Шкала Бофорта – abcdef.wiki

Выносной модуль и измерительная схема датчиков ветра

В качестве фотоизлучателей были выбраны светодиоды ИК-диапазона АЛ-107Б. Эти старинные светодиоды, конечно, не самые лучшие в своем классе, зато имеют миниатюрный корпус диаметром 2,4 мм и способны пропускать ток до 600 мА в импульсе. Между прочим, при испытаниях выяснилось, что образец этого светодиода около 1980 года выпуска (в корпусе красного цвета) имеет примерно вдвое большую эффективность (выразившуюся в дальности уверенной работы фотоприемника), чем современные экземпляры, купленные в «Чипе-Дипе» (они имеют прозрачный желтовато-зеленый корпус).

Через светодиод в датчике скорости пропускался постоянный ток около 20 мА (резистор 150 Ом при питании 5 вольт), а в датчике направления — импульсный (меандр со скважностью 2) ток около 65 мА (те же 150 Ом при питании 12 вольт). Средний ток через один светодиод датчика направления при этом около 33 мА, всего через четыре канала — около 130 мА.

В качестве фотоприемников были выбраны фототранзисторы L-32P3C в корпусе диаметром 3 мм. Сигнал снимался с коллектора, нагруженного на резистор 1,5 или 2 кОм от питания 5 В. Эти параметры подобраны так, чтобы на расстоянии ~20 мм между фотоизлучателем и приемником на вход контроллера поступал сразу полноразмерный логический сигнал в 5-вольтовых уровнях без дополнительного усиления.

Токи, фигурирующие здесь, могут показаться вам несоразмерно большими, если исходить из озвученного выше требования минимального энергопотребления, но как вы увидите, фигурируют они в каждом цикле измерения на протяжении максимум нескольких миллисекунд так, что общее потребление остается небольшим.

Основой для крепления приемников и излучателей послужили отрезки кабельного канала (видны на фото датчиков выше), вырезанные так, чтобы у основания образовать «ушки» для крепления на скобе. Для каждого из этих обрезков к запирающей крышке изнутри приклеивалась пластиковая пластинка, по ширине равная ширине канала.

Светодиоды и фототранзисторы закреплялись на нужном расстоянии в отверстиях, просверленных в этой пластинке так, чтобы выводы оказались внутри канала, а наружу выступали только выпуклости на торце корпусов. Выводы распаиваются в соответствии со схемой (см. ниже), внешние выводы делаются обрезками гибкого разноцветного провода.

Резисторы для излучателей датчика направления также размещаются внутри канала, от них делается один общий вывод. После распайки крышка защелкивается на место, все щели герметизируются пластилином и дополнительно липкой лентой, которой также закрывается отверстие со стороны, противоположной выводам, и вся конструкция заливается эпоксидной смолой. Внешние выводы, как можно видеть на фото датчиков, выводятся на клеммную колодку, закрепленную на тыльной стороне скобы.

Принципиальная схема блока обработки датчиков ветра выглядит так:

О том, откуда берется питание 12-14 вольт, см. далее. Кроме компонентов, указанных на схеме, выносной блок содержит датчик температуры-влажности, который на схеме не показан. Делитель напряжения, подключенный к выводу A0 контроллера, предназначен для контроля напряжения источника питания с целью своевременной замены.

В схеме используется «голый» контроллер Atmega328 в DIP-корпусе, запрограммированный через Uno и установленный на панельку. Такие контроллеры с уже записанным Arduino-загрузчиком, продаются, например, в «Чипе-Дипе» (или загрузчик можно записать самостоятельно).

Такой контроллер удобно программировать в привычной среде, но, лишенный компонентов на плате, он во-первых, получается экономичнее, во-вторых, занимает меньше места. Полноценный энергосберегающий режим можно было бы получить, избавившись и от загрузчика тоже (и вообще расписав весь код на ассемблере :), но здесь это не очень актуально, а программирование при этом неоправданно усложняется.

На схеме серыми прямоугольниками обведены компоненты, относящиеся отдельно к каналам скорости и направления. Рассмотрим функционирование схемы в целом.

Работа контроллера в целом управляется сторожевым таймером WDT, включенным в режиме вызова прерывания. WDT выводит контроллер из режима сна через заданные промежутки времени. В случае, если в вызванном прерывании таймер взводится заново, перезагрузки с нуля не происходит, все глобальные переменные остаются при своих значениях. Это позволяет накапливать данные от пробуждения к пробуждению и в какой-то момент обрабатывать их — например, усреднять.

В начале программы сделаны следующие объявления библиотек и глобальных переменных (чтобы не загромождать текст и без того обширных примеров, здесь выпущено все, что относится к датчику температуры-влажности):

#include <VirtualWire.h>
#include <avr/wdt.h>
#include <avr/sleep.h>
. . . . .
#define ledPin 13 //вывод светодиода (PB5 вывод 19 ATmega)
#define IR_Pin 10 //управление транзистором IRLU (PB2 вывод 16 Atmega)
#define in_3p 9 //вход приемника разряд 3
#define in_2p 8 //вход приемника разряд 2
#define in_1p 7 //вход приемника разряд 1
#define in_0p 6 //вход приемника разряд 0
#define IR_PINF 5 //(PD5,11) вывод для ИК-светодиода частоты
#define IN_PINF 4 //(PD4,6) вход обнаружения частоты 

volatile unsigned long ttime = 0;        //Период срабатывания датчика
float ff[4]; //значения частоты датчика скорости для осреднения
char msg[25]; //посылаемый месседж
byte count=0;//счетчик
int batt[4]; //для осреднения батарейки
byte wDir[4]; //массив направлений ветра
byte wind_Gray=0; //байт кода направления ветра

Для инициации режима сна и WDT (пробуждение каждые 4 с) служат следующие процедуры:

// перевод системы в режим сна
void system_sleep() {
  ADCSRA &= ~(1 << ADEN); //экв. cbi(ADCSRA,ADEN); выключим АЦП
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // режим сна
  sleep_mode();                        // система засыпает
    sleep_disable(); // система продолжает работу после переполнения watchdog
    ADCSRA |= (1 << ADEN); /экв. sbi(ADCSRA,ADEN); включаем АЦП
}

//****************************************************************
// ii: 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
// 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
void setup_watchdog(int ii) {
  byte bb;
  if (ii > 9 ) ii=9;
  bb=ii & 7;
  if (ii > 7) bb|= (1<<5); //в bb - код периода
  bb|= (1<<WDCE);
  MCUSR &= ~(1<<WDRF);
  // запуск таймера
  WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
  // установка периода срабатывания сторожевого таймера
  WDTCSR = bb;
  WDTCSR |= (1<<WDIE); //прерывание WDT  
}
//****************************************************************  
// Обработка прерывания сторожевого таймера 
ISR(WDT_vect) {
        wdt_reset();
}

Датчик скорости выдает частоту прерывания оптического канала, порядок величин — единицы-десятки герц. Мерить такую величину экономичнее и быстрее через период (этому была посвящена публикация автора «

»). Здесь выбран метод через модифицированную функцию pulseInLong(), который не привязывает измерение к определенным выводам контроллера (текст функции periodInLong() можно найти в указанной публикации).

В функции setup() объявляются направления выводов, инициализируются библиотека передатчика 433 МГц и сторожевой таймер (строка для IN_PINF в принципе лишняя, и вставлена для памяти):

void setup() {
  pinMode(IR_PINF, OUTPUT); //на выход
  pinMode(IN_PINF, INPUT); //вывод обнаружения частоты на вход
  pinMode(13, OUTPUT); //светодиод
  vw_setup(1200); // скорость соединения VirtualWire
  vw_set_tx_pin(2);   //D2, PD2(4) вывод передачи VirtualWire
//  Serial.begin(9600); // Serial-порт для контроля при отладке
  setup_watchdog(8); //WDT период 4 c
  wdt_reset();
}

Наконец, в основном цикле программы мы сначала каждый раз при пробуждении (каждые 4 секунды) считываем напряжение и рассчитываем частоту датчика скорости ветра:

void loop() {
  wdt_reset(); //обнуляем таймер
  digitalWrite(ledPin, HIGH); //включаем светодиод для контроля
  batt[count]=analogRead(0); //читаем и сохраняем текущий код батарейки
/*=== частота ==== */ 
  digitalWrite(IR_PINF, HIGH); //включаем ИК-светодиод датчика скорости
  float f=0; //переменная для частоты
      ttime=periodInLong(IN_PINF, LOW, 250000); //ожидание 0,25 сек
//        Serial.println(ttime); //для контроля при отладке
       if (ttime!=0) {//на случай отсутствия частоты
       f = 1000000/float(ttime);} // вычисляем частоту сигнала в Гц
       digitalWrite(IR_PINF, LOW); //выключаем ИК-светодиод
 ff[count]=f; //сохраняем вычисленное значение в массиве    
. . . . .

Время горения ИК-светодиода (потребляющего, напомню, 20 мА) здесь, как видите, будет максимальным при отсутствии вращения диска датчика и составляет при этом условии около 0,25 секунды. Минимальная измеряемая частота, таким образом, составит 4 Гц (четверть оборота диска в секунду при 16 отверстиях).

Как выяснилось при калибровке датчика (см. далее), это соответствует примерно 0,2 м/с скорости ветра Подчеркнем, что это минимальная измеряемая величина скорости ветра, но не разрешающая способность и не порог трогания (который окажется гораздо выше).

Далее следуют процедуры, которые выполняются каждое четвертое пробуждение (то есть каждые 16 секунд). Значение частоты датчика скорости из накопленных четырех значений мы передаем не среднее, а максимальное — как показал опыт, это более информативная величина.

//каждые 16 сек усредняем батарейку и определяем максимальное значение 
//частоты из 4-х значений:
if (count==3){ 
    f=0; //значение частоты
    for (byte i=0; i<4; i  ) if (f<ff[i]) f=ff[i]; //максимальное значение из четырех
    int fi=(int(f*10) 1000); //доводим до 4 дес. разрядов для отправки
    int volt=0; //код батарейки
    for (byte i=0; i<4; i  ) volt=volt batt[i];
    volt=volt/4 100; //средний код на 100 больше = 3 дес.разряда 
    volt=volt*10; //до 4 дес. разрядов
. . . . .

Далее — определение кода Грея направления. Здесь для снижения потребления вместо постоянно включенных ИК-светодиодов на все четыре канала одновременно через ключевой полевой транзистор с помощью функции tone() подается частота 5 кГц. Обнаружение наличия частоты на каждом из разрядов (выводы in_0p – in_3p) производится методом, аналогичным антидребезгу при считывании показаний нажатой кнопки.

Сначала в цикле дожидаемся, имеется ли на выводе высокий уровень, и затем проверяем его через 100 мкс. 100 мкс есть полпериода частоты 5 кГц, то есть при наличии частоты минимум со второго раза мы опять попадем на высокий уровень (на всякий случай повторяем четыре раза) и это означает, что он точно там есть. Эту процедуру повторяем для каждого из четырех бит кода:

/* ===== Wind Gray ==== */
//направление:
  tone(IR_Pin,5000);//частоту 5 кГц на транзистор
  boolean yes = false;
  byte i=0;
  while(!yes){ //разряд 3
    i  ;
    boolean state1 = (digitalRead(in_3p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_3p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[3]=1; else wDir[3]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 2
    i  ;
    boolean state1 = (digitalRead(in_2p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_2p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[2]=1; else wDir[2]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 1
    i  ;
    boolean state1 = (digitalRead(in_1p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_1p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[1]=1; else wDir[1]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 0
    i  ;
    boolean state1 = (digitalRead(in_0p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_0p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[0]=1; else wDir[0]=0;
  noTone(IR_Pin); //выключаем частоту
  //собираем в байт в коде Грея:
  wind_Gray=wDir[0] wDir[1]*2 wDir[2]*4 wDir[3]*8; //прямой перевод в дв. код
  int wind_G=wind_Gray*10 1000; //дополняем до 4-х дес. разрядов
. . . . .

Максимальная длительность одной процедуры будет при отсутствии частоты на приемнике и равна 4×100 = 400 микросекунд. Максимальное время горения 4-х светодиодов направления будет тогда, когда не засвечен ни один приемник, то есть 4×400 = 1,6 миллисекунды.

Алгоритм, кстати, точно так же будет работать, если вместо частоты, период которой кратен 100 мкс, просто подать постоянный высокий уровень на светодиоды. При наличии меандра вместо постоянного уровня мы просто экономим питание вдвое. Мы можем еще сэкономить, если завести каждый ИК-светодиод через отдельную линию (соответственно, через отдельный вывод контроллера со своим ключевым транзистором), но зато при этом усложняется схема, разводка и управление, а ток в 130 мА в течение 2 мс каждые 16 секунд — это, согласитесь, немного.

Наконец, беспроводная передача данных. Для передачи данных от места установки датчиков до табло метеостанции был выбран самый простой, дешевый и надежный способ: пара передатчик/приемник на частоте 433 МГц. Согласен, способ не самый удобный (из-за того, что девайсы рассчитаны на передачу битовых последовательностей, а не целых байтов, приходится изощряться в конвертации данных между нужными форматами), и уверен, что многие со мной захотят поспорить в плане его надежности. Ответ на последнее возражение простой: «ты просто не умеешь их готовить!».

Секрет в том, что обычно остается за кадром различных описаний обмена данными по каналу 433 МГц: поскольку приборы эти чисто аналоговые, то питание приемника должно быть очень хорошо очищено от любых посторонних пульсаций. Ни в коем случае не следует питать приемник от внутреннего 5-вольтового стабилизатора Arduino!

В данном случае передатчик работал непосредственно от напряжения аккумулятора 12 В, приемник и передатчик были снабжены стандартными самодельными антеннами в виде отрезка провода длиной 17 см. (Напомню, что провод для антенн пригоден только одножильный, а размещать антенны в пространстве необходимо параллельно друг другу.)

Пакет информации длиной в 24 байта (с учетом влажности и температуры) без каких-то проблем уверенно передавался со скоростью 1200 бит/с по диагонали через садовый участок 15 соток (около 40-50 метров), и затем через три бревенчатых стенки внутрь помещения (в котором, например, сотовый сигнал принимается с большим трудом и не везде).

Условия, практически недостижимые для любого стандартного способа на 2,4 ГГц (типа Bluetooth, Zig-Bee и даже любительский Wi-Fi), притом, что потребление передатчика здесь составляет жалкие 8 мА и только в момент собственно передачи, остальное время передатчик потребляет сущие копейки. Передатчик конструктивно размещен внутри выносного блока, антенна торчит сбоку горизонтально.

Объединяем все данные в один пакет (в реальной станции к нему добавятся еще температура и влажность), состоящий из единообразных 4-байтных частей и предваряемый сигнатурой «DAT», отправляем его на передатчик и завершаем все циклы:

/*=====Transmitter=====*/
  String strMsg="DAT"; //сигнатура - данные
  strMsg =volt; //присоединяем батарейку 4 разряда
  strMsg =wind_G; //присоединяем wind 4 разряда
  strMsg =fi; //присоединяем частоту 4 разряда
  strMsg.toCharArray(msg,16); //переводим строку в массив
//  Serial.println(msg); //для контроля
  vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // передача сообщения
  vw_wait_tx(); // ждем завершения передачи - обязательно!
  delay(50); //  еще на всякий случай задержка
   count=0; //обнуляем счетчик
}//end count==3 
else count  ;
  digitalWrite(ledPin, LOW); //гасим сигнальный светодиод
  system_sleep(); //систему — в сон
} //end loop

Размер пакета можно сократить, если отказаться от требования представления каждой из величин разнообразных типов в виде единообразного 4-байтового кода (например, для кода Грея, конечно, хватит и одного байта). Но универсализации ради я оставил все как есть.

Питание и особенности конструкции выносного блока. Потребление выносного блока подсчитываем таким образом:

— 20 мА (излучатель) ~20 мА (контроллер со вспомогательными цепями) в течение примерно 0,25 с каждые четыре секунды — в среднем 40/16 = 2,5 мА; — 130 мА (излучатели) ~20 мА (контроллер со вспомогательными цепями) в течение примерно 2 мс каждые 16 секунд — в среднем 150/16/50 ≈ 0,2 мА;

Накинув на этот расчет потребление контроллера при съеме данных с датчика температуры-влажности и при работе передатчика, смело доводим среднее потребление до 4 мА (при пиковом около 150 мА, заметьте!). Батарейки (которых, кстати, потребуется аж 8 штук для обеспечения питания передатчика максимальным напряжением!) придется менять слишком часто, потому возникла идея питать выносной блок от 12-вольтовых аккумуляторов для шуруповерта — их у меня образовалось как раз две штуки лишних.

Емкость их даже меньше, чем соответствующего количества АА-батареек — всего 1,3 А•часа, но зато никто не мешает их менять в любое время, держа наготове второй заряженный. При указанном потреблении 4 мА емкости 1300 мА•часов хватит примерно на две недели, что получается не слишком хлопотно.

Отметим, что напряжение свежезаряженного аккумулятора может составить до 14 вольт. На этот случай поставлен входной стабилизатор 12 вольт — чтобы не допустить перенапряжений питания передатчика и не перегружать основной пятивольтовый стабилизатор.

Выносной блок в подходящем пластиковом корпусе размещается под крышей, к нему на разъемах подведен кабель питания от аккумулятора и соединения с датчиками ветра. Основная сложность в том, что схема оказалась крайне чувствительной к влажности воздуха: в дождливую погоду уже через пару часов начинает сбоить передатчик, измерения частоты показывают полную кашу, а измерения напряжения аккумулятора показывают «погоду на Марсе».

Поэтому после отладки алгоритмов и проверки всех соединений корпус необходимо тщательно герметизировать. Все разъемы в месте входа в корпус промазываются герметиком, то же самое касается всех головок винтов, торчащих наружу, выхода антенны и кабеля питания.

Стыки корпуса промазываются пластилином (с учетом того, что их придется разнимать), и дополнительно проклеиваются сверху полосками сантехнического скотча. Неплохо дополнительно аккуратно укрепить эпоксидкой используемые разъемы внутри: так, указанный на схеме выносного модуля DB-15 сам по себе не герметичен, и между металлическим обрамлением и пластиковой основой будет медленно просачиваться влажный воздух.

Но все эти меры сами по себе дадут только кратковременный эффект — даже если не будет подсоса холодного влажного воздуха, то сухой воздух из комнаты легко превращается во влажный при падении температуры снаружи корпуса (вспомните про явление, называемое «точка росы»).

Чтобы этого избежать, необходимо внутри корпуса оставить патрончик или мешочек с влагопоглотителем — силикагелем (мешочки с ним иногда вкладывают в коробки с обувью или в некоторые упаковки с электронными устройствами). Если силикагель неизвестного происхождения и долго хранился, его перед использованием необходимо прокалить в электродуховке при 140-150 градусах несколько часов. Если корпус герметизирован как следует, то менять влагопоглотитель придется не чаще, чем в начале каждого дачного сезона.

Опасные последствия ураганов и бурь.

Ураганы являются одной из самых мощных сил стихии и по своему пагубному воздействию не уступают таким страшным стихийным бедствиям, как землетрясения. Это объясняется тем, что ураганы несут в себе колоссальную энергию. Ее количество, выделяемое средним по мощности ураганом в течение 1 ч, равно энергии ядерного взрыва в 36 Мт.

За один день выделяется количество энергии, которой хватило бы для полугодового обеспечения электричеством такой страны, как США. А за две недели (средняя продолжительность существования урагана) такой ураган выделяет энергию, равную энергии Братской ГЭС, которую она может выработать за 26 тыс. лет.

Ураганный ветер разрушает
прочные и сносит легкие строения, опустошает засеянные поля, обрывает провода и валит столбы линий электропередачи и связи, повреждает транспортные магистрали и мосты, ломает и вырывает с корнями деревья, повреждает и топит суда, вызывает аварии на коммунально-энергетических сетях, в производстве.

Известны случаи, когда ураганный ветер разрушал дамбы и плотины, что приводило к большим наводнениям, сбрасывал с рельсов поезда, срывал с опоры мосты, валил фабричные трубы, выбрасывал на сушу корабли. Часто ураганы сопровождают сильные ливни, которые опаснее самого урагана, так как являются причиной селевых потоков и оползней.

Размеры ураганов различны. Обычно за ширину урагана принимают ширину зоны катастрофических разрушений. Часто к этой зоне прибавляют территорию ветров штормовой силы со сравнительно небольшими разрушениями. Тогда ширина урагана измеряется сотнями километров, достигая иногда 1000 км.

Ущерб, причиняемый ураганом, определяется целым комплексом различных факторов, в том числе рельефом местности, степенью застройки и прочностью строений, характером растительности, присутствием в зоне его действия населения и животных, временем года, проведенными профилактическими мероприятиями и рядом других обстоятельств, главным из которых является скоростной напор воздушного потока q, пропорциональный произведению плотности атмосферного воздуха на квадрат скорости воздушного потока q = 0,5pv 2 .

Согласно строительным нормам и правилам максимальное нормативное значение ветрового давления составляет q = 0,85 кПа, что при плотности воздуха r = 1,22 кг/м3 соответствует скорости ветра.

Для сравнения можно привести расчетные значения скоростного напора, использованные для проектирования атомных станций для района Карибского бассейна: для сооружений I категории – 3,44 кПа, II и III – 1,75 кПа и для открытых установок – 1,15 кПа.

Ежегодно около ста мощных ураганов шествуют по земному шару, вызывая разрушения и нередко унося человеческие жизни (табл. 2). 23 июня 1997 года над большей частью Брестской и Минской областей пронесся ураган, в результате которого 4 человека погибли, 50 – были ранены.

В Брестской области было обесточено 229 населенных пунктов, выведена из строя 1071 подстанция, сорваны крыши с 10-80 % жилых домов в более чем в 100 населенных пунктах, разрушено до 60 % зданий сельскохозяйственного производства. В Минской области было обесточено 1410 населенных пунктов, повреждены сотни домов.

Поломаны и вывернуты с корнями деревья в лесах и лесопарках. В конце декабря 1999 года от ураганного ветра, пронесшегося по Европе, пострадала и Беларусь. Были порваны линии электропередачи, многие населенные пункты обесточены. Всего от урагана пострадали 70 районов и более 1500 населенных пунктов. Только в Гродненской области вышли из строя 325 трансформаторных подстанций, в Могилевской еще больше – 665.

Таблица 2Последствия воздействия некоторых ураганов

Смерч
(торнадо)
– вихревое движение воздуха, распространяющегося в виде гигантского черного столба диаметром до сотен метров, внутри которого наблюдается разряжение воздуха, куда затягиваются различные предметы.

Смерчи возникают как над водной поверхность, так и над сушей, значительно чаще, чем ураганы. Очень часто они сопровождаются грозами, градом и ливнями. Скорость вращения воздуха в пылевом столбе достигает 50-300 м/сек и более. За время своего существования он может пройти путь до 600 км – по полосе местности шириной в несколько сотен метров, а иногда и до нескольких километров, где и возникают разрушения.

Воздух в столбе поднимается по спирали и затягивает в себя пыль, воду, предметы, людей. Опасные факторы:
попавшие в смерч постройки из-за разряжения в столбе воздуха разрушаются от напора воздуха изнутри. Он вырывает деревья с корнями, опрокидывает автомобили, поезда, поднимает в воздух дома и т. д.

Смерчи в РБ возникали в 1859, 1927 и 1956 годах.

10 апреля 1996 года на острове Барроу в Австралии была зафиксирована самая высокая скорость ветра на Земле. Тогда, во время тропического циклона “Оливия”, ветер разогнался до 408 километров в час. Эту цифру подтвердили ученые из Всемирной метеорологической организации. Как именно они ее вычислили – узнал Криптус.

Обычно метеорологи узнают скорость ветра с помощью чашечного анемометра (другое название – ветромер). Это такой измерительный прибор, на вертикальной оси которого закреплены чашки – полушария, которые вращаются от любого, даже самого легкого, ветра. Чем сильнее ветер, тем быстрее происходит вращение.

Сейчас каждый человек, который хочет всегда быть в курсе скорости ветра, может купить себе цифровой анемометр. Они недорогие и стоят в пределах 25-35 долларов.

Кстати, до того, как люди научились измерять скорость ветра в метрах в секунду, они пользовались шкалой Бофорта. Этот английский адмирал составил таблицу, в которой характеристики разных ветров сводились к системе баллов – от нуля (полный штиль) до 12 баллов (ураганный ветер, доходящий до скорости 117 км/ч).

Современная шкала

Высота волн в шкале приведена для открытого океана, а не прибрежной зоны.

Баллы Бофорта	Словесное определение силы ветра	Средняя скорость ветра			Действие ветра		Изображение
		м/с	км/ч	узлов	на суше	на море
0	Штиль	0—0,2	< 2	0—1	Безветрие. Дым поднимается вертикально, листья деревьев неподвижны.	Зеркально гладкое море.
1	Тихий	0,3—1,5	2—5	1—3	Направление ветра заметно по относу дыма, но не по флюгеру.	Рябь, пены на гребнях волн нет. Высота волн до 0,1 м.
2	Лёгкий	1,6—3,3	6—11	4—6	Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, приводится в движение флюгер.	Короткие волны максимальной высотой до 0,3 м, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными.
3	Слабый	3,4—5,4	12—19	7—10	Листья и тонкие ветви деревьев всё время колышутся, ветер развевает лёгкие флаги.	Короткие, хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену. Изредка образуются маленькие барашки. Средняя высота волн 0,6 м, максимальная около 0,9 м.
4	Умеренный	5,5—7,9	23-28	11—16	Ветер поднимает пыль и мусор, приводит в движение тонкие ветви деревьев.	Волны удлинённые, барашки видны во многих местах. Максимальная высота волн до 1,5 м.
5	Свежий	8,0—10,7	29—38	17—21	Качаются тонкие стволы деревьев, движение ветра ощущается рукой.	Хорошо развитые в длину, но не крупные волны, максимальная высота волн 2,5 м, средняя — 2 м. Повсюду видны белые барашки (в отдельных случаях образуются брызги).
6	Сильный	10,8—13,8	39—49	22—27	Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода.	Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади, вероятны брызги. Максимальная высота волн — до 4 м, средняя — 3 м.
7	Крепкий	13,9—17,1	50—61	28—33	Гнутся стволы деревьев, трудно идти против ветра.	Волны громоздятся, гребни волн срываются, пена ложится полосами по ветру. Максимальная высота волн до 5,5 м.
8	Очень крепкий	17,2—20,7	62—74	34—40	Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно.	Умеренно высокие длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по направлению ветра. Максимальная высота волн до 7,5 м, средняя — 5,5 м.
9	Шторм	20,8—24,4	75—88	41—47	Небольшие повреждения, ветер начинает разрушать крыши зданий.	Высокие волны (максимальная высота — 10 м, средняя — 7 м). Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн начинают опрокидываться и рассыпаться в брызги, которые ухудшают видимость.
10	Сильный шторм	24,5—28,4	89—102	48—55	Значительные разрушения строений, ветер вырывает деревья с корнем.	Очень высокие волны (максимальная высота — 12,5 м, средняя — 9 м) с длинными загибающимися вниз гребнями. Образующаяся пена выдувается ветром большими хлопьями в виде густых белых полос. Поверхность моря белая от пены. Сильный грохот волн подобен ударам.
11	Жестокий шторм	28,5—32,6	103—117	56—63	Большие разрушения на значительном пространстве. Наблюдается очень редко.	Видимость плохая. Исключительно высокие волны (максимальная высота — до 16 м, средняя — 11,5 м). Суда небольшого и среднего размера временами скрываются из вида. Море всё покрыто длинными белыми слоями пены, располагающимися по ветру. Края волн повсюду сдуваются в пену.
12	Ураган	33 и более	118 и более	64 и более	Огромные разрушения, серьёзно повреждены здания, строения и дома, деревья вырваны с корнями, растительность уничтожена. Случай крайне редкий.	Исключительно плохая видимость. Воздух наполнен пеной и брызгами. Всё море покрыто полосами пены.

Формулы

Согласно пересмотренной шкале Бофорта в 1946 году, существует следующая зависимость между скоростью ветра и силой Бофорта B [ Bft ] ( коммерчески округлено ):v{ displaystyle v}

vзнак равно0,8360 м/s⋅Б.3/2{ displaystyle v = 0 {,} 8360 mathrm {~ m / s} cdot B ^ {3/2}}

или разрешено согласно B:

Б.знак равно(v0,8360 м/s)2/3{ displaystyle B = left ({ frac {v} {0 {,} 8360 mathrm {~ m / s}}} right) ^ {2/3}}

где v – скорость ветра на высоте 10 метров над поверхностью. Первая из формул была установлена в качестве национального стандарта Британской метеорологической службой в 1913 году и предложена в качестве международного стандарта в 1914 году (предложение было отклонено).

vзнак равно1,625 kп⋅Б.3/2знак равно13-е8-е kп⋅Б.⋅Б.{ displaystyle v = 1 {,} 625 mathrm {~ kn} cdot B ^ {3/2} = { frac {13} {8}} mathrm {~ kn} cdot B cdot { sqrt {B}}}

или же.

vзнак равно3,010 kм/ЧАС⋅Б.3/2≈3 kм/ЧАС⋅Б.⋅Б.{ displaystyle v = 3 {,} 010 mathrm {~ км / ч} cdot B ^ {3/2} приблизительно 3 mathrm {~ км / ч} cdot B cdot { sqrt {B}} }

Упрощенные отношения:

Б.≈v 10 кн6-е кн{ displaystyle B приблизительно { гидроразрыва {v 10 { mbox {kn}}} {6 { mbox {kn}}}}}

(Это приближение приводит к ошибкам <0,5 Bft при силе ветра от 3 до 10 Bft. Однако в практических условиях или при проведении измерений с помощью имеющихся в продаже устройств эта ошибка обычно незначительна.)

Поскольку работа с дробными или десятичными дробями силы ветра является необычной, важно рассчитать нижний и верхний пределы целочисленной силы ветра по одной из упомянутых формул. Предельные значения в узлах, км / ч и милях в час округляются до целых чисел, а значения в м / с – до одного десятичного знака.

Фактически, расчетная формула представляет собой только «наименьший общий знаменатель» в попытках многочисленных международных метеорологических и геофизических конференций в период с 1914 (в Риме) по 1970 год создать общую основу для единого прогноза погоды , поскольку каждая морская нация с момента затопления « Титаник» был обязан распространять текущие сводки погоды у их берегов.

Помимо самих таблиц предельных значений, предметом переговоров был соответствующий метод измерения, изменение высоты измерения или времени измерения и другие формальности. Соглашение было впервые достигнуто в 1926 году с Венской шкалой , которая была рассчитана на основе средних арифметических значений британской шкалы Симпсонов и старой международной шкалы Deutsche Seewarte Hamburg .

В 1946 году шкала Симпсонов с 1906 по 1913 год была принята как так называемая Парижская шкала , чтобы в 1947 году расширить ее в соответствии с формулой расчета до силы ветра 17 для описания ураганов. Затем это было подтверждено в Вашингтонском кодексе 1949 года, в котором указывалось, что скорость ветра следует измерять в узлах .

В 1960 году расширение до 17 (иногда даже неофициально до 23 скоростей ветра) было отменено, потому что авиация полностью выпала из шкалы Бофорта, метеорология разработала свои собственные масштабы ураганов, а мореплавание обошлось с 12 скоростями ветра.

В крайних случаях или для штормов на других планетах, таких как Марс , скорость ветра задается непосредственно в подходящей единице.

В давление ветра возрастает пропорционально квадрату скорости ветра , и , таким образом , с куба силы ветра Бофорта. Однако, поскольку шкала Бофорта учитывает только скорость, а не плотность воздуха , которая зависит от высоты и температуры , назначение силы ветра по шкале Бофорта и давления ветра неясно. Буря с z. B.

В поисках практического значения третьей степени формулы, помимо квадрата динамического давления, можно найти модуль упругости в поперечном сечении стержней под напряжением изгиба. Он изменяется в третьей степени диаметра для круглого или радиуса вращения для любого поперечного сечения.

В смысле Бофорта это приводит к практическому и описательному утверждению, которое также может быть перенесено на наземные объекты, предположительно сокращенные другими условиями: при тех же парусах удвоенная сила ветра ломает удвоенный диаметр мачты.