультразвуковые анемометры

Принцип функционирования устройств данной категории основывается на определении на приемнике в зависимости от показателей потока воздушных масс. Здесь представлены наиболее высокоточные, современные устройства, которые также позволяют фиксировать направление ветровых потоков.

Выделяют трехмерные и двухмерные ультразвуковые приборы. Первые дают возможность получать показатели направления перемещения потоков в трех компонентах. В свою очередь, двухмерный метеорологический прибор позволяет измерять направление и скорость ветра лишь в горизонтальной плоскости. Некоторые ультразвуковые системы производят вычисления температуры воздушных потоков.

Оптические анемометры

Ученые-физики, инженеры, задействованные в космических программах, часто прибегают к применению лазерных оптических приспособлений для измерения скорости и направления перемещения воздушных потоков. Работают подобные устройства согласно определению зависимости рассеянного либо отраженного подвижным объектом света от его скорости. Данный способ не предполагает непосредственного воздействия газообразных, твердых либо жидких веществ на элементы измерительного устройства.

Сфера применения оптических анемометров крайне широка, начиная с определения направлений перемещения веществ в живых клетках и капиллярах и заканчивая вычислением скорости движения газов в атмосфере.

Эксплуатация лазерных устройств помогает с высокой точностью рассчитывать скорость воздушных потоков вокруг подвижных объектов, в частности, автотранспорта, летательных аппаратов, космических тел. Полученные расчеты дают возможность исследователям, инженерам и механикам разрабатывать наиболее аэродинамические формы при конструировании техники.

На что следует обращать внимание при выборе прибора для измерения скорости и направления перемещения воздушных потоков? Определяющее значение здесь имеет перечень задач, что поставлены перед пользователем. В зависимости от этого, значение имеют такие технические характеристики прибора:

• максимальный измерительный диапазон;
• величина погрешностей;
• возможность применения в тех или иных температурных условиях;
• уровень безопасности для пользователя при воздействии на устройство агрессивных факторов окружающей среды;
• тип: стационарный либо переносной прибор;
• степень защищенности механизма от воздействий атмосферных осадков;
• характер питания устройства и способ формирования данных;
• габариты прибора;
• возможность вычисления показателей в ночное время суток (наличие подсветки).

В настоящее время для работы в условиях крайне пониженных температур возможно использование метеорологических приборов с подогревателями. Для рудников и шахт применяют специализированные анемометры, что способны исправно функционировать при высокой запыленности окружающего пространства и во взрывоопасной среде. Такие функциональные приборы переносят воздействие повышенной влажности и остаются работоспособными при значительных перепадах температур.

В итоге

Как видно, в зависимости от личных потребностей, имеется возможность выбрать наиболее подходящее устройство для фиксации показателей воздушных потоков. Однако здесь имеются свои сложности. Поскольку все анемометры являются измерительными приборами, они подлежат сертификации и аттестации в соответствующих государственных учреждениях.

К метеорологическим устройствам относится прибор для измерения скорости ветра, который называется анемометр. В переводе с древнегреческого определение буквально означает «ветромер». Несмотря на название, прибор был изобретен лишь в 19 веке. Его изобрел астроном из Ирландии Джон Робинсон для определения скорости ветра.

Для чего используется прибор

На сегодняшний день прибор анемометр можно встретить в различных отраслях деятельности:

• На станциях метеорологии, которые работают с целью наблюдения за погодой.

• В аэропортах. Ими пользуется служба безопасности полетов.

• Для определения тяги в системах вентиляции в отраслях добычи горных пород и угля.

• В строительстве анемометры используются для обеспечения безопасности: прибор закрепляют на верхней части стрелы крана. При достижении скорости ветра выше заданного параметра работы проводить запрещается.

• В сельском хозяйстве данный прибор используется при проведении обработки посевов средствами химической защиты и удобрениями.

Это список основных направлений, где используется прибор для измерения скорости. Отдельные виды могут измерять дополнительно направление ветра в различных плоскостях, температуру воздуха. Единицы измерения скорости ветра - метры в секунду - используются в приборах всех видов.

Устройство и принцип работы

Анемометр позволяет провести измерение скорости и направление ветра. Он улавливает скорость воздушного потока, после чего обрабатывает полученную информацию и передает на регистрирующее устройство.

Основными узлами конструкции являются всего три блока:

• Блок, непосредственно измеряющий скорость воздушного покоя. Если говорить точнее, то прибор улавливает возмущение воздушных масс, которое образуется в результате движения потока воздуха.

• Преобразователь, который служит для преобразования воздушных возмещений в физический параметр.

• Регистрирующее устройство, которое принимает сигнал от преобразователя.

Образуется своеобразная цепочка, на каждом из этапов которой свою роль выполняет отдельный блок.

Разнообразие моделей

В зависимости от принципа действия, прибор для измерения скорости ветра изготавливается в трех вариантах:

• Механический. За счет движения воздуха в них происходит вращение отдельных элементов. В данную категорию относится анемометр чашечный и крыльчатый (или лопастной). Они отличаются между собой конструкцией элемента, который воспринимает потоки воздуха.

• Нагревательные (или тепловые). В их конструкцию входит нагревательный элемент (обычно это простая накаливаемая проволока). Под воздействием движущихся воздушных масс данный элемент остывает. Прибор определяет степень снижения температуры.

• Ультразвуковые, которые измеряют скорость движения звука. Звук, проходя сквозь движущийся газ, обладает различной скоростью. Если он движется навстречу ветру, то его скорость будет ниже. И наоборот, при движении в одну сторону с ветром, его скорость будет выше, чем в неподвижном воздухе.

Классификация

Прибор для измерения скорости ветра в своей структуре имеет датчик, который контактирует непосредственно с воздушным потоком. В зависимости от вида данного датчика выделяют следующие типы анемометров:

• Вращающиеся, в которых отдельные элементы конструкции начинают вращаться под воздействием скорости ветра.

• Ультразвуковые, которые по-другому называют акустическими.

• Нагревательные, их еще называют термическими.

• Оптические, которые в свою очередь делятся на лазерные и допплеровские.

• Динамические, чей принцип работы основан на базе трубки Пито-Прандтля.

• Поплавковые.

• Вихревые.

Это список приборов, которые можно встретить в настоящее время.

Анемометр крыльчатый

Данный прибор способен определить скорость движения воздуха, которая находится в интервале от 0,5 до 45 м/с. Кроме того, данное устройство позволяет измерять температуру, которая находится в пределах от минус 50 до плюс 100 градусов.

Конструкция анемометра такова, что ветер воспринимается лопастной крыльчаткой. Это небольшое легкое колесико, которое от механических воздействий защищается металлическим кольцом. Принцип его работы напоминает вентилятор или мельницу. Под действием ветра крыльчатка начинает вращаться. По системе зубчатых колес ее вращение передается на стрелки счетного механизма.

Анемометр ручной устроен так, что счетный механизм расположен рядом с крыльчаткой. За счет этого создается преграда для ветра, тем самым рабочий диапазон ограничивается. Подобные приборы могут измерять скорость ветра, которая не превышает 5 м/с. Данные устройства подходят для измерения потока воздуха в вентиляционных шахтах, трубопроводах, воздуховодах и так далее.

Анемометр крыльчатый цифровой устроен таким образом, что датчик встроен внутрь прибора или является выносным. Благодаря такой конструкции никакой преграды для ветра нет. Поэтому прибор измеряет поток, скорость которого может достигать 45 м/с.

Приборы чашечного типа

Анемометр чашечный способен производить измерения только в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси вращения. Конструкция прибора представляет собой 4 чашки в форме полусфер, которые одеты на симметричные крестообразные спицы ротора.

Появились первые варианты данного устройства еще в 1846 году. Их создателем является Джон Робинсон. Название он получил благодаря внешнему сходству лопастей с чашкой. Доктор предполагал, что на вращение чашек не оказывают влияние их размер. По его мнению, скорость вращения чашек в три раза меньше, нежели скорость движения ветра. Позднее эту теорию опровергли. Было доказано, что прибор обладает коэффициентом, который находится в пределах от 2 до 3,5.

В 1926 году Джон Паттерсон предложил ротор с тремя чашками. Им было замечено, что максимальный вращающий момент чашек достигается при их повороте на угол 45 градусов в отношении движения ветра.

В начале девяностых прошлого века Дерек Вестон усовершенствовал чашечный прибор для измерения скорости ветра. Его доработки позволили измерить дополнительно направление движения ветра. Достиг он этого простым способом - на одну из чашек установил флажок. При вращении флажок пол оборота движется по ветру, а вторую - против.

Чашечные ручные приборы подсчитывают количество оборотов, совершенных за отведенный промежуток времени. В улучшенных анемометрах ротор связывается с тахометрами различных видов. Данные приборы способны показать мгновенно скорость ветра и его изменение в реальном времени. Интервал измерения - от 0,2 до 30 м/с.

Тепловые приборы

Принцип работы подобных анемометров заключается в определении электрического сопротивления проволоки. Данное значение изменяется в зависимости от температуры, которая снижается за счет движущегося потока воздуха. Это подобно тому, как в солнечный жаркий день ветерок холодит кожу.

Конструкция анемометра представляет собой металлическую нить накаливания (из платины, нихрома, серебра, вольфрама и других металлов), которая разогревается электрическим током до температуры, превышающей температуру окружающей среды.

У приборов данного типа имеется один существенный недостаток - низкая прочность при механических воздействиях.

Ультразвуковые анемометры

Принцип работы данных приборов основан на определении скорости прохождения звука в движущемся воздушном потоке. Именно поэтому данный анемометр еще называют акустическим. При движении звука в одном направлении с воздухом его скорость увеличивается. При движении навстречу ветру скорость звука уменьшается. Благодаря этому измеряется время получения ультразвукового импульса. Устройство подключается к компьютеру для обработки полученных данных.

Датчик может выполнять несколько функций. В зависимости от их количества, можно выделить несколько видов датчиков:

• Двухмерные, которые способны определить скорость и направление ветра.

• Трехмерные, которые определяют все три компонента вектора скорости ветра.

• Четырехмерные, которые в дополнение к показателям предыдущего вида могут измерять температуру воздуха.

Ультразвуковые приборы измеряют скорость ветра до 60 м/с.

Направление и скорость ветра - одно из лучших показателей изменений погоды. Различают 16 направлений ветра (румбов), обозначенных по сторонам света. Названия этих шестнадцати румбов, или направлений, откуда дует ветер, даны в следующей таблице:

Ветер называют по той части горизнота, откуда он дует. Моряки говорят, что ветер "дует в компас". Это выражение облегчит запоминание приведённой выше таблицы.

Помимо этих названий, есть ещё и местные. Так, например, на побережье Белого моря и в районе Мурманска местные рыбаки называют северо-восточный ветер "полуночником", южный - "летником", юго-восточный - "обеденником", юго-западный - "шеловником", северо-западный - "побережником". Есть свои названия ветров также на Чёрном, Каспийском морях и на Волге. Большое значение для определения погоды имеют местные ветры, которые необходимо знать и учитывать.

Чтобы определить направление ветра, надо смочить указательный палец и поднять его вертикально вверх. На стороне его, обращённой к ветру, почувствуется холод.

Направление ветра можно определить и по вымпелу, дыму и компасу. Став лицом к ветру и держа перед собой компас, нулевое деление которого подведено под северный конец стрелки, кладут на его центр спичку или тонкую прямую палочку, направив её в ту сторону, в которую стоит лицом наблюдатель, то есть навстречу ветру.

Прижав в таком положении спичку или палочку к стеклу компаса, надо посмотреть, над каким делением шкалы она приходится. Это и будет та часть горизонта, откуда дует ветер.

Указанием направления ветра служит приземление птиц. Они приземляются всегда против ветра.

Скорость ветра измеряется расстоянием (в метрах или километрах), на которое перемещается масса воздуха в 1 сек. (час.), а также в баллах по двенадцатибалльной системе Бофорта. Скорость ветра непрерывно меняется, и поэтому чаще принимают во внимание среднее её значение за 10 мин. Скорость ветра определяется специальными приборами, но её можно достаточно точно определить и на глаз, пользуясь приведённой ниже таблицей.

Определение скорости ветра (по К.В.Покровскому):

Сила волнения моря (озера) определяется по следующей таблице (по А.Г.Комовскому):

Ветер - это горизонтальный поток воздуха, который отличается рядом определенных характеристик: силой, направлением и скоростью. Именно для определения скорости ветров ирландский адмирал еще в начале XIX века разработал специальную таблицу. Так называемая шкала Бофорта используется и в наши дни. Что представляет собой шкала? Как правильно нею пользоваться? И что шкала Бофорта не позволяет определить?

Что такое ветер?

Научное определение данного понятия следующее: ветер - это воздушный поток, который движется параллельно земной поверхности из области высокого в область низкого атмосферного давления. Это явление характерно не только для нашей планеты. Так, самые сильные в Солнечной системе ветра дуют на Нептуне и Сатурне. И земные ветра, по сравнению с ними, могут показаться легким и весьма приятным бризом.

Ветер всегда играл немаловажную роль в жизни человека. Он вдохновлял древних писателей на создание мифических сюжетов, легенд и сказок. Именно благодаря ветру у человека появилась возможность преодолевать значительные расстояния по морю (с помощью парусников) и по воздуху (посредством воздушных шаров). Ветер задействован и в «построении» многих земных ландшафтов. Так, он переносит с места на место миллионы песчинок, формируя тем самым уникальные эоловые формы рельефа: дюны, барханы и песчаные гряды.

В то же время, ветра способны не только созидать, но и разрушать. Их градиентные колебания способны спровоцировать потерю контроля над самолетом. Сильный ветер существенно расширяет масштабы лесных пожаров, а на крупных водоемах рождает огромные волны, которые разрушают дома и уносят жизни людей. Вот почему так важно изучать и измерять ветер.

Основные параметры ветра

Принято выделять четыре основных параметра ветра: сила, скорость, направление и продолжительность. Все они измеряются посредством специальных приспособлений. Силу и скорость ветра определяют при помощи так называемого анемометра, направление - с помощью флюгера.

Исходя из параметра продолжительности, метеорологи выделяют шквалы, бризы, штормы, ураганы, тайфуны и прочие типы ветров. Направление ветра определяется по той стороне горизонта, откуда он дует. Для удобства их сокращают следующими латинскими буквами:

• N (северный).
• S (южный).
• W (западный).
• E (восточный).
• C (затишье).

Наконец, скорость ветра измеряется на высоте 10 метров при помощи анемометров или специальных радаров. Причем продолжительность таких измерений в разных странах мира неодинакова. Например, на американских метеорологических станциях учитывается усредненная скорость воздушных потоков за 1 минуту, в Индии - за 3 минуты, а во многих европейских странах - за 10 минут. Классический инструмент представления данных по скорости и силе ветра - это так называемая шкала Бофорта. Как и когда она появилась?

Кто такой Фрэнсис Бофорт?

Фрэнсис Бофорт (1774-1857) - ирландский моряк, военный адмирал и картограф. Он родился в небольшом городке Ан-Уавь в Ирландии. Окончив школу, 12-летний мальчик продолжил свое обучение под предводительством известного профессора Ушера. В этот период он впервые проявил незаурядные способности к изучению «морских наук». В подростковом возрасте он поступил на службу в восточно-индийскую компанию и принял активное участие в съемке Яванского моря.

Следует отметить, что Фрэнсис Бофорт рос довольно смелым и отважным парнем. Так, во время крушения судна в 1789 году юноша проявил огромную самоотверженность. Растеряв всю свою еду и личные вещи, он сумел спасти ценные инструменты команды. В 1794 году Бофорт участвовал в морском сражении против французов и героически буксировал подбитое вражеским огнем судно.

Разработка ветровой шкалы

Фрэнсис Бофорт был на редкость трудолюбив. Каждый день он просыпался в пять часов утра и сразу же принимался за работу. Бофорт был значимым авторитетом среди военных и моряков. Однако всемирную славу он приобрел благодаря своей уникальной разработке. Будучи еще мичманом, любознательный юноша вел ежедневный дневник наблюдений за погодой. Позже все эти наблюдения помогли ему составить специальную шкалу ветров. В 1838 году она была официально утверждена британским адмиралтейством.

В честь знаменитого ученого и картографа названо одно из морей, остров в Антарктике, река и мыс в северной Канаде. А еще Фрэнсис Бофорт прославился тем, что создал полиалфавитный военный шифр, также получивший его имя.

Шкала Бофорта и ее особенности

Шкала представляет собой наиболее раннюю классификацию ветров по их силе и скорости. Она была разработана на основе метеорологических наблюдений в условиях открытого моря. Изначально классическая шкала ветров Бофорта является двенадцатибалльной. Лишь в середине ХХ века она была расширена до 17-ти уровней, чтобы можно было различать ветра ураганной силы.

Сила ветра по шкале Бофорта определяется по двум критериям:

1. По его воздействию на различные наземные предметы и объекты.
2. По степени волнения открытого моря.

Важно отметить, что шкала Бофорта не позволяет определять продолжительность и направление воздушных потоков. В ней содержится подробная классификация ветров по их силе и скорости.

Шкала Бофорта: таблица для суши

Ниже представлена таблица с подробным описанием воздействия ветра на наземные предметы и объекты. Шкала, разработанная ирландским ученым Ф. Бофортом, состоит из двенадцати уровней (баллов).

Таблица Бофорта по состоянию моря

В океанографии существует такое понятие, как состояние моря. Оно включает в себя высоту, периодичность и силу морских волн. Ниже представлена шкала Бофорта (таблица), которая поможет определить силу и скорость ветра, исходя из этих признаков.

Таким образом, благодаря шкале Бофорта люди могут наблюдать за ветром и оценивать его силу. Это дает возможность составлять максимально точные прогнозы погоды.