Самодельный анемометр для обнаружения слабых воздушных течений и природа конвекции в помещении

Для регистрации слабых движений воздушных масс в замкнутом пространстве применяются высокочувствительные приборы, способные реагировать на незначительное динамическое воздействие. Одним из таких устройств является простейший бумажный анемометр, конструкция которого позволяет визуализировать едва уловимые потоки воздуха. Ниже представлено подробное руководство по созданию данного аппарата и объяснение физических принципов, лежащих в основе его работы.

На листе плотной писчей бумаги необходимо с помощью карандаша построить две перпендикулярные линии, обозначенные как АВ и CD. Далее проводятся две дополнительные прямые EF и GH, которые выполняют функцию биссектрис, деля полученные прямые углы пополам. Используя точку пересечения всех четырех прямых в качестве геометрического центра, следует вычертить большую окружность ACBD диаметром 6 см и малую концентрическую окружность диаметром приблизительно 1,5 см.

Рис. 47. Схема построения и разрезов бумажной вертушки

Чтобы избежать деформации бумаги в центральной точке, рекомендуется подложить под ножку циркуля небольшой кусочек резины, тонкой жести или плотного картона. После построения окружностей наносятся пунктирные линии, указывающие места будущих разрезов (исключая контур MKNO). Острым ножом или ножницами выполняются надрезы по пунктирным линиям, доходящие до половины дуги малой окружности, которая соединяет внутренние концы соседних разрезов. В результате образуются элементы, напоминающие треугольники (EKL и аналогичные), которые впоследствии будут выполнять функцию лопастей.

Для придания лопастям правильного аэродинамического профиля их необходимо отогнуть под углом 45° относительно горизонтальной плоскости. Оптимальный способ формирования сгиба заключается в следующем: на неотогнутую часть сегмента (KPDL) накладывается линейка (MKNO) строго по линии сгиба KL. Фиксируя линейку, кончиком столового ножа аккуратно приподнимают треугольник EKL вверх, одновременно прижимая его боковой поверхностью ножа к краю линейки для получения четкого острого сгиба. Данная операция последовательно выполняется для всех восьми лопастей.

Завершающим этапом изготовления чувствительного элемента является формирование подшипника скольжения. В геометрическом центре кружка с помощью карандаша с закругленным концом создается конусообразное углубление. Для этого под бумагу подкладывают несколько слоев мягкого материала, после чего, вращая карандаш пальцами, аккуратно вдавливают его острие, избегая продавливания отверстия. При взгляде сбоку профиль кружка должен напоминать форму QR. Осью вращения служит обыкновенная шпилька или булавка, кончик которой необходимо притупить и зашлифовать о мелкозернистый камень до гладкого, закругленного, но тонкого состояния, чтобы избежать зазубрин, увеличивающих трение.

Данное устройство функционирует как чрезвычайно чувствительный анемометр благодаря своей малой массе и минимальной площади контакта между бумажным углублением и острием булавки. Гладкая поверхность конусного углубления, сформированного карандашом, обеспечивает легкость вращения. Восходящие или нисходящие потоки воздуха воздействуют на наклонные плоскости лопастей (например, крыло ST), создавая крутящий момент, аналогичный тому, который приводит в движение крылья ветряной мельницы или паруса судна. Взаимодействие потока с лопастями с противоположных сторон ротора генерирует разнонаправленные усилия, обеспечивая непрерывное вращение вертушки.

В ходе экспериментальных наблюдений можно заметить, что помещенная на острие неподвижно закрепленной булавки вертушка начинает вращение при поднесении к ней руки. Данный феномен объясняется тепловым расширением воздуха. Температура человеческого тела (около 37 °C) значительно превышает обычную комнатную температуру (примерно 20 °C). Тепло, исходящее от руки, нагревает прилегающие слои воздуха, снижая его плотность. Согласно закону Архимеда, менее плотный нагретый воздух вытесняется вверх более холодным и тяжелым, формируя устойчивый конвекционный поток, который и приводит ротор в движение.

Этот принцип распространяется и на другие источники тепла. Например, над головой человека в холодную погоду можно наблюдать столб пара, который визуализирует восходящий ток теплого влажного воздуха. Подобные локальные восходящие потоки, компенсируемые нисходящим движением охлажденных масс, образуют циркуляционные ячейки. Классическим примером являются течения у оконных стекол в холодное время года: охлажденный воздух опускается вниз, создавая сквозняк даже при полностью закрытом окне, что может стать причиной простудных заболеваний, несмотря на отсутствие видимых щелей.

В более широком масштабе аналогичные процессы формируют климат и погоду на планете. Масштабная конвекция в тропических широтах и полярных областях, где разница температур наиболее значительна, порождает мощные воздушные течения. Ураганы, пассаты и муссоны являются прямым следствием тех же физических явлений, что и вращение маленького бумажного колеса над рукой, демонстрируя единство законов физики в микро- и макромире.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.