Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ИЗМАИ?ЛОВСКАЯ ГИМНАЗИЯ No1508

Анализ вихревых потоков воздуха с помощью физического моделирования исследовательская работа по географии

Жалеева Диана Рафиковна

Научныи? руководитель:

Родионова Марина Александровна

Москва 2016



Содержание

1. Введение

1.1 Методологические характеристики исследования

2. Атмосферные вихри

2.1.1 Причины образования

2.1.2 Ежегодное образование в США

2.1.3 Аллеи торнадо

2.1.4 Шкала Фудзиты

2.1.5 Самые разрушительные торнадо

2.1.6 Места образования смерчей

2.1.7 Наблюдатели и охотники за торнадо

2.2.1 Это интересно знать

2.2.2 Виды смерчей

2.2.3 Меры предосторожности

2.2.4 Защита от циклонов

2.2.5 Методы борьбы с торнадо

2.2.6 Интересные факты из хроники смерчей

3. Методика моделирования, оборудование

4. Практическая часть

5. Защита города Фоллс

Выводы

Заключение

Библиография

Приложение

Словарь



1. Введение

вихревой поток торнадо смерч

«Смерч... Он появляется там, где его не ждёт никто! В глубь веков уводят нас предания и легенды, связанные с этим страшным явлением природы. Смерч прочно вошел в фольклор и лег в основу многих народных сказок. Огнедышащий дракон, знаменитый Змей Горыныч, живущий обычно в неприступном замке, в котором томятся плененные им красавицы, - это он, его облик. И где бы дракон ни появлялся, всюду он сеял смерть и разрушения, приносил людям страдание и горе.

И в самом деле, форма смерча обычно настолько подвижна и резко очерчена, а его поведение, казалось бы, настолько продуманно и коварно, что даже нашему современнику, лишенному каких-либо предрассудков, он зачастую кажется живым, телесным существом. Судите сами. В грозовом облаке вдруг появляется «глаз», именно «глаз», с мертвым, безжизненным зрачком. Ощущение такое, что он высматривает добычу. Заметил! В тот же момент, полыхнув огнем, он с ревом и скоростью курьерского поезда устремляется к земле, оставляя за собой длинный, хорошо видимый шлейф-хвост. Схватил добычу, и… только его и видели, убрался восвояси, скрылся в облаке. Ну разве не напоминает Змея Горыныча? И, к сожалению, не только внешним видом…[5]

1.1 Методологические характеристики исследования

Актуальность: в связи с глобальным потеплением климата ожидается резкое нарастание количества и силы природных явлении? - ураганов, сопровождающихся вихревыми движениями воздуха. Поэтому задача предсказания их появления, а также борьбы с ними исключительно актуальна.

Проблема: одна из современных проблем -- это многочисленные ураганы, систематически наносящие гигантскии? материальныи? ущерб и уносящие множество человеческих жизнеи?.

Гипотеза: некоторые особенности вихревых движении? воздуха можно объяснить с помощью физического моделирования.

Объект исследования: вихревые потоки воздуха.

Предмет исследования: анализ вихревых потоков воздуха с помощью физического моделирования.

Тема: анализ вихревых потоков воздуха с помощью физического моделирования.

Цель: смоделировать и объяснить образование вихревых потоков воздуха.

Задачи:

1.Изучить теоретическии? материал по теме.

2.Провести моделирование с помощью цифровои? лаборатории.

3.Проанализировать полученные результаты и сделать вывод.

4. Оформить исследовательскии? проект.

Новизна: использование цифровои? лаборатории при проведении практическои? части работы позволяет смоделировать и объяснить некоторые особенности вихревых потоков воздуха.

Методы:

1.Моделирование

2. Анализ

3. Сравнение

4. Обобщение

Теоретические основания: основы теории познания, физическая география, аэродинамика.



2. Атмосферные вихри

«Атмосферные вихри (тропические циклоны, смерчи, шквалы и ураганы) Тропические циклоны -- это вихри, в центре которых низкое давление; образуются они летом и осенью над теплой поверхностью океана. Обычно тропические циклоны возникают только в низких широтах около экватора, между 5 и 20° Северного и Южного полушарий. Отсюда вихрь диаметром примерно 500--1000 км и высотой в 10--12 км начинает свой бег. Тропические циклоны широко распространены на Земле, и в различных частях света их называют по-разному: в Китае и Японии -- тайфунами, на Филиппинах -- бэгвиз, в Австралии -- вилли-вилли, вблизи побережья Северной Америки -- ураганами. По разрушительной силе тропические циклоны могут соперничать с землетрясениями или извержениями вулканов. За один час один такой вихрь диаметром в 700 км выделяет энергию, равную 36 водородным бомбам средней мощности. В центре циклона часто бывает так называемый глаз бури -- небольшая область затишья диаметром 10--30 км. Здесь малооблачная погода, небольшая скорость ветра, высокая температура воздуха и очень низкое давление, а вокруг, вращаясь по часовой стрелке, дуют ветры ураганной силы. Их скорость может превышать 120 м/с, при этом возникает мощная облачность, сопровождаемая сильными ливчями, грозами и градом. Вот, например, кахие беды натворил ураган «Флора», пронесшийся в октябре 1963 г. над островами Тобаго, Гаити и Куба. Скорость ветра достигала 70-- 90 м/с. На Тобаго началось наводнение. На Гаити ураган уничтожил целые селения, погибли 5 тыс. человек и 100 тыс. остались без крова. Количество осадков, сопровождающих тропические циклоны, кажется невероятным в сравнении с интенсивностью дождей при самых сильных циклонах умеренных широт. Так, при прохождении одного урагана через Пуэрто-Рико за 6 часов выпало 26 млрд. т воды. Если разделить это количество на единицу площади, осадков будет значительно больше, чем их выпадает за год, например, в Батуми (в среднем 2700 мм).»[7]

2.1.1 Причины образования смерчей

«Смерч (синонимы -- торнадо, тромб, мезо-ураган) -- сильный вихрь, образующийся в жаркую погоду под хорошо развитым кучево-дождевым облаком и распространяющийся к поверхности земли или водоема в виде гигантского темного вращающегося столба или воронки.

Вихрь имеет вертикальную (или слегка наклоненную к горизонту) ось вращения, высота вихря составляет сотни метров (в ряде случаев 1-2 км), диаметр 10-30 м, время существования -- от нескольких минут до часа и более.

Смерч проходит узкой полосой, так что непосредственно на метеостанции значительного усиления ветра может и не быть, но фактически внутри смерча скорость ветра достигает 20-30 м/с и более. Смерч чаще всего сопровождается ливневым дождем и грозой, иногда градом.

В центре смерча отмечается очень низкое давление, вследствие чего он засасывает в себя все, что встречается на пути, и может поднять воду, почву, отдельные предметы, постройки, перенося их иногда на значительные расстояния.

Форма смерчей может быть многообразной -- колонна, конус, бокал, бочка, бичеподобная веревка, песочные часы, рога "дьявола" и т.п., но чаще всего смерчи имеют форму вращающегося хобота, трубы или воронки, свисающей из материнского облака (отсюда и их названия: tromb- по французски труба и tornado -- по испански вращающийся).

Причины образования смерчей до сих пор окончательно не выяснены. Смерчи образуются под мощными кучево-дождевыми облаками в результате взаимодействия очень сильных восходящих и нисходящих потоков, связанных с движениями в облаке.

Чаще всего он образуется следующим образом: из грозового облака по направлению к земле протягивается гигантский "черный хобот", воронкообразно расширяющийся у основания облака и сужающийся книзу. Если "хобот" достигает поверхности земли, то здесь он снова расширяется, образуя воронку, содержащую пыль, песок или почву (если смерч развивается над сушей), или воду (если смерч проходит над водной поверхностью).

В своем развитии каждый смерч проходит три стадии: образования изначальной воронки из грозового облака, вихря максимальной мощности (когда воронка касается земли) и разрушения вихря -- когда воронка отрывается от земли и поднимается в материнское облако. Длительность каждой стадии непостоянна и колеблется от нескольких минут до нескольких часов.»[4]

2.1.2 Ежегодное образование смерчей в США

«Сколько торнадо возникает в США ежегодно?

Каждый год в США возникает около тысячи торнадо. Точно сказать сложно, поскольку некоторые торнадо возникают в малозаселенной местности и поэтому не фиксируются.

Сколько людей погибает в США ежегодно от торнадо?

В среднем ежегодно от торнадо гибнет около 60 человек, в основном - от летающих или падающих обломков.

В какое время года возникает больше всего торнадо?

В основном сезон торнадо длится с начала весны до середины лета. В некоторых штатах пик торнадо приходится на май, в других - на июнь или даже июль. Но вообще торнадо могут возникать в любое время года.»[3]

2.1.3 Аллея торнадо

«Аллея торнадо (англ. Tornado Alley) -- неофициальный термин, обозначающий территории США, в которых наблюдается наибольшее количество торнадо. Как правило, с этим понятием ассоциируется территория между Скалистыми горами и горной системой Аппалачи^[1]. "Аллея торнадо" расположена в штатах: Техас, Канзас, Миссури, Оклахома, Южная Дакота.

Согласно статистике, приводимой Национальным центром климатических данных США (англ. National Climatic Data Center), наибольшее количество торнадо приходится на штат Техас. Первоочередной причиной тому является большая территория штата. Второе и третье места занимают соответственно штаты Канзас и Оклахома. Торнадо формируются при столкновении двух воздушных потоков - теплого влажного, и холодного сухого. В Оклахому теплый влажный воздух приходит из Мексиканского залива, а холодный спускается с севера, со стороны Канады. Воздушные массы попадают в коридор, образованный горами, тянущимися по американскому континенту с севера на юг, «аллею торнадо», и сталкиваются в нем, образуя мощнейшие вихри.

В городах штатов, наиболее часто подверженных торнадо, действуют более строгие нормы к прочности зданий, а сами дома часто снабжены противоторнадовыми убежищами. О возможном приближении торнадо, кроме средств массовой информации, жителей этих городов также оповещают специальные сирены.» [2]

2.1.4 Шкала Фудзисты

«Шкала Фудзиты (англ. Fujita scale), также известная как Шкала Фудзиты-Пирсона или F-шкала, была введена профессором Теодором Фудзитой в 1971 году для классификации торнадо. Шкала состоит из 13 категорий: от F0 до F12. При этом интервал между F0 и F1 соответствует 11-му и 12-му баллам по шкале Бофорта. Категории торнадо от F6 до F12 были введены в качестве теоретических, и вне зависимости от скорости ветра в торнадо, даже если она превышает 512 км/ч, максимальная присваиваемая категория в любом случае будет F5^[1]. Наиболее часто встречаются смерчи категории F1 и F2. Реже -- более высоких категорий. Теоретическая скорость смерча шкалы F12 равна скорости звука.

Максимальную скорость ветра наиболее мощных торнадо трудно измерить: ведь вблизи него не уцелеет ни один метеорологический прибор.»[1]

2.1.5 Самые разрушительные торнадо:

- «Торнадо в Даулатпуре и Сатурии

Смерч радиусом более 1,5 км прошел 80 км и затронул округ Маникгандж, который расположен в центре страны в области Дакка. Больше всего пострадали города Даулатпур и Сатурия. Смерч унес жизни 1,3 тысячи человек, 12 тысяч были ранены.

Торнадо был настолько разрушительным, что легко поднимал в воздух и уничтожал в бедных районах Бангладеш дома местных жителей. Некоторые города были полностью уничтожены. Целых 80 тысяч человек остались без крова.

- Смерчи в Пакистане

Страшный смерч в 1969 году прошелся по территории восточного Пакистана, которая сейчас является территорией Бангладеш. От него серьезно пострадал город Дакка. Более 660 человек погибли, порядка 4 тысяч были ранены.

В тот же самый день еще один торнадо возник в округе Комилла области Читтагонг, Бангладеш. Погибли еще более 220 человек. Торнадо прошелся по густонаселенному району, поэтому жертв было так много.

- Торнадо «Три-Стейт»

В стране торнадо США самые ужасные последствия произвел «Три-Стейт» 18 марта 1925 года. Он прошел с юго-востока штата Миссури через юг Иллинойса до юго-запада Индианы.

Около 700 человек погибли, 2 тысячи пострадали. Были разрушены 15 тысяч домов, многие остались без крова и еды. Были зафиксированы случаи мародерства и хищения имущества погибших. Некоторые населенные пункты, уничтоженные этим торнадо, так и не были восстановлены.

- Торнадо в Мирзапуре

Еще один невероятной силы смерч обрушился на Бангладеш 15 мая 1996 года. Он прошел от города Мадаргандж на севере страны до города Мирзапур в центральной ее части.

Порядка 700 человек стали жертвами этого торнадо, многих людей вихрь поднимал в воздух на высоту более километра. 30 тысяч домов оказались разрушены.

- Смерч в области Дакка

Еще один невероятной силы смерч обрушился на Бангладеш 15 мая 1996 года. Он прошел от города Мадаргандж на севере страны до города Мирзапур в центральной ее части.

Порядка 700 человек стали жертвами этого торнадо, многих людей вихрь поднимал в воздух на высоту более километра. 30 тысяч домов оказались разрушены.»[7]

2.1.6 Места образования смерчей

Грозы бывают в большей части земного шара, за исключением регионов с субарктическим или арктическим климатом, однако смерчи могут сопровождать только те грозы, которые находятся на стыке атмосферных фронтов.

Наибольшее количество смерчей фиксируется на североамериканском континенте, в особенности в центральных штатах США, меньше -- в восточных штатах США. На юге, в штате Флорида у островов Флорида-Кис, смерчи появляются с моря почти каждый день, с мая до середины октября, за что этот район получил прозвище «край водяных смерчей». В 1969 году здесь было зафиксировано 395 подобных вихрей[13].

Вторым регионом земного шара, где возникают условия для формирования смерчей, является Европа (кроме Пиренейского полуострова), и вся Европейская территория России, за исключением северных областей.

Таким образом, смерчи в основном наблюдаются в умеренном поясе обоих полушарий, приблизительно с 60-й параллели по 45-ю параллель в Европе и 30-ю параллель в США.

Также смерчи фиксируются на востоке Аргентины, ЮАР, западе и востоке Австралии и ряда других регионов, где также могут быть условия столкновения атмосферных фронтов.

2.1.7 Наблюдатели и охотники за торнадо

«Чем наблюдатели отличаются от охотников за торнадо?

Различие в методике и мотивации. Охотники более мобильные и в отличие от большинства наблюдателей, проезжают сотни километров через штаты для наблюдения штормов и торнадо. Основная функция наблюдателей - сообщать информацию о состоянии погоды в своей местности в Национальную службу погоды через нескольких координаторов. Охотники за торнадо могут преследовать различные цели: научные программы, фотографии торнадо, самообразование, коммерческая видеосъемка или работа для средств массовой информации. Некоторые наблюдатели также выезжают из своей местности для съемки торнадо, а охотники - сообщают информацию о текущей погоде.»[3]

2.2.1 Это интересно знать

«Ежегодно по планете прокатываются сотни торнадо, тайфунов, смерчей и ураганов. И по телевидению или радио, мы часто сталкиваемся с тревожными сообщениями, рассказывающими о том, что где-то на планете бушует стихия. Ураганы и тайфуны репортеры всегда называют женскими именами. Откуда пошла такая традиция? Мы постараемся в этом разобраться.

Ураганам принято давать имена. Это делается для того, чтобы не путать их, особенно тогда, когда в одном и том же районе мира действуют несколько тропических циклонов, для того, чтобы не было недоразумений при прогнозировании погоды, в выпуске штормовых оповещений и предупреждений.

До появления первой системы присвоения имен ураганам, они получали свои названия бессистемно и случайно. Порой ураган называли именем святого, в день которого произошло бедствие. Так, например, свое имя получил ураган "Санта-Анна", который достиг города Пуэрто-Рико 26 июля 1825 года, в день св. Анны. Название могло даваться по местности, которая пострадала от стихии больше всего. Иногда название определялось самой формой развития урагана. Так, например, получил свое имя ураган "Булавка" №4 в 1935 году, форма траектории которого напоминала упомянутый предмет.

Известен оригинальный метод присвоения имен ураганам, придуманный австралийским метеорологом Клементом Раггом: он называл тайфуны именами членов парламента, которые отказывались голосовать за выделение кредитов на метеоисследования.

Широкое распространение имена циклонов получили во время Второй мировой войны. Метеорологи военно-воздушных и военно-морских сил США вели наблюдение за тайфунами в северо-западной части Тихого океана. Чтобы избежать путаницы, военные метеорологи называли тайфуны именами своих жен или тещ. После войны национальная метеослужба США составила алфавитный список женских имен. Основной идеей этого списка стало использование коротких, простых и легко запоминающихся имен.

К 1950 году появилась первая система в именах ураганов. Сначала выбрали фонетический армейский алфавит, а в 1953 году решили вернуться к ЖЕНСКИМ ИМЕНАМ. В последующем присвоение ураганам женских имен вошло в систему и было распространено на другие тропические циклоны - на тихоокеанские тайфуны, штормы Индийского океана, Тиморского моря и северо-западного побережья Австралии.

Пришлось упорядочить и саму процедуру присвоения имен. Так, первый ураган года стали называть женским именем, начинающимся с первой буквы алфавита, второй - со второй и т. д. Имена выбирались краткие, которые легко произносятся и легко запоминаются. Для тайфунов существовал список из 84 женских имен. В 1979 году Всемирная метеорологическая организация (ВМО) совместно с национальной метеослужбой США расширили этот список, включив также и мужские имена.

Поскольку бассейнов, где формируются ураганы, несколько, то и списков имен тоже несколько. Для ураганов Атлантического бассейна есть 6 алфавитных перечней, каждый из 21 имени, которые используются 6 лет подряд, а потом повторяются. Если в году окажется больше 21 атлантического урагана, в дело пойдет греческий алфавит.

В случае, если тайфун особенно разрушителен, имя, присвоенное ему, вычеркивается из перечня и заменяется другим. Так имя KATRINA навсегда вычеркнуто из списка метеорологов.

В северо-западной части Тихого океана для тайфунов припасены названия животных, цветов, деревьев и даже продуктов: Накри, Юфунг, Канмури, Копу. Японцы отказались давать смертоносным тайфунам женские имена, потому что женщин там считают существами нежными и тихими. А тропические циклоны севера Индийского океана остаются безымянными.» [9]

2.2.2 Виды смерчей

«Бичеподобные

Это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.

Расплывчатые

Выглядят как лохматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные. Наносят огромный ущерб ввиду больших размеров и очень высокой скорости ветра.

Составные

Могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях. Чаще формируются на воде. Эти воронки немного связаны друг с другом, но бывают и исключения.

Огненные

Это обычные смерчи, порождаемые облаком, образованным в результате сильного пожара или извержения вулкана. Именно такие смерчи впервые были искусственно созданы человеком (опыты Дж. Дессена (Dessens, 1962) в Сахаре, которые продолжались в 1960--1962 гг.). «Впитывают» в себя языки пламени, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя огненный смерч. Может разносить пожар на десятки километров. Бывают бичеподобными. Не могут быть расплывчатыми (огонь не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей).

Водяные

Это смерчи, которые образовались над поверхностью океанов, морей, в редком случае озёр. Они «впитывают» в себя волны и воду, образовывая, в некоторых случаях, водовороты, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя водный смерч. Бывают бичеподобными. Так же как и огненные, не могут быть расплывчатыми (вода не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей).

Земляные

Эти смерчи очень редкие, образовываются во время разрушительных катаклизмов или оползней, иногда землетрясений выше 7 баллов по шкале Рихтера, очень высокие перепады давления, сильно разрежен воздух. Бичеподобный смерч расположен «морковкой» (толстой частью) к земле, внутри плотной воронки, тонкая струйка земли внутри, «вторая оболочка» из земляной жижи (если оползень). В случае с землетрясениями поднимает камни, что очень опасно.

Снежные

Это снежные торнадо во время сильной метели.

Песчаные вихри

От рассмотренных смерчей надо отличать «смерчи» песчаные («пыльные дьяволы»), наблюдаемые в пустынях (Египет, Сахара, Марс); в отличие от предыдущих, последние называются иногда тепловыми вихрями. Сходные по внешнему своему виду с настоящими смерчами, песчаные вихри пустынь ни по размерам, ни по происхождению, ни по строению и действиям ничего общего с первыми не имеют. Возникая под влиянием местного накаливания песчаной поверхности солнечными лучами, песчаные вихри представляют собой настоящий циклон (барометрический минимум) в миниатюре. Уменьшение давления воздуха под влиянием нагревания, вызывающее приток воздуха с боков к нагретому месту, под влиянием вращения Земли, а ещё более -- неполной симметрии такого восходящего потока, образует вращение, постепенно разрастающееся в воронку и иногда, при благоприятных условиях, принимающий довольно внушительные размеры. Увлекаемые вихревым движением, массы песка поднимаются восходящим движением в центре вихря на воздух, и таким образом создается песчаный столб, представляющий подобие смерча. В Египте наблюдались такие песчаные вихри до 500 и даже до 1000 метров высотой при диаметре до 2--3 метров. ри ветре эти вихри могут перемещаться, увлекаемые общим движением воздуха. Продержавшись некоторое время (иногда -- до 2 часов), такой вихрь постепенно ослабевает и рассыпается.» [2]

2.2.3 Меры предосторожности при смерче

«Необходимо укрыться в наиболее прочном железобетонном строении со стальным каркасом, держась возле самой прочной стены, также -- наилучший вариант укрытия -- подземное убежище или пещера. Оставаться в автомобиле или в вагончике, учитывая большую подъёмную силу смерча, смертельно опасно, также опасно для жизни встретиться со стихией вне помещения.

Если смерч застал человека на открытом пространстве, то нужно перемещаться с максимальной скоростью перпендикулярно видимому движению воронки. Или, при невозможности отступления, укрыться в углублениях на поверхности (овраги, ямы, траншеи, кюветы дорог, рвы, канавы) и плотно прижаться к земле лицом вниз, укрыв голову руками. Это поможет значительно снизить вероятность и тяжесть травм от несомых смерчем предметов и обломков.

В небольшом одно- двух- этажном частном доме можно воспользоваться подвалом (здесь же на подобный экстренный случай разумно заранее поместить запас воды и консервы, также свечи или светодиодные лампы), если подвала нет, то следует держаться в ванной или в центре маленькой комнаты на нижнем этаже, можно под прочной мебелью, но подальше от окон. Благоразумным будет -- одеться в плотную одежду, взяв с собой деньги и документы. Чтобы дом не взорвался от перепада давления, вызванного нагнетанием воздуха вихрем, со стороны приближающегося смерча рекомендуется плотно закрыть все окна и двери, а с противоположной стороны -- открыть нараспашку и зафиксировать. Согласно технике безопасности желательно перекрыть газ и отключить электричество.» [2]

2.2.4 Защита от циклонов

«Защита от циклонов может быть не только пассивной, но и активной. Первый опыт разрушения циклона был осуществлен еще в 1947 году. Все подобные усилия сводятся к тому, чтобы каким-либо способом рассеять энергию циклона. Отделить его от океана, чтобы последний не мог снабжать циклон энергией, либо способствовать распределению этой энергии в большем пространстве. Внимание обращено на те зоны циклона, где наблюдается перепад в его характеристиках и где уровень энергии наиболее высок, то есть на границу между глазом и стеной циклона. Сначала в этих целях пытались распылять сухой лед, который должен был послужить в качестве ядер кристаллизации. В 1960 году стали использовать йодид серебра, который способствует конденсации паров воды. Был достигнут определенный успех: сначала удалось снизить скорость ветра на 10%, а в 1969 году--даже на 30%. Этот метод защиты покоится на верном теоретическом основании, однако недостатком является то, что он весьма дорогостоящ. Тем не менее начало успешного наступления на этот вид катастроф положено и, безусловно, дело на этом не остановится.»[11]

2.2.5 Методы Борьбы

1. Самый дешевый и практически легко выполнимый "Метод системы подземных воздуховодов".

Представим трубу большого диаметра длиной "L" лежащую в земле так, чтобы она почти не выходила на поверхность. Для начала опишем метод всего с двумя открытыми выходами на поверхность на торцах. Если торнадо "наезжает" на любой конец трубы, то зона низкого давления, окружающего по периферии кольцо торнадо, а затем и в центре торнадо начинает засасывать воздух из открытого конца трубы и, таким образом, зона низкого давления заполняется посторонним воздухом, находящимся на расстоянии L. В результате молекулы воздуха движущиеся по кольцу торнадо лишаются центростремительной силы и уносятся в разных направлениях. Сила торнадо серьезно ослабевает, вплоть до начала процесса схлопывания.

2. Метод взрывной компрессии.

Метод заключается в подаче в центр воронки торнадо под большим давлением сильно нагретого воздуха (двуокиси углерода, паров жидкостей или любого другого безвредного для экологии газа) со скоростью близкой к скорости взрыва. Время подачи газа 10-20 секунд. Температура конечно в принципе может быть любой, но эффективность повышается с температурой. Так же это может быть и взрыв фугаса или обстрел воронки снарядами или ракетами.

Сложность данной системы - необходимость оказаться точно под воронкой торнадо.

Метод подачи газа может быть активный - например реактивный двигатель, или пассивный - емкость с газом находящимся под очень большим давлением.

3. Метод контрфорсов.

Метод контрфорсов позволяет существенно ослабить действие уже сформировавшихся торнадо или снизить силу торнадо в стадии его формирования. Суть метода - на местности возводятся насыпи специальной формы, работающие по принципу волнолома для приземной части структуры торнадо.

4. Метод высотного предупреждения.

Метод высотного предупреждения образования торнадо состоит в переключении ветровых электростанций из режима обычной выработки электроэнергии в режим компенсационного нагрева/охлаждения окружающего воздуха и подачи его на максимально возможную высоту по командам автоматических метеостанций.

Вторая разновидность этого же метода строительство специальных вертикальных труб для этой же цели.

Изобретение относится к управлению или регулированию расхода в потоке текучей среды с использованием неэлектрических средств. Задача изобретения - уменьшить вредное воздействие на окружающую среду при уничтожении восходящего закрученного потока. Технический результат достигается тем, что для разрушения восходящего закрученного потока используют внешний покоящийся воздуха. Поток внешнего воздуха имеет давление большее, чем давление внутри вертикальной части восходящего закрученного потока. При этом места ввода внешнего воздуха внутрь восходящего закрученного потока должны быть расположены на одной высоте от придонной части восходящего закрученного потока по периметру его вертикальной части, и каждое место ввода должно иметь вертикальный размер не менее 2-3 шагов винтовых траекторий движения воздуха в восходящем закрученном потоке или не менее 1-2 шагов при условии, что внешний воздух вводят одновременно по всему периметру вертикальной части восходящего закрученного потока. Таким образом, в предлагаемом изобретении основную работу по прекращению функционирования восходящего закрученного потока производит поток воздуха, внешний по отношению к восходящему закрученному потоку, не наносит вреда окружающей среде и не приводит к человеческим жертвам.

4. Мелкоячеистая сетка.

Такой способ запатентовали Сергей Баутин и Алексей Вараксин.

«Структура его достаточно близка к тому, что возникает в природе. Алексей Юрьевич пытается уничтожить смерч с помощью мелкоячеистой сетки, установленной на пути воздушного потока, и в 80% случаев успешно добивается разрушения. Дело в том, что от сплошной стенки торнадо отразится, а вот о такую сетку, с высокой долей вероятности, разрушится»-говорит Сергей Баутин.[12]

2.2.6 Интересные факты из хроники смерчей

«* Первое упоминание о смерче в России относится к 1406 году.

* 30 мая 1879 года так называемый «ирвингский смерч» поднял на воздух деревянную церковь вместе с прихожанами во время церковной службы, перенеся её на четыре метра в сторону, после чего удалился. Значительного ущерба панически перепуганные прихожане не понесли, если не считать ранений от упавших с потолка штукатурки и кусков древесины^[14].

* В 1923 году в штате Теннесси (США) смерч мгновенно уничтожил и унёс стены, потолок и крышу сельского дома, при этом жильцы, сидящие за столом, отделались лёгким испугом.

* В 1940 году в деревне Мещеры Горьковской области наблюдался дождь из серебряных монет. Оказалось, что во время грозового дождя на территории Горьковской области был размыт клад с монетами. Проходивший поблизости смерч поднял монеты в воздух и выбросил их у деревни Мещеры^[19].

* В апреле 1965 года над США одновременно возникли 37 различных по мощности торнадо, высотой до 10 км и в диаметре около 2 км, со скоростью ветра до 300 км в час. Эти вихри произвели громадные разрушения в шести штатах. Число погибших превысило 250 человек, а 2500 получили ранения.

* Самая высокая скорость ветра на поверхности Земли была зарегистрирована во время смерча в США в 1999 году -- около 500 км/ч^[20].» [2]



3. Методика моделирования, оборудование

Демонстрация изменения давления внутри воздушного потока

Цель работы:

Выяснить распределение давления в восходящем потоке воздуха

Теоретические основы:

В восходящем потоке воздуха, аналогичному торнадо, в центре у основания давление ниже, чем с краю. Таким образом, шарик, находящийся в зоне потока, будет стремиться к центру и находиться в устойчивом состоянии.

Оборудование:

1. Пластиковый мячик для тенниса

2. Фен (источник восходящего потока)

Монтаж экспериментальной установки

Подключить фен к сети

Во время проведения эксперимента не должно быть мощных боковых потоков воздуха.

Порядок проведения эксперимента:

1. Включить фен.

2. Дождаться формирования восходящего воздушного потока

3. Поместить мячик в центр воздушного потока

Анализ результатов:

1. Пронаблюдать поведение шарика в воздушном потоке.

2. Будет ли держаться пластиковый шарик в воздухе за счёт разницы в давлении?

3. Сделать выводы.

Модель вихря в бутылке

Цель работы:

На более плотной среде продемонстрировать явление вихря и изучить его свойства

Теоретические основы:

В более плотной жидкой среде легче создать вихревой поток с пониженным давлением в центре. Понижение давления должно повлечь за собой спуск плавающего в центре тела.

Оборудование:

• Стеклянная бутылка

• Плавающее тело (кусок пластика)

• Спица

Порядок проведения эксперимента:

1. Заполнить бутылку водой примерно наполовину и спустить кусок пластика на воду

2. Поместить в центр спицу, удерживающую плавающее тело.

3. Совершая вращательные движения, создать вихревой поток и заставить плавающее тело пойти ко дну.

Анализ результатов:

1. Пронаблюдать и зафиксировать возникновение турбулентного потока.

2. На основе наблюдений объяснить поведение плавающего тела.

3. Сделать выводы.

Определение свойств тёплого воздуха

Цель работы:

Продемонстрировать подъемную силу теплого воздуха.

Теоретические основы работы

При нагревании плотность теплого воздуха становится меньше, чем холодного и под действием выталкивающей силы он поднимается вверх. Если теплый воздух находится внутри шара, сделанного из легкого материала, то он может поднять этот шар вверх.

Оборудование:

• Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК

• измерительный Интерфейс

• 2 датчика температуры

• спиртовка

• легкий полиэтиленовый пакет

Монтаж экспериментальной установки

Подключите датчики температуры к компьютеру. Закрепить один датчик над спиртовкой, второй в стороне от спиртовки, для измерения температуры холодного воздуха.

Установка параметров измерений

частота - каждую секунду

длительность - 1000 замеров

Порядок проведения эксперимента

• Зажгите спиртовку, поместите над ней пакет, открытой частью вниз, чтобы в него заходил горячий воздух. Запустите опыт.

• Когда пакет наполнится горячим воздухом и расправится, отпустите его и он должен полететь вверх.

• Проанализируйте полученные данные.

• Сделайте выводы.

• Сохраните результат эксперимента.

Обработка и анализ результатов

Откройте файл опыта на КПК или ПК.

Графики или таблицы можно поместить здесь.

По графику определите температуру горячего воздуха над спиртовкой и холодного воздуха. Найдите разность температур, сделайте выводы.

Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР

• Чем отличается теплый воздух от холодного?

• От чего зависит подъемная сила теплого воздуха?

• При какой разнице температур теплого и холодного воздуха пакет начинает подниматься?

• Где используется подъемная сила теплого воздуха?

• В каких природных процессах на Земле участвует подъемная сила теплого воздуха?

Отчет по работе

Отчет должен содержать формулировку цели, схему опыта, таблицы, графики, выводы. Подготовьтесь к защите лабораторной работы.



4. Практическая часть

Моделирование и изучение вихря в жидкой среде

Цель работы:

На более плотной среде продемонстрировать явление вихря и изучить его свойства

Изображение экспериментальной установки

Вывод:

При создании вихря в водной среде за счёт вращения сосуда плавающее тело опускалось на дно, находясь в центре сосуда. Из этого можно сделать вывод о том, что в центре вихря давление меньше, чем вне его, что подтверждает собранный теоретический материал.

Экспериментальное измерение давления внутри восходящего воздушного потока

Цель работы:

Выяснить распределение давления в восходящих потоках воздуха, создаваемых различными фенами

Изображение экспериментальной установки:



Фен	мощность	диаметр	Давление А	Давление ц	Разность
№1	1000 Вт	35 мм	100, 54 кПа	100, 18	0,36
№2 р.1	<1400 Вт	55 мм	100, 7 кПа	100, 36	0,34
№2 р.2	1400 Вт	55 мм	100, 51 кПа	100	0, 51

Выводы: По результатам измерений, приведённым в таблице, видно, что давление в центре воздушного потока работающего фена меньше атмосферного. При этом, разность в давлениях прямо пропорциональна мощности фена и обратно пропорциональна диаметру выходного отверстия.

Демонстрация изменения давления внутри воздушного потока

Цель работы:

Выяснить характер воздушного потока, создаваемого феном.

Ход эксперимента:

Берем фен, включаем, помещаем шарик теннисный в струю воздуха-о не падает.

Вывод:

Это объясняется законом Бернулли, из которого следует, что чем больше скорость потока газа или жидкости, тем меньше в нем давление.

В нашем опыте в струе воздуха давление меньше, чем в окружающем неподвижном воздухе. В итоге на шарик с боков действуют силы, которые удерживают его в струе, а снизу на шарик действует аэродинамическое давление, которое уравновешивает силу тяжести. При одевании на фен дополнительной трубы наблюдается вращение шарика, что может быть объяснено, как возникновение турбулентных потоков воздуха.

Если мелкоячеистую сетку (такой способ запатентовали Сергей Баутин и Алексей Вараксин) в нести вертикально в поток воздуха- он нарушается и шарик падает. Значит, это действительно может являться одним из способов разрушения вихря.

Определение свойств тёплого воздуха

Цель работы:

Продемонстрировать и экспериментально доказать подъемную силу теплого воздуха.

Изображение экспериментальной установки:

Выводы: При достаточной степени повышения температуры воздуха в пакете пакет поднимается наверх за счёт выталкивающей силы. Из этого можно сделать вывод, что горячий воздух обладает меньшей плотностью, чем холодный и поднимается вверх.



5.Защита города Фоллс

Фоллс- город, находящийся в торнадопасном районе.

Защита города от торнадо:

1) Контрфорс

2) Подземный воздуховод

3) Бригада быстрого реагирования

4) Метод взрывной компрессии

5) Сетка на домах возможной подачей теплого воздуха.

6) Высотное предупреждение с камерами наблюдения и автоматическим сигналом опасности.

7) Геометрическое расположение зданий

8) Спасательный бункер.



Выводы

В процессе исследования были собраны сведения об атмосферных вихрях. Была собрана и скомпонована информация природе воздушных потоков и причинах их образования, об охотниках за торнадо, о циклонах и смерчах, об их строении и возникновении, были найдены интересные факты про вихревые движения ветра и самые разрушительные торнадо. Было выяснено, что торнадо, или смерчи образуются преимущественно на равнинах и представляют из себя мощные вихревые потоки. Также было выяснено, что внутри торнадо давление ниже атмосферного. Были найдены теоретические основания для физического моделирования и проведения экспериментов по изучению воздушных потоков. Была найдена информация о самых разрушительных торнадо, наблюдателях и охотников за торнадо.

Был смоделирован восходящий конусовидный поток воздуха, аналогичный оному в торнадо. Был поставлен эксперимент по измерению давления в центре потока и сравнению его с атмосферным, в процессе которого подтвердилась информация о том, что внутри потока давление ниже. Кроме того, была создана защита для города Фоллс, где часто могут возникать торнадо, которую можно использовать для любого места, находящегося в торнадоопасном районе. Все задачи выполнены, цель достигнута.



Заключение

В процессе исследования я смоделировала различные потоки воздуха, в том числе и вихревые. С использованием физического моделирования были изучены свойства вихревых и подобных им потоков воздуха. Для этого на основе теоретических материалов были проведены эксперименты по изучению свойств потоков воздуха. Исходя из теоретических сведений и сведений, полученных в ходе экспериментов, были сделаны выводы и предложены меры по предотвращению и разрушению массивных вихревых потоков воздуха -торнадо. была создана защита для города Фоллс, где часто могут возникать торнадо, которую можно использовать для любого места, находящегося в торнадоопасном районе. Мой проект может послужить основой для более глубоких исследований, связанных с созданием устройств, защищающих от торнадо, на практике, и возможно такие устройства можно будет использовать в жизни.



Библиография

1) Корнинская В.А. и др География материков и океанов. 7 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений/ В.А. Корнинская, И.В. Душина, В.А. Щенев. 7-е издание, стереотипное. М.: Дрофа, 2000. 320 с.: ил., карт.

2) https://ru.wikipedia.org/wiki/Смерч.

3) http://www.kataklizmic.narod.ru/tornado.html.

4) https://ria.ru/spravka/20130522/938889062.html.

5) http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru/smerchi-uragany-i-tornado-prichiny-poyavleniya/.

6) http://evgars.com/smerch.htm.

7) http://clow.ru/a-zemlja2/2210.htm.

8) http://www.interfax.ru/world/307835.

9) http://www.aif.ru/dontknows/top-5_samyh_razrushitelnyh_tornado.

10) http://i-fakt.ru/pochemu-uragany-nazyvayut-zhenskimi-imenami/.

11) http://kataklizmic.narod.ru/uragan.html.

12) http://gravit.izhnet.ru/tornado/tornado.htm.



Приложение

Рис. 1 «Шкала Фудзисты»



Рис. 2,3 «Автомобили охотников за торнадо»



Рис. 4 «Схема движения торнадо в США»

Рис. 5 «Песчаные вихри»



Рис. 6 «Составной торнадо в Далласе 1957 г.»

Рис. 7 «Строение торнадо»



Рис. 8 «Распространение торнадо»

Рис. 9 «Метод подземных воздуховодов.»



Рис. 10(1-5) «Метод контрфорсов»



Словарь

1)Физическое моделирование -- метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии.

Тропические циклоны -- это вихри, в центре которых низкое давление; образуются они летом и осенью над теплой поверхностью океана.

2) Аллея торнадо (англ. Tornado Alley) -- неофициальный термин, обозначающий территории США, в которых наблюдается наибольшее количество торнадо.

3) Шкала Фудзиты (англ. Fujita scale), также известная как Шкала Фудзиты-Пирсона или F-шкала, была введена профессором Теодором Фудзитой в 1971 году для классификации торнадо.

4) Смерч (синонимы -- торнадо, тромб, мезо-ураган) -- сильный вихрь, образующийся в жаркую погоду под хорошо развитым кучево-дождевым облаком и распространяю-щийся к поверхности земли или водоема в виде гигантского темного вращающегося столба или воронки.

Размещено на Allbest.ru