5. Механічні фактори навколишнього середовища

5.1. Тиск. Атмосферний тиск

Відомо, що тиск це скалярна фізична величина, яка чисельно дорівнює нормальної силі , що діє на одиницю площі. Одиницею вимірювання тиску в міжнародній системі одиниць СІ є паскаль (Па).

Гідростатичний тиск стовпа рідини залежить від густини рідини і висоти (або глибини) стовпа рідини h:

(5.1)

де сила нормального тиску (дорівнює вазі рідини), ,

об'єм рідини .

Молекули атмосферного повітря притягуються до Землі і здійснюють тиск. Прийнято, що на рівні моря нормальний атмосферний тиск дорівнює p₀ = 760 мм рт ст. (1 атм). Нормальний атмосферний тиск в міжнародній системі одиниць СІ дорівнює: p₀ = 760 мм рт ст. = 1,013 ×10⁵ Па, де тиск .

При збільшенні висоти над рівнем моря тиск атмосфери зменшується від101300 Па до 28000 на верхній межі тропосфери. Для вимірювання атмосферного тиску застосовуються барометри.

У барометрів з рідиною вага стовпчика рідини (водиабортуті) врівноважується тискоматмосфери. Зазвичай такі барометри являють собою скляну трубку, заповненою рідиною та запаяною з одного кінця. Трубка встановлюється вертикально, відкритим кінцем униз, у посудину з рідиною. Висота стовпчика рідини є пропорційна тиску, тому тиск вимірюється уміліметрахртутного стовпа.

У барометрів без рідини (барометрів-анероїдів) зміна атмосферного тиску змушує стискуватися або розширюватися гофровану металеву коробку (вакуумнукамеру) з розрідженим повітрям усередині. Ці деформації, за допомогою системи важелів та шарнірів, передаються стрілці, що рухається по шкалі, на якої стоять позначки, які відповідають тиску. Показники анероїда з часом змінюються, внаслідок зміни пружності стінок коробки, тому його необхідно час від часу звіряти з ртутним барометром. Завдяки своїй портативності, широко застосовується векспедиціях, а також як висотоміри (тоді шкалу анероїда градуюють у метрах). Барометри також можуть застосовуватися якальтиметри, для вимірювання висоти над рівнем моря.

Для безперервного запису зміни атмосферного тиску застосо-вують барографи. Баро́граф складається з приймальної частини, передавального механізму, з'єднаного з пером, та барабана з стрічкою, який обертається за допомогою годинникового механізму

5.2. Вітер. Рух повітряних потоків

Вітер – сукупність горизонтальних рухів повітря відносно земної поверхні. До основних характеристик, що описують вітер, належать швидкість та напрям вітру. Швидкість вітру виражається в метрах за секунду, кілометрах за годину. Існує також оцінка швидкості вітру в балах, так звана шкала Бофорта, за якою весь інтервал можливих швидкостей вітру ділиться на 12 градацій. Розрізняють згладжену швидкість вітру за деякий невеликий проміжок часу і миттєву швидкість вітру, яка сильно коливається і може бути значно вищою або нижчою згладженої швидкості. Прилади для вимірювання швидкості вітру, анемометри, дають значення згладженої швидкості. Напрям вітру визначається стороною горизонту, звідки дме вітер, або кутом між напрямком вітру та меридіаном. Виникнення повітряних течій обумовлене дією 4-х основних сил.

1. Градієнтна сила виникає при різниці тиску в двох точках простору. Під дією різниці тиску по горизонталі (градієнтної сили) повітряні маси рухаються за напрямком градієнту тиску.

2. Сила Коріоліса. В 1838 році Коріоліс довів, що при будь-якому русі відносно обертальної системи координат тіло зазнає додаткове, поворотне прискорення. Повітря, приймаючи участь в обертальному русі Землі, намагається по інерції зберегти напрям руху, наданий йому первинною силою тому повітряний потік відхиляється від свого первинного напрямку. Так як вітер – це рух повітря відносно Землі, то повітряний потік відхиляється від свого первинного напрямку. Сила Коріоліса направлена під прямим кутом до руху повітря, в північній півкулі вправо, в південній півкулі – вліво. Для різних широт силу Коріоліса можна розрахувати за формулою:

(5.2)

де швидкість вітру, кутова швидкість Землі; широта місцевості.

3. Сила тертя складається з сили зовнішнього тертя, пов’язаною з гальмуючою дією земної поверхні, та з сили внутрішнього тертя, яка зв’язана з молекулярною та турбулентною в’язкістю повітря. Вона направлена проти руху повітря і пропорційна його швидкості. Основна частина внутрішнього тертя обумовлена турбулентним перемішуванням. Сила внутрішнього тертя не має завжди визначеного однакового напряму, зокрема не співпадає з силою зовнішнього тертя. Тому загальна сила тертя дорівнює: де k – коефіцієнт пропорційності, що залежить від шорохуватості підстильної поверхні, й від інтенсивності турбулентності в повітрі.

4. Відцентрова сила інерції виникає при криволінійному русі повітря і направлена по радіусу кривизни траекторії руху від центру, тобто в сторону випуклості траекторії. В розрахунку на одиницю маси вона визначається формулою:

(5.3)

де швидкість руху, r – радіус кривизни траекторії.

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.

Чашечний анемометр складається з напівсферичних чашок, що обертаються навколо осі, перпендикулярної напрямку вітру. Для перетворення механічних обертань у сигнал, що інформує про швидкість вітру, використовують електричні генератори, оптіко-електричні або ємнісні перетворювачі. Порогова чутливість чашечкового анемометра становить 0,9...2,24 м/сек.

Пропелерний анемометр має три-чотирилопатевий пропелер, вісь якого показує напрямок вітру. Гранична чутливість пропелерного анемометра становить 1,1 м/сек. Перевагою анемометра пропелерного типу, порівняно з чашечковим, є його мала вага (пропелер може бути виготовлений з пластмаси), в 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), а інший - збоку, що дає змогу вимірювати тільки статичний тиск р. Різниця тисків, вимірюються диференційним манометром.

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 ультразвук поширюється швидше у напрямку, в якому діє вітер. Недоліком ультразвукових анемометрів є залежність швидкості поширення ультразвуку від температури, вологості, атмосферного тиску.

Допплерівський анемометр діє на основі ефекту Допплера: 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%.

Флюгери використовують для визначення напрямку вітру. Вони мають вигляд металевої пластини прямокутної форми, яка обертається навколо вертикальної осі. Передача інформації про напрямок вітру в сучасних приладах здійснюється за допомогою зміни положення реохорда який спричиняє відповідну зміну електричного струму. Точність визначення напрямку вітру потенціометричною системою становить ±3⁰.

Анеморумбометр використовують для одночасного визначення швидкості і напрямку руху вітра. Кількість обертань повітряного гвинта цього приладу перетворюється в послідовність електричних імпульсів, частота яких пропорційна швидкості вітру, а фазовий зсув залежить від напрямку.