Вимірювання атмосферного тиску та швидкості вітру

До основних фізичних характеристик стану атмосфери належать: тиск, температура і густина. Ці три характеристики зв’язані між собою, тобто зміна однієї з них веде до зміни інших.

Повітря, яке оточує земну кулю, має масу і тисне як на поверхню землі, так і на всі предмети, які є на ній.

Атмосферний тиск – це тиск або маса повітряного стовпа, який простягається від поверхні землі до верхньої межі атмосфери, на одиницю площі.

Атмосферний тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа, мілібарах або гектопаскалях. Співвідношення між одиницями:

1мм.рт.ст. = 1,33 мбар = 1,33 гПа.

Нормальний тиск повітря (при температурі 0ºС на рівні моря, на широті 45º) врівноважується тиском (масою) ртутного стовпа висотою 760мм і площею поперечного перерізу 1см².

Тиск атмосфери з підняттям угору зменшується. Чим вище розміщена точка або поверхня, тим менша на неї тисне маса атмосфери. Зміну тиску з висотою визначають за так званим барометричним рівнянням, найпростіша формула якого має вигляд:

_,

де Н – висота, м; Р_н і Р_в - тиск атмосфери відповідно в нижній і верхній точках; t_ср – середня температура повітря (півсума температур у нижній і верхній точках).

За допомогою барометричної формули можна визначити висоти окремих точок місцевості над рівнем моря. Встановлення висоти (або різниці висот) за допомогою барометричної формули називається барометричним нівелюванням.

Атмосферний тиск є безпосередньою причиною виникнення вітру.

Вітер – це горизонтальний рух повітря відносно земної поверхні. Головними його характеристиками є напрямок, швидкість і сила. За напрямок береться та частина горизонту, звідки переміщується повітря. Його визначають у румбах або в градусах. Для аналізу повторюваності різних напрямків вітру використовують графік, що має назву “роза вітрів”, і широко використовується в сільськогосподарському виробництві.

Швидкість вітру – це відстань, яку проходить повітряна маса за одиницю часу. Вона визначається головним чином величиною горизонтального баричного градієнта та умовами циркуляції атмосфери. Із значною мірою швидкість вітру залежить від характеру підстилаючої поверхні. Вимірюється в метрах за секунду (м/с) або в кілометрах за годину (км/год). Щоб перейти від м/с до км/год потрібно швидкість м/с помножити на 3,6. Сила вітру виражається в балах за шкалою Бофорта.

Прилади для вимірювання атмосферного тиску

Для вимірювання атмосферного тиску застосовують ртутні барометри, барометри-анероїди (металеві барометри) (М-67, М-98, БАММ-1) та барографи (М-22АС або М-22АН).

Ртутнібарометри (рис.15) – застосовують для вимірювання атмосферного тиску на метеорологічних станціях. Це точні прилади, їх встановлюють у приміщеннях. Вимірювання тиску ними може зробити лише підготовлений спеціаліст – метеоролог.

Барометри-анероїди (рис.16) – менш точні прилади, дуже зручні для перевезення і вимірювання тиску, а тому їх використовують при експедиційних і польових дослідженнях та барометричному нівелюванні. Приймальною частиною тиску у барометра–анероїда є три (з’єднані між собою анероїдні коробки. До циферблату приладу (рис.16 б) прикріплено дугоподібний термометр (1). На циферблаті нанесено шкалу (2) у міліметрах або мілібарах. Механізм приладу встановлено у футляр. Анероїдами слід користуватися у горизонтальному положенні шкали.

Барограф (рис.17) розміщений у пластмасовому або дерев’яному корпусі, до основи якого вмонтовано весь механізм приладу, що складається з таких частин: блок барокоробочок, система важелів, стрілка з пером на кінці, регулювальний гвинт, барабан з годинниковим механізмом, паперова діаграмна стрічка.

Прилади встановлюють горизонтально і захищають від сонячного проміння та віддаляють від опалювальної мережі .Перед установленням барографа накручують пружину годинникового механізму і на барабан надівають паперову стрічку, зробивши на ній помітки про місце і час установлення. Після цього барабан ставляться на своє місце, підводять до нього перо і за допомогою регулювального гвинта вмонтовують його в ту точку стрічки, яка відповідає тиску за барометром у момент запуску барографа.

	а) б)	а) б)
Рис.15. Барометр ртутний.	Рис.16. Барометр-анероїд: зовнішній вигляд (а); циферблат (б).	Рис.17. Барограф: зовнішній вигляд (а); механізм (б).

Прилади для вимірювання характеристик вітру

Для вимірювання характеристик вітру (напрямку та швидкості) використовують флюгер Вільда, анеморумбометр, анеморумбограф та ручний анемометр.

ФлюгерВільда (рис.18) – для визначення напрямку та швидкості вітру в стаціонарних умовах. Його встановлюють на висоті 10-12 м від поверхні землі.

Напрямок вітру визначають за положенням флюгарки (1) на вертикальному стержні. Противага флюгарки (2) під дією вітру завжди займає зустрічне положення, а сама флюгарка вказує напрямок вітру. На стержні нижче флюгарки закріплена муфта (3) з 8 штифтами, орієнтованими за сторонами світу, на кінці північного штифта закріплені літери Пн (або С).

Рис.18. Флюгер Вільда.

Для визначення напрямку вітру спостерігач протягом 2хв стежить за коливанням флюгарки відносно штифтів, після чого записує її середнє положення. Показник швидкості вітру розташований у верхній частині флюгарки і обертається разом з нею. Це металева пластинка (“дошка”) (4), вільно підвішена на горизонтальній осі рамки із сектором, на якому закріплено 8 штифтів, що показують швидкість вітру (5). “Дошка” орієнтована перпендикулярно до напрямку вітру.

Чим сильніший вітер, тим на більший кут він відхиляє пластинку від початкового положення. Спостерігаючи протягом 2хв за коливанням її відносно штифтів на дузі показника, визначають середнє положення, яке потім переводять у метри за секунду (за таблицею).

Швидкість вітру до 20 м/с визначають флюгером з легкою “дошкою” (200 грам), а понад 20 м/с – за важкою “дошкою” (800 грам)

Анеморумбометр М – 47(рис.19) призначений для дистанційного вимірювання швидкості і напрямку вітру на відстані від нього до 100 метрів, а анеморумбометр М-63М –1- для дистанційного вимірювання миттєвої, максимальної і середньої швидкості та напрямку вітру в стаціонарних умовах. Принцип дії цих приладів полягає у використанні залежностей між швидкістю вітру і частотою обертання вертушки та між напрямком вітру і вільно орієнтованою флюгаркою датчика вітру. Швидкість і напрямок вітру перетворюються в електричні сигнали, які відлічують візуально за показами вимірювального пульта.

Анеморумбограф М-63 МР призначений для вимірювання і реєстрації середньої, миттєвої і максимальної швидкостей та напрямку вітру. Він виконаний на базі електронного автоматичного потенціометра КСП-4 (реєструючий пристрій) та анеморумбометра М-63М-1. Принцип його роботи аналогічний принципу роботи анеморумбометра М-63М-1.

Ручний анемометр МС-13 (рис.20) – для вимірювання середньої швидкості вітру в приміщеннях та на відкритих ділянках. Він буває двох типів – чашковий і крильчастий. У анемометра приймальною частиною є хрестовина з чотирма порожнистими металевими півкулями (чашковий), або металевими крильцями (крильчастий), що обертаються у горизонтальній площині. Обертання чашок (крилець) передається на лічильник обертів. На анемометрах є шкала, поділена на тисячі, сотні, десятки та одиниці обертів.

Рис.19. Анеморумбометр.

Рис.20. Анемометр ручний (чашковий).

За допомогою флюгера, анеморумбометрів і анеморумбографів спостереження за змінами вітру ведуть на метеорологічних станціях. Ручні анемометри використовують в експедиціях та під час польових досліджень.

Завдання для виконання в лабораторії

Завдання 1. Визначити величину атмосферного тиску в лабораторії і на першому поверсі.

Прилад: барометр-анероїд.

Порядок виконання

Вивчити будову барометра-анероїда.

Відкрити кришку футляра, в якому міститься прилад і зробити відлік показів термометра з точністю до 0,1º. Для усунення тертя в передавальному механізмі треба легенько постукати пальцем по склу анероїда і після цього зробити відлік положення кінця стрілки з точністю до 0,1 мбар (гПа), або мм.

У добутий відлік тиску ввести три поправки (шкалову, температурну і додаткову), величини яких наведено в додатку 6.

Визначити виправлену величину тиску в лабораторії (Р_в).

Виміряти тиск і температуру повітря на першому поверсі, внести поправки і визначити виправлену величину тиску (Р_н)

Результати занести до таблиці за нижче наведеною формою.

Визначити перевищення лабораторії над першим поверхом (Н) за формулою барометричного нівелювання (1).

Відлік по анероїду	Відлік по термометру, ºС	Поправки	Виправлена величина тиску
шкалова	на температуру	додаткова	сума поправок
Рв
Рн

Завдання 2. Визначити швидкість повітряного потоку на відстані 50, 100, 150 см від вентилятора.

Прилади та устаткування: анемометр ручний, вентилятор, секундомір.

Порядок виконання

1. Вивчити будову анемометра і порядок ведення спостережень з його допомогою.

2. Встановити вентилятор на лабораторному столі біля розетки.

3. Закріпити на дерев’яній (горизонтальній) рейці анемометр на відстані 50 см від вентилятора.

4. Зробити відлік початкових показів за шкалами анемометра, тобто за шкалою тисяч, сотень, десятків і одиниць (велика шкала).

5. Включити вентилятор. Після того, як вентилятор працюватиме на повну потужність, одночасно включити анемометр і секундомір (або засікти положення секундної стрілки на годиннику).

6. Через 100 с виключити анемометр, зробити відлік і записати.

7. Переставити й закріпити анемометр на відстані 100 см і повторити всі операції, перелічені в п. 4, 5, 6, 7.

8. Переставити й закріпити анемометр на відстані 150 см і повторити всі операції, перелічені в п. 4, 5, 6, 7.

9. Обчислити швидкість повітряного потоку на різних відстанях, використавши для цього додаток 7.

10. Добуті дані записати в таблицю:

Відстань, см	Відлік	Різниця відліків	Кількість секунд	Кількість поділок за 1с	Швидкість вітру, м/с
кінцевий	початковий

Завдання 3. За даними середньомісячних показників напрямку вітру, взятих за додатком 8, побудувати графік рози вітрів і визначити за його допомогою переважаючі напрямки вітрів. Дати аналіз графіка з метою його використання у сільськогосподарській діяльності.

Рис.21 Роза вітрів

Для побудови рози вітрів спочатку необхідно накреслити на міліметровому папері вісім румбів напрямків, а потім у масштабі (1см – 5%) відкреслити на румбах значення кожного напрямку і точки з’єднати прямими лініями (рис. 21).

Питання для самоконтролю

1. Що називається атмосферним тиском та одиниці його вимірювання?

2. За допомогою яких приладів можна виміряти атмосферний тиск у станційних та польових умовах?

3. Що називається батометричним нівелюванням? Формула Бабіне.

4. Що таке вітер? Причина виникнення та характеристики вітру.

5. Одиниці та прилади для вимірювання характеристик вітру.

6. Що таке роза вітрів? Де враховується роза вітрів у сільськогосподарському виробництві.

Лабораторна робота №6