Wstęp do Fizyki Środowiska

Prezentacja na temat: "Wstęp do Fizyki Środowiska"— Zapis prezentacji:

1 Wstęp do Fizyki Środowiska
Lewis Fry Richardson 1881, Newcastle-upon-Tyne, England – 1953, Kilmun, Argyll, Scotland Był stanowczym pacyfistą i z tego powodu odmówił służby z bronią w ręku w czasie I Wojny Światowej. Z tego powodu nie mógł później otrzymać żadnej posady akademickiej. Po I Wojnie został zatrudniony w Meteorological Office, ale zrezygnował w 1920 r. kiedy Met Office zostało połączone z Ministerstwem Lotnictwa. Tworzył modele matematyczne prawdopodobieństwa wybuchu wojny między dwoma krajami. Zauważył, że publikowane dane o długościach granic międzypaństwowych wykazują duże rozbieżności. Richardson zauważył, że kiedy zmniejszamy jednostkę miary, to długość wybrzeża lub granicy państwa rośnie nieograniczenie. Dziś nazywa się to czasami efektem Richardsona. Ta obserwacja dała początek teorii fraktali. Richardson zaproponował prognozowanie pogody poprzez rozwiązywanie równań różniczkowych. To właśnie robią współczesne numeryczne modele pogody, Weather Prediction by Numerical Process, CUP 1922 ale wtedy nie istniały komputery więc pomysł wydawał się bardzo egzotyczny. Richardson snuł wizje wielkich zespołów ludzi wykonujących rachunki numeryczne. Richardson intersował sie turbulencją atmosferyczną i jest autorem słynnego dwuwiersza: Big whorls have little whorls that feed on their velocity, and little whorls have smaller whorls and so on to viscosity. Wstęp do Fizyki Środowiska

2 Liczba Richardsona Kiedy płyn (powietrze lub woda) jest niejednorodny, to różnice gęstości wywołują siły wyporu. Siły te mogą powodować ruch płynu, jaki nie miałby miejsca gdyby gęstość była jednorodna. Liczba Richardsona jest miarą względnej wielkości sił wyporu i bezwładności płynu, albo inaczej, względnej wielkości energii potencjalnej i energii kinetycznej elementów płynu. Zaczynamy ponownie od równowagi hydrostatycznej, ale tym razem interesuje nas nie podstawowa wartość ciśnienia, ale odstępstwa od tej wartości. Relacja między skalami. Teraz H jest pionową skalą fluktuacji ciśnienia Oszacowanie typowego wyrazu inercjalnego: Oszacowanie poziomego gradientu ciśnienia: Stosunek tych wyrazów: bardzo przypomina Różnica polega na tym, że w są fluktuacje ciśnienia i gęstości Wstęp do Fizyki Środowiska

3 Wstęp do Fizyki Środowiska
Osborne Reynolds Fizyka Słońca i komet Propagacja dźwięku Fizyka gazów i cieczy Parowanie i kondensacja Zjawiska kontaktowe Fizyka materiałów porowatych Propagacja fal (pokazał, że energia rozchodzi się z prędkością grupową Laminarny i turbulentny przepływ w rurach Podobieństwo przepływów, liczba Reynoldsa Teoria smarowania Wizualizacja przepływów Osborne Reynolds FIZYKA Napęd i dynamika okrętów Pompy i turbiny Modelowanie rzek i ich ujść Kawitacja Kondensacja pary Cieplny równoważnik pracy Tarcie toczne Zmęczenie materiałów INŻYNIERIA Wstęp do Fizyki Środowiska

4 Wstęp do Fizyki Środowiska
Liczba Reynoldsa Liczba Reynoldsa charakteryzuje względną wielkość bezwładności i tarcia (kiedy tarcie jest spowodowane lepkością). Jeżeli więc skale długości i prędkości wynoszą oraz , to możemy oszacować Siła tarcia Bezwładność Wstęp do Fizyki Środowiska

5 Wstęp do Fizyki Środowiska
Iloraz: Liczba Reynoldsa Lepkość dynamiczna nazywamy liczbą Reynoldsa Lepkość kinematyczna Wartość liczby Reynoldsa wskazuje na to, czy przepływ jest laminarny, czy turbulentny Przepływy laminarne, to takie, w których pole prędkości jest w miarę gładką funkcją położenia, i zmienia się powoli w czasie. Przepływy turbulentne (burzliwe) cechuje zachowanie chaotyczne. Powstają w nich nieustannie różnej wielkości wiry i fluktuacje prędkości. Przejście od przepływu laminarnego do burzliwego następuje wtedy, gdy liczba Reynoldsa przekracza pewną wartość krytyczną. Ta wartość krytyczna zależy od geometrii i konfiguracji przepływu W fizyce środowiska liczba Reynoldsa jest zwykle bardzo duża, bo mała jest lepkość zarówno wody , jak powietrza Na przykład dla strumienia o szerokości 2 m płynącego z prędkością 0,5 m/s liczba Reynoldsa wynosi , a dla warstwy granicznej atmosfery, która ma grubość 1000 m i typową prędkość wiatru 10 m/s liczba ta wynosi Gdy liczba Reynoldsa jest znacznie większa od krytycznej, to jej wartość nie ma większego znaczenia. Z tego powodu w fizyce środowiska rzadko mówi sie o liczbie Reynoldsa. Wstęp do Fizyki Środowiska

6 Wstęp do Fizyki Środowiska
– pracował w Szwedzkiej Służbie Meteo jednocześnie studiował fizykę matematyczną wyjeżdża do USA (Weather Bureau) zakłada pierwszy w USA wydział meteorologii (MIT) zostaje obywatelem USA obejmuje katedrę w University of Chicago zakłada Instytut Meteo. w Sztokholmie teoria turbulencji atmosferycznej termodynamika atmosfery procesy mieszania w atmosferze teoria wielkoskalowej dynamiki atmosfery odkrycie jet-stream odkrycie fal Rossbyego podstawy modelowania numerycznego procesów atmosferycznych pionierskie prace nad chemią atmosfery Carl-Gustaf Rossby Fala Rossby’ego na Pacyfiku Wstęp do Fizyki Środowiska

7 Wstęp do Fizyki Środowiska
Liczba Rossby’ego parametr Coriolisa Liczba Rossby’ego pojawia się wtedy, gdy przepływ opisujemy w obracającym się układzie odniesienia Mierzy ona względną wielkość bezwładności i siły Coriolisa. Możemy oszacować: Prędkość kątowa Ziemi Iloraz Siła Coriolisa Bezwładność (typowy wyraz) Wartość liczby Rossby’ego mówi, czy w danej sytuacji fizycznej należy uwzględniać siłę Coriolisa. Jeżeli , to ruch obrotowy Ziemi odgrywa znaczącą rolę. Jeżeli zaś , to jest pomijalny. W fizyce środowiska siłę Coriolisa zwykle pomijamy. Wyjątkiem są duże skale geofizyczne, np. układy pogodowe, czy prądy morskie. Na przykłąd dla huraganu Frances, o którym była mowa , a , więc Wieksze systemy pogodowe (o większych rozmiarach i mniejszej prędkości) mają znacznie mniejszą liczbę Rossby’ego. Wstęp do Fizyki Środowiska

8 Przybliżenia równania Navier-Stokesa
Skale wielkości fizycznych Postać bezwymiarowa (bez siły Coriolisa) Vincenz Strouhal ( ) – czeski fizyk Liczba Strouhala jest stosunkiem wewnętrznej skali czasu T do zewnętrznej skali L / U. Wstęp do Fizyki Środowiska