Fizyka Pogody i Klimatu, zima 2017 Dynamika: wykład 1

Podobne dokumenty
Dynamika: układy nieinercjalne

ZAŁĄCZNIK 2 Lotnicza Pogoda w pytaniach i odpowiedziach

Prawa ruchu: dynamika

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Fizyka 1(mechanika) AF14. Wykład 5

Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

Siły oporu prędkość graniczna w spadku swobodnym

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Praca domowa nr 2. Kinematyka. Dynamika. Nieinercjalne układy odniesienia.

ZAŁĄCZNIK 7 - Lotnicza Pogoda w pytaniach i odpowiedziach.

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

Ziemia wirujący układ

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Opis ruchu obrotowego

Podstawy fizyki wykład 4

Sprawdzian Na rysunku przedstawiono siłę, którą kula o masie m przyciąga kulę o masie 2m.

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Grawitacja - powtórka

Wykład 10. Ruch w układach nieinercjalnych

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Praca. Siły zachowawcze i niezachowawcze. Pole Grawitacyjne.

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Przepływy atmosferyczne i turbulencja.

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

Wektory, układ współrzędnych

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

Ciśnienie definiujemy jako stosunek siły parcia działającej na jednostkę powierzchni do wielkości tej powierzchni.

Fizyka dla Informatyków Wykład 8 Mechanika cieczy i gazów

Oddziaływania te mogą być różne i dlatego można podzieli je np. na:

Prawa ruchu: dynamika

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 27.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

Kartkówka powtórzeniowa nr 1

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 9

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

III.4 Ruch względny w przybliżeniu nierelatywistycznym. Obroty.

Tarcie poślizgowe

Wydział Inżynierii Środowiska; kierunek Inż. Środowiska. Lista 2. do kursu Fizyka. Rok. ak. 2012/13 sem. letni

PAiTM - zima 2014/2015

Dynamika. Fizyka I (Mechanika) Wykład V: Prawa ruchu w układzie nieinercjalnym siły bezwładności

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

ZAŁĄCZNIK 17 Lotnicza Pogoda w pytaniach i odpowiedziach

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

Podstawy fizyki wykład 8

Powietrze opisuje się równaniem stanu gazu doskonałego, które łączy ze sobą

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Ćwiczenie: "Dynamika"

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

STATYKA I DYNAMIKA PŁYNÓW (CIECZE I GAZY)

4. Ruch obrotowy Ziemi

Podstawy fizyki wykład 4

III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

Kinematyka: opis ruchu

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Przykład Łuk ze ściągiem, obciążenie styczne. D A

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW. Ćwiczenie N 2 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

Falowanie czyli pionowy ruch cząsteczek wody, wywołany rytmicznymi uderzeniami wiatru o powierzchnię wody. Fale wiatrowe dochodzą średnio do 2-6 m

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

WYKŁAD 6 KINEMATYKA PRZEPŁYWÓW CZĘŚĆ 2 1/11

Statyka płynów - zadania

Zasada zachowania pędu

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

KARTOTEKA TESTU I SCHEMAT OCENIANIA - gimnazjum - etap wojewódzki. Rodzaj/forma zadania. Max liczba pkt. zamknięte 1 1 p. poprawna odpowiedź

Zasady dynamiki Newtona

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Odp.: F e /F g = 1 2,

TRANFORMACJA GALILEUSZA I LORENTZA

Zapisy podstawy programowej Uczeń: 2. 1) wyjaśnia cechy budowy i określa położenie różnych ciał niebieskich we Wszechświecie;

Ruch obiegowy Ziemi. Ruch obiegowy Ziemi. Cechy ruchu obiegowego. Cechy ruchu obiegowego

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 21 ELEKTROSTATYKA CZĘŚĆ 1. POLE CENTRALNE I JEDNORODNE

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Gęstość i ciśnienie. Gęstość płynu jest równa. Gęstość jest wielkością skalarną; jej jednostką w układzie SI jest [kg/m 3 ]

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Pierwsze kolokwium z Mechaniki i Przyległości dla nanostudentów (wykład prof. J. Majewskiego)

Transkrypt:

Fizyka Pogody i Klimatu, zima 2017 Dynamika: wykład 1 Szymon Malinowski Metody opisu ruchu płynu, skale ruchu. Siły działające na cząstkę (elementarną objętość) powietrza. Równanie ruchu, analiza skali, przybliżenie geostroficzne. Przepływy zrównoważone, wiatr. 1

Metody opisu ruchu. Do opisu ruchu powietrza można używać dwóch sposobów. Jeden z nich zwany jest opisem metodą Eulera, drugi zaś metodą Lagrange a. Metoda Eulera polega na określeniu właściwości powietrza jako funkcji położenia w przestrzeni (r) i w czasie (t). Podstawową wielkością charakteryzującą ruch powietrza jest prędkość V, która zależy od położenia i czasu: V(r,t). Opis tą metodą można uznać za obraz przestrzennego rozkładu prędkości powietrza w każdej chwili podczas jego ruchu. Oczywiście jeśli skupimy uwagę na określonym elemencie objętości, to powietrze, które wypełnia ten element, będzie się nieustannie zmieniało. Innymi słowy opis metoda Eulera pozwala na opisanie POLA RUCHU, POLA PRZEPŁYWU. Metodą Eulera możemy też opisywać inne pola: temperatury ciśnienia itp. 2

Metoda Lagrange a powietrze jako zbiór małych cząstek ( baloników ). Prędkość każdej cząstki jest funkcją czasu: V(t) Metoda ta opisuje historię ruchu każdej cząstki powietrza w atmosferze, na jej postawie można obliczyć TRAJEKTORIĘ ruchu cząstki, r(t), to znaczy historię jej położenia w czasie. Niestety nie da się nią w prosty sposób wyznaczyć przestrzennego rozkładu prędkości, natomiast stosunkowo łatwo jest śledzić ruch każdej cząstki. Innymi słowy, w opisie Lagrange'a nie widzimy pola ruchu, ale możemy pokazać skąd dana cząstka (objętość) powietrza przypłynęła, możemy prześledzić jej ewolucję. 3

Analiza skali. Analiza skali, lub skalowanie, jest wygodną techniką szacowania wielkości wyrażeń w równaniach opisujących określone typy ruchu. W skalowaniu określone są charakterystyczna długość, głębokość i skale czasu, w których zachodzą przepływy które chcemy opisać oraz charakterystyczne zakresy zmienności pól (temperatury, ciśnienia, prędkości i.t.p.) obserwowane w tych skalach. Te typowe wartości są następnie użyte do porównania wielkości różnych wyrażeń w równaniach ruchu. Charakter przepływów atmosferycznych silnie zależy od skali poziomej, skala ta stanowi wygodne narzędzie klasyfikacji układów. Typ przepływu Skala pozioma (m) Średnia droga swobodna...10-7 Przepływy bezwirowe (laminarne)...10-3 Najmniejsze wiry...10-2-10-1 Małe wiry...10-1-1 Zawirowania unoszące kurz czy piasek...1-10 Podmuchy wiatru...10-10 2 Tornada...10 2 Chmury cumulonimbus...103 Fronty, linie szkwałowe...10 4 Huragany...10 5-106 Niże i wyże...10 6 Cyrkulacja globalna...10 7 4

Siła gradientu ciśnienia. Ciśnienie wywierane na powierzchnię cząstki powietrza zdefiniowane jest jako składowa normalna siły wywieranej przez jej otoczenie, przypadająca na jednostkę pola powierzchni. Ta siła skierowana jest zawsze do wnętrza cząstki, co ilustruje poniższy rysunek: Cząstka dozna oddziaływania siły wypadkowej tylko wówczas, gdy ciśnienia na jej przeciwległych powierzchniach nie będą równe. Tę siłę nazywa się siłą gradientu ciśnienia. Całkowity gradient ciśnienia na jednostkę masy wyraża się wzorem: F m 1 p, gdzie: - gęstość powietrza, p pole ciśnienia w atmosferze. Siła ta jest proporcjonalna do 5 gradientu ciśnienia, a nie samego ciśnienia.

Efektywna siła ciężkości (ang. Gravity). Cząstka o jednostkowej masie, spoczywająca na powierzchni Ziemi, obserwowana w układzie obracającym się z Ziemią, jest obiektem działania siły odśrodkowej: R 2 gdzie Ω jest prędkością kątową Ziemi (Ω=7.292*10-5 rad s-1) i R jest odległością cząstki od osi obrotu. Ciężar cząstki o masie spoczywającej na powierzchni Ziemi, jest wtedy mniejszy niż siła ciężkości, ponieważ siła odśrodkowa częściowo równoważy siłę grawitacyjną. Dlatego wygodnie jest łączyć oddziaływanie siły ciężkości i odśrodkowej wprowadzając efektywną (odczuwalną) siłę ciężkości (ang. gravity) : g g 2 R Siła grawitacyjna jest skierowana w kierunku środka Ziemi, podczas gdy siła odśrodkowa jest skierowana na zewnątrz od osi obrotu. Dlatego, poza biegunami i równikiem, gravity nie jest skierowana do środka Ziemi. Jeśli Ziemia byłaby idealną kulą, gravity miałaby równikową składową, równoległą do jej powierzchni. Ziemia jako elipsoida obrotowa z równikową wypukłością, ma wszędzie skierowane normalnie do poziomu powierzchni. W konsekwencji, równikowy promień Ziemi jest o 21 km dłuższy niż promień biegunowy. W dodatku miejscowy pion, który jest brany równolegle do, nie przechodzi przez środek Ziemi, poza równikiem i biegunami. 6

7

Siła Coriolisa. Opis matematyczny siły Coriolisa można otrzymać rozpatrując ruch hipotetycznej cząstki o jednostkowej masie, to jest ruch swobodny na beztarciowej poziomej powierzchni na obracającej się Ziemi. Jeśli cząstka jest początkowo w stanie spoczynku względem Ziemi, to działają na nią tylko siły grawitacji i odśrodkowa. Załóżmy teraz, że cząstka jest w ruchu w kierunku wschodnim. 8

W efekcie cząstka wiruje teraz szybciej niż Ziemia i siła odśrodkowa działająca na nią wzrasta. Gdy przez Ω oznaczymy prędkość kątową Ziemi, R wektor położenia cząstki wzgędem osi obrotu i u wschodnią składową prędkości cząstki względem podłoża, to całkowita siła odśrodkowa będzie wyrażała się wzorem: 2 u 2 u R u R 2 2 R R R R R 2 Pierwszy człon z prawej strony jest właśnie siłą odśrodkową należącą do obracającej się Ziemi. Pozostałe dwa człony reprezentują siły odchylające, które działają na zewnątrz wzdłuż wektora R (to jest, prostopadle do osi obrotu). Dla synoptycznej skali ruchów u <<ΩR i ostatni człon może być zaniedbany w pierwszym przybliżeniu. Człon: 2 u R R jest siłą Coriolisa związaną z ruchem wzdłuż równoleżnika. Siłę tą możemy rozłożyć na składowe w kierunkach równoleżnikowym i południkowym. Ruch względny w kierunku wschód-zachód wywołuje przyśpieszenie w kierunku północ-południe i w pionie: d 2 u sin dt Co dw 2 u cos dt Co Cząstka poruszająca się na wschód w płaszczyźnie poziomej na półkuli północnej jest odchylona na południe, podczas gdy cząstka poruszająca się ku zachodowi jest odchylona na północ. W obu przypadkach odchylenie działa w prawo od kierunku ruchu. Pionowa składowa siły Coriolisa jest dużo mniejsza niż siła grawitacji i ma mały wpływ na zmianę ruchu. 9

10

11

12

13

14

Ruch w poziomie wiatr. Rozważmy cząstkę powietrza na półkuli północnej. Cząstka jest w stanie spoczynku, nagle pojawia się poziomy gradient ciśnienia. Cząstka, początkowo w bezruchu przyspiesza (fioletowe strzałki na rysunku) pod wpływem siły gradientu cienienia (czerwone strzałki) kierując się od wysokiego ciśnienia (H) w kierunku niskiego ciśnienia (L). Gdy tylko prędkość cząstki staje się większa od zera pojawia się siła Coriolisa (niebieskie strzałki), zakrzywiająca tor ruchu w prawo. W pewnym momencie - przy pewnej prędkości dochodzi do równowagi tych sił (równowaga geostroficzna) i ruch odbywa się jednostajnie (ze 15 stałą prędkością) wzdłuż izobar.

Taki obraz ruchu jest prawdziwy w wypadku, gdy siły tarcia są zaniedbywalnie małe, w praktyce powyżej tzw. warstwy granicznej atmosfery, obejmującej kilkaset najniższych metrów nad powierzchnią Ziemi. W wypadku gdy siła tarcia nie może być zaniedbana, równowaga sił wygląda jak na rysunku: Schemat sił działających na cząstkę powietrza. Na niebiesko zaznaczono siły: P - siła gradientu ciśnienia; T - siła tarcia; Fc - pozioma składowa siły Coriolisa (w tę stronę działa na półkuli północnej);czarnymi liniami oznaczono izobary, N - środek niżu, W - centrum wyżu, 16 czerwoną strzałką V oznaczono wektor prędkości wiatru.

17

18

p p <0 n Półkula północna: f>0, praktyka pokazuje że Na pólkuli południowej znaki tych obu członów sa przeciwne. 19

V = fr Stąd: Przepływ jest antycykloniczny (na półkuli północnej R<0). 20

Przepływ może być albo cykloniczny, albo antycykloniczny: w zależności od znaku siły gradientu ciśnienia możemy mieć ruch zgodny lub przeciwny do ruchu wskazówek zegara. 21

f>0 W N Wiruje antycyklonicznie, siły gradientu ciśnienia i Coriolisa maja ten sam zwrot nierealizowalne fizycznie. N Wiruje cyklonicznie, siły gradientu ciśnienia i Corilisa skierowane przeciwnie, W Wiruje antycyklonicznie, siły gradientu ciśnienia i Coriolisa skierowane przeciwnie. Wiruje antycyklonicznie, siły gradientu ciśnienia i Coriolisa skierowane przeciwnie. 22

23