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如何量度風速?氣象儀器 風速計
大氣各種氣象參數中,以風的變化最大。如何量度風速?
風是空氣流動的結果。不同地方的空氣受熱程度不同,當空氣受熱時,密度變小,氣壓下降;當空氣遇冷時,密度變大,氣壓上升。空氣由密度高(高氣壓)的地方流向密度低(低氣壓)的地方,便形成風。
量度風包括風向及風速。風向代表風由哪個方向吹來,例如「東風」是指風由東面吹來。風向可以分為十六個方位,稱為「十六點方位」:
北(0度)、東北偏北(22.5度)、東北(45度)、東北偏東(67.5度)
東(90度)、東南偏東(112.5度)、東南(135度)、東南偏南(157.5度)
南(180度)、西南偏南(202.5度)、西南(225度)、西南偏西(247.5度)
西(270度)、西北偏西(292.5度)、西北(315度)、西北偏北(337.5度)
風速有不同的單位,世界氣象組織以米/秒為準,天文台天氣報告中則採用公里/小時或海里/小時,而美國則採用英里/小時。各單位轉換方法如下:
1米/秒=3.6公里/小時
1海里/小時=1.852公里/小時
1英里/小時=1.609公里/小時
市面上出售的風速計包括扇葉型風速計、風杯型風速計、熱棒型風速計及超聲波風速計:
1.扇葉型風速計:輕便、靈敏度高。只要面向風向,風流過扇葉產生脈沖或磁場,再計算脈沖數目或量度磁場大小即可得到風速。但缺點是要對正風向,否則容易有誤差。
2.風杯型風速計:不受風向影響。風來自任何方向均可把風杯推動產生脈沖。但由於風杯較重,起動風速計所需的風力較高,約1-3公里/小時。
3.熱棒型風速計:風速計附有金屬棒,內藏發熱線,將發熱線加熱至高於環境溫度,風流過時產生降溫效果,引致發熱線的電阻改變從而計算風速,但不適用於量度高風速。
4.超聲波風速計:風速計上有多個棒狀感應器,利用超聲波到達不同感應器的時間差,計算一維(單方向)、二維(平面)或三維(平面及垂直)風速。由於風速計沒有移動組件,因此較扇葉型風速計及風杯型風速計耐用,但價格亦最高。
隨著流動通訊發達及網上社交平台興起,近年更出現供手提電話或平板電腦使用的扇葉型風速計及風杯型風速計。利用手提電話或平板電腦的耳機位置作為界面,將脈沖數據傳送至手提電話或平板電腦內計算風速,再連同衛星定位數據即時上載至社交平台分享。
物理學已知難題 珠鍊噴泉解密
物理學研究通常從一個已知的難題開始。過程中會出現一些令人驚訝之處,最近的神秘chain fountain(珠鍊噴泉)就是個例子。
事情起於史蒂夫‧摩德,他是英國一個電視科學節目的主持人。他是牛津物理學碩士,看來是珠鍊噴泉的發現者,他將過程上傳網路。
在他上傳的視頻裡,他拉一條以金屬珠子連接而成的鍊子的一端。鍊子很長,他一拉其頭,鍊子就自己從玻璃容器流洩而出,就像水或汽油從水槽或油槽裡虹吸而出。
這現象本身就夠有趣,但真正令人訝異的是,鍊子不只是從容器邊緣流出來,還上彎成為一個曲線,一如噴泉下降時的模樣。
摩德說,「我偶然發現這件事。我在找聚合物(polymer)的物理模型」,亦即一個很長的分子。他想,一條珠鍊大概可當模型。結果,他吃驚發現,金屬珠鍊像蛇聞笛般升起。這個視頻於一年前上傳網路,劍橋物理學家畢京斯看見了,他和同事知道裡面涉及牛頓物理學,但他們搞不懂箇中玄機。
珠鍊流洩的速度超過地心引力所能解釋,而且一定有個力量把珠鍊往上推。
畢京斯說,關鍵在從數學角度思考,將一條鍊子想成一連串相接的棍子。
拾起一隻棍子的一端,會發生兩件事。一端上,另一端下。但是,如果往下的力被底下的鍊堆阻擋,就產生反彈,棍子或鍊子,就被往上推。鍊子上升,道理在此。
畢京斯說,網路充斥八卦視頻,在網路發現新的物理學難題,有如意外之財。
他和同事將論文發表於英國皇家學會專門處理學和數學問題的期刊(Royal Society A)。珠鍊噴泉如今已寫入英國中學物理課本。