strujanje gasova u velikom obimu From Wikipedia, the free encyclopedia
Vjetar je strujanje gasova u velikom obimu. Na površini planete Zemlje, vjetar se sastoji iz velikih pokreta zračnih masa. Pojam vjetra u svemiru, označava prvenstveno Sunčev vjetar, koji se sastoji iz kretanja gasova ili naelektrisanih čestica sa Sunca kroz svemir, dok se pod pojmom planetarni vjetar podrazumijeva ispuštanje lakših hemijskih elemenata iz atmosfere planete u svemir. Vjetrovi na Zemlji su obično podijeljenji po njihovoj prostornoj skali, brzini, vrste sila koje ih izazivaju, područja u kojima pušu i efektima koje izazivaju. Najsnažniji vjetrovi na planetama u Sunčevom sistemu izmjereni su na Neptunu i Saturnu. Vjetrovi imaju različite aspekte, jedan od najvažnijih je njihova brzina, osim toga važna je i gustoća gasova koji su uključeni, te sadržaj energije odnosno energija vjetra.
U meteorologiji, vjetrovi se često razlikuju prema njihovoj snazi i pravcu iz kojeg pušu. Snažni, ali kratkotrajni, zamasi vjetra velike brzine nazivaju se udari vjetra. Snažni vjetrovi nešto dužeg trajanja nazivaju se oluje. Dugotrajni vjetrovi imaju različita imena povezana sa njihovom prosječnom snagom, poput povjetarca, oluje, uragana ili tajfuna. Prema dužini trajanja vjetrovi mogu puhati nekoliko minuta tokom oluje, dok lokalni povjetarci nastali zagrijavanjem površina mogu trajati i do nekoliko sati. Osim toga, postoje i globalni vjetrovi, nastali zbog razlike u apsorpciji sunčeve energije između klimatskih zona na Zemlji. Dva osnovna uzroka atmosferskih cirkulacija u velikom obimu su različit intenzitet zagrijavanja između polova i ekvatora te rotacija planete (Coriolisov efekt). U tropskim područjima, niska termalna cirkulacija iznad površine i visokih planina može dovesti do monsunske cirkulacije. U priobalnim područjima, javlja se ciklus kopneno-morskih vjetrova koji definira lokalne vjetrove, dok u područjima sa varijabilnim nadmorskim visinama, javljaju se vjetrovi između planina i dolina.
U ljudskoj civilizaciji, vjetar je inspirirao mitologiju, imao utjecaj na historijske događaje, povećao i proširio obim transporta i načina ratovanja, dao izvor snage za mehanički rad, električnu energiju i rekreaciju. Iskorištavanjem snage vjetra ljudi su uspjeli ploviti brodovima preko Zemljinih okeana. Baloni ispunjenim vrućim zrakom iskorištavaju vjetar kako bi letjeli kraće letove, dok ga letjelice sa motorom koriste iskorištavaju kako bi povećali uzgon i smanjili potrošnju goriva. Područja udara vjetra koje uzrokuju različiti vremenski fenomeni može dovesti do opasnih situacija za avione. Kada snaga vjetra postane dovoljno velika, moguća su oštećenja objekata napravljenih ljudskom rukom i rušenja drveća.
Vjetar može i oblikovati reljefne oblike putem raznih eolskih procesa poput nastanka plodnog zemljišta kao što je les (prapor) ili putem erozije. Prašina iz velikih pustinja se može premještati na velike udaljenosti od svog izvornog područja pomoću vjetrova. Vjetrovi koje ubrzava neravan teren i koji su povezani sa pojavom velike količine prašine dobili su regionalna imena u raznim dijelovima svijeta zbog svog značajnog utjecaja na ta područja. Vjetrovi znatno utječu na širenje šumskih požara. Oni također raspršavaju sjemena mnogih biljaka, omogućavajući opstanak i širenje tih biljnih vrsti, kao i populacije letećih insekata. Kada su u kombinaciji sa niskim temperaturama, vjetrovi negativno utječu na životinje, naročito na stoku i ljude. Vjetar može utjecati i na količinu hrane za neke životinje, kao i na njihove strategije pri lovu i odbrani.
Vjetar nastaje zbog razlika u atmosferskim pritiscima. Kada je postoje takve razlike, zrak se počinje kretati iz područja sa višim prema području sa nižim pritiskom, što uzrokuje pojavu vjetrova različitih brzina. Na rotirajućoj planeti, zrak se može odbiti putem Coriolisovog efekta, osim tačno na ekvatoru. Globalno, postoje dva osnovna pokretajuća faktora u shemi vjetrova u velikom obimu (atmosferska cirkulacija): različito zagrijavanje između ekvatora i polova (razlika u apsorpciji sunčeve energije što dovodi do sila potiska) i rotacija planete. Dalje od tropskih područja i iznad efekata trenja po površini, globalni vjetrovi imaju težnju da se geostrofski uravnotežuju. U blizini površine Zemlje, trenje uzrokuje usporavanje vjetra u odnosu na gornje slojeve atmosfere. Površinsko trenje tjera vjetrove da pušu u unutrašnjost područja sa nižim atmosferskim pritiskom.[1] Nova, kontroverzna teorija navodi da se atmosferski gradijenti dešavaju kondenzacijom vode induciranoj šumama, što rezultira pozitivim ciklusom odziva šume, isisavajući vlažni zrak iz priobalnih područja.[2]
Vjetrovi definirani pomoću ravnoteže fizičkih sila koriste se u razmatranju i analizi profila vjetrova. Oni su korisni za pojednostavljenje jednačina atmosferskih kretanja i za pravljenje kvalitativnih argumenata o uspravnoj i vodoravnoj distribuciji vjetrova. Geostrofska komponenta vjetra je rezultat ravnoteže između Coriolisovih sila i sile gradijenta pritiska. Ona puše paralelno sa izobarama i približno puše iznad najnižeg sloja atmosfere u umjerenim geografskim širinama.[3] Termalni vjetar je razlika u geostrofskom vjetru između dva nivoa u atmosferi. On postoji samo u atmosferi sa vodoravnim temperaturnim gradijentima.[4] Ageostrofska komponenta vjetra je razlika između stvarnog i geostrofskog vjetra, koja je odgovorna za zrak koji popunjava ciklone tokom vremena.[5] Gradijentni vjetar je sličan geostrofskom ali uključuje i centrifugalnu silu (ili centripetalno ubrzanje).[6]
Smjer vjetra obično se izražava pojmom pravca odakle on dolazi. Naprimjer, vjetar sjeverac puše sa sjevera prema jugu.[7] Kazaljka vjetrokaza pokazuje smjer vjetra.[8] Na aerodromima se za određivanje smjera vjetra obično koristi čunjasto platno otvoreno s oba kraja (vjetreni rukav), a kojim je moguće procijeniti i brzinu vjetra na osnovu ugla njegovog podizanja.[9] Brzina vjetra se mjeri anemometrom, koji se obično sastoji iz rotirajućih lopatica ili propelera. Ako je potrebna visoka frekvencija mjerenja (u naučnim aplikacijama), vjetar se može mjeriti brzinom širenja ultrazvučnih signala ili pomoću efekta ventilacije na otporu zagrijane žice.[10] Druga vrsta anemometra koristi Pitotove cijevi koji iskorištavaju prednosti razlika u pritiscima između unutrašnje i vanjske cijevi koja je izložena vjetru, kako bi se odredio dinamički pritisak, na osnovu čega se dalje izračunava brzina vjetra.[11]
Brzina kontinuiranog puhanja vjetra se obično mjeri na visini od 10 m te se uzima vrijednost brzine u vremenskom periodu od 10 minuta. Meteorološke službe u Sjedinjenim Američkim Državama izvještavaju o brzini vjetra koja je mjeri prosječno jednu minutu kad su u pitanju tropski cikloni,[12] dok se za potrebe meteoroloških opservacija uzima vremenski period od 2 minute.[13] U Indiji mjerenja brzine vjetra se obično iskazuju kao prosječna kontinuirana brzina vjetra tokom tri minute.[14] Poznavanje vrijednosti prosječne brzine je vrlo važno, jer je vrijednost kontinuiranog vjetra tokom jedne minute oko 14% viša od njegove prosječne brzine tokom desetominutnog perioda.[15] Kratki zamasi vjetra veoma velike brzine nazivaju se udari vjetra, a jedna tehnička definicija udara vjetra navodi da je to maksimum koji za 10 čvorova (16 km/h) prelazi najnižu brzinu vjetra mjerenu tokom intervala od 10 minuta. Vihor je udvostručenje brzine vjetra iznad nekog nivoa, a koje traje jednu minutu ili duže.
Za određivanje visinskih vjetrova, koriste se radiosonde, koja mjeri brzinu vjetra pomoću GPS-a, radio navigacije (LORAN) ili radarskog praćenja sonde.[16] Osim toga, kretanje meteorološkog balona se može pratiti sa zemlje vizualno pomoću teodolita.[17] Razvijene su i tehnike udaljenog očitavanja brzine vjetra uključujući SODAR, Dopplerove lidare i radare, koji mogu mjeriti Dopplerov efekt elektromagnetnog zračenja odbijenog ili raspršenog od lebdećih aerosola ili molekula, te radiometrima i radarima koji se koriste za mjerenje valovitosti površine okeana iz svemira ili aviona. Valovitost okeana može poslužiti za procjenu brzine vjetra blizu morske površine. Slike dobijene sa geostacionarnih satelita također se mogu koristiti za procjene vjetrova kroz atmosferu na osnovu toga koliko se oblaci pomjeraju u periodu između dva satelitska snimanja. Vjetroinženjerstvo proučava efekte vjetrova na okolinu građevina, poput zgrada, mostova i mnogih drugih vještačkih objekata.
Historijski, Beaufortova skala sile vjetra omogućava iskustveni opis brzine vjetra zasnovan na posmatranim uslovima na moru. Prvobitno, ova skala je sadržava 13 nivoa, ali je tokom 1940tih skala proširena na 17 nivoa.[18] Na njoj su navedeni općeniti pojmovi koji sugeriraju vjetrove različitih prosječnih brzina poput lahora, povjetarca, olujnog vjetra ili uragana. Prema ovojh skali, vjetrovi olujnih brzina ograničeni su između 52 km/h i 102 km/h, a detaljnija podjela među njima opisuje se pridjevima poput umjerenog, lahkog, snažnoj, te se takvi pridjevi koriste za razlučivanje snage vjetra unutar kategorije oluja.[19] Jak orkanski vjetar ima brzine počev od 104 km/h do 117 km/h.[20] Terminologija tropskog ciklona razlikuje se od jednog do drugog područja na Zemlji. Većina okeanskih bazena koriste prosječne brzine vjetra kod određivanja kategorije tropskog ciklona.
Osim Beaufortove, postoje još i TORRO i Fujitina skala.
Kao prirodna sila, vjetar se često personificirao u obliku jednog ili više božanstava ili natprirodnih izraza u mnogim drevnim kulturama. Vaju je hinduističko božanstvo vjetra.[21][22] Grčka božanstva vjetra bila su braća Anemoi: Boreas, Notos, Zefiros, Euros i drugi.[22] Eol, po nekim interpretacijama vladar ili upravitelj četiri vjetra, također je bio opisivan i kao Astrej, božanstvo sumraka koji je rodio četiri vjetra sa Ejom, božicom zore. Stari Grci su poznavali sezonske promjene vjetrova, što su pokazali izgradnjom "Kule vjetrova" u Atini.[22] Venti su bili rimska božanstva vjetra.[23]
Fujin je bilo japansko božanstvo vjetra i jedno od najstarijih šintoističkih božanstava. Prema legendi, on je bio prisutan tokom stvaranja svijeta i prvo je pustio vjetrove iz svoje torbe da očiste svijet od magle.[24] U nordijskoj mitologiji, božanstvo vjetra je Njord.[22] Također su postojala i četiri dvärgara (nordijska patuljka): Norðri, Suðri, Austri i Vestri, a vjerovatno i četiri mužjaka jelena Igdrasila, personifikacije četiri vjetra i pandani četiriju grčkih božanstava vjetra.[25] Stribog je naziv slavenskog božanstva vjetra, neba i zraka. Oni su vjerovali da je on predak (dedo) vjetrova iz osam smjerova.[22]
Postoji mnogo različitih oblika brodova koji koriste vjetar za pogon, a svi oni imaju određene osnovne zajedničke stvari. Uz izuzetak rotorskih brodova koji koriste Magnusov efekat, svaki jedrenjak ima trup i najmanje jedan jarbol koji drži jedra uz pomoć kojih se brod kreće djelovanjem vjetra.[26] Okeanska putovanja jedrenjacima trajala su i do nekoliko mjeseci,[27] a među najvećim poteškoćama i opasnostima bila su sporo kretanje ili stajanje zbog nedovoljno jakog vjetra,[28] i opasnost od skretanja s kursa zbog snažnih oluja ili vjetrova u pogrešnom smjeru koji su sprječavali kretanje u željenom smjeru.[29] Izuzetno snažne oluje mogle su izazvati potonuće broda i stradanje cijele posade i putnika.[30] Jedrenjaci su mogli prevoziti samo ograničene količine potrepština u svom tovaru, tako da su se duga putovanja morala pažljivo planirati kako bi se uključile neophodne namirnice, kao i svježa voda.[31]
U historiji, drevni Sinhalezi u Anuradhapuri i drugim gradovima širom današnje Šri Lanke koristili su monsunske vjetrove za pogon peći još od 300. p.n.e.[32] Peći su pravljene na putu monsunskih vjetrova radi iskorištavanja snage vjetra, te su takve peći mogle postizati temperature i do 1200 °C. Stari historijski izvori o prvobitnim vjetrenjačama koje su se koristile za pogon orgulja u 1. vijeku n.e.[33] Prve praktične vjetrenjače kasnije su napravljene u Sistanu, Afganistan u 7. vijeku. To su bile vjetrenjače sa uspravnom osovinom na koju su bile postavljene duga uspravna pogonska vratila sa četvrtastim lopaticama.[34] Izrađivane sa šest do dvanaest lopatica prekrivenih trstikom ili sličnim pokrivnim materijalima, drevne vjetrenjače su se koristile za mrvljenje kukuruza ili vađenje vode iz bunara, a također su se koristile i za mljevenje žita te preradu šećerne trske.[35] Vjetrenjače sa vodoravnim osovinama su se kasnije proširile u sjeverozapadnoj Evropi počev od 1180tih, uglavnom za mljevenje žita, a mnoge holandske vjetrenjače i danas postoje. Snaga vjetra iz visinskih vjetroelektrana je u fokusu preko 30 svjetskih kompanija koje koriste tehnologiju privezivanja umjesto tornjeva na zemlji na bazi pritiska.[36] Osim toga, postoje nastojanja da se uštede fosilna goriva koje koriste teretni brodovi tako što se koristi mehanička energija dobijena iz kinetičke energije vjetra pomoću veoma velikih zmajeva ili jedara privezanih za brod.
Energija vjetra je oblik kinetičke energije zraka u kretanju. Kinetička energija određenog dijela zraka mase m i brzine v određena je formulom ½ m v2. Da bi se našla masa dijela zraka koji prolazi okomito kroz površinu A (a koja može biti površina rotora turbine), moži se njegova zapremina nakon vremena t koja je prošla sa gustoćom zraka ρ, što daje m = A v t ρ. Na taj način moguće je naći ukupnu energiju vjetra pomoću jednačine:
Deriviranjem uz uzimanje protoka vremena da bi se izračunala stopa povećanja energije, može se pronaći ukupna snaga vjetra jednačinom:
Snaga vjetra je stoga proporcionalna kubiku brzine vjetra. Ukupna snaga vjetra bi se mogla u potpunosti uhvatiti ako bi se brzina vjetra svela na nulu. Međutim u realnim uvjetima kod vjetroturbina to nije moguće, jer uhvaćeni vjetar također mora i da napusti turbinu (prođe kroz nju). Odnos između ulazne i izlazne brzine vjetra se mora uzeti u izračunima. Koristeći koncept cijevi toka, najveća moguća snaga vjetra koja se može izvući pomoću vjetroturbine iznosi 59% ukupne teoretske snage vjetra.[37]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
