Powietrza wokół siebie nie dostrzegamy. Jest przeźroczyste, bezwonne, wydaje się nic nie ważące. Dopiero, gdy rozpędzone wiatrem łamie drzewa i zrywa dachy, zdajemy sobie sprawę z jego masy.
Waga powietrza jest znaczna. Jak kiedyś wspomniałem, powietrze pod średniej wielkości stołem waży około kilograma – 2 funty. Gdyby skroplić całe powietrze atmosferyczne, utworzyłaby się kilkunastometrowa warstwa bardzo zimnej cieczy o grubości kilkunastu metrów, której waga odpowiadałaby 10. metrowej warstwie wody.
Ruch powietrza podlega swoistym prawom, nie do końca wyjaśnionym. Prawa te zaczęto poznawać i opisywać już kilkaset lat temu obserwując latające ptaki i owady, ruch skrzydeł wiatraków i powstawanie fal na wodzie.
Dość zaskakującym zjawiskiem jest zmniejszenie ciśnienia powietrza, gdy przepływa nad innymi, nieruchomymi obiektami. Często demonstrowane jest doświadczenie unoszenia się kartki papieru, gdy dmuchamy na papier z góry. Trzeba dmuchać przez szczelinę pomiędzy złożonymi dłońmi, powodując, aby odbity od kartki strumień powietrza rozpływał się na boki. Ciśnienie atmosferyczne wywierane na kartkę zmniejsza się i kartka przylepia się do dłoni.
Zjawisko to, zwane efektem Bernouliego, wykorzystywane jest na co dzień w lotnictwie i żeglarstwie. Górna powierzchnia skrzydeł samolotu jest tak wyprofilowana, aby powietrze opływało ją nieco dłuższą drogą, a więc szybciej niż od dołu. W rezultacie, nad skrzydłem wytwarza się mniejsze ciśnienie, podnoszące samolot do góry. Podobnie wybrzuszone są żagle współczesnych jachtów, dając kilkakrotnie większą siłę „ciągnącą” niż dawniejsze, intuicyjne ustawienie żagli, które wiatr „pchał”.
Uzyskanie szybkiego, równomiernego przepływu powietrza nie jest łatwe. Powietrze opływając jakiś przedmiot zakłóca swój bieg. Powstają zawirowania, w których ciśnienie podlega bardzo szybkim zmianom. Można to zaobserwować na powierzchni wody, nad którą wieje wiatr. Jeżeli tylko w jakimś miejscu woda minimalnie podniesie swój poziom tworząc niewielki „garbik”, powietrze mając nieco dłuższą drogę przyspiesza i ciśnienie jego się zmniejsza. „Garbik” zaczyna podnosić się – rosnąć.
Po drugiej stronie, powietrze, spływając w dół, zawirowuje się i wywiera nieco większe ciśnienie na powierzchnię wody powodując jej zagłębienie. Woda, dążąc do wyrównania swojego poziomu, zaczyna się poruszać i tak falowanie narasta.
Powstawanie fal powietrza możemy obserwować również na niebie, gdy warstwy powietrza o różnej temperaturze i różnej szybkości, przesuwają się względem siebie. Powstają charakterystyczne chmury „baranki”, gdyż przy różnych ciśnieniach fal powietrza, w pewnych miejscach następuje wykroplenie pary wodnej (mgła), a w innych ta mgła odparowuje.
Powstawanie wirów powietrza można dostrzec obserwując łopot flagi na wietrze. Powietrze, opływając maszt, tworzy przemiennie, raz z jednej strony i za moment z drugiej, tak zwane „wiry Karmana”. Zmienne ciśnienie po dwóch stronach materiału powoduje ciągły ruch flagi.
Wiry Karmana były powodem wielu katastrof budowlanych. Komin fabryczny ustawiony w pobliżu drugiego podlegał, przy pewnym kierunku wiatru, tak regularnym i dużym naciskom wirów, że runął. Przęsła mostów, źle zaprojektowane, zaczynają falować na silnym wietrze i przełamują się. Wiele takich katastrof zna historia techniki. Czasami żeglarze widzą, jak ich jacht spokojnie płynący po nierozfalowanej wodzie, pchany wiatrem od tyłu, zaczyna się kołysać i czasami wywraca się.
Wiry pojawiające się na krawędziach tworzą dźwięki w wielu instrumentach muzycznych. Najpotężniejszym instrumentem są organy, w których powietrze przedmuchiwane przez szczeliny ulega zawirowaniu, a zmiany ciśnienia powietrza (drgania) podtrzymywane są efektem rezonansu w rurach o odpowiednio dobieranej długości. Inne instrumenty, jak na przykład flet (i amatorskie piszczałki) zmieniają rezonans w rurze przez zakrywanie odpowiednio rozmieszczonych otworów.
Organy mogą wytwarzać dźwięki w pełnym zakresie słyszanym przez człowieka, a nawet znane są konstrukcje, z których można wydobyć dźwięki niesłyszalne, lecz mocno oddziaływujące na naszą psychikę (tak zwane infradźwięki).
Wytwarzanie infradźwięków stało się problemem w popularnych wiatrakach wytwarzających elektryczność. Regularny ruch śmigieł zakłócających równomierny strumień wiatru, szczególnie w tym miejscu, gdzie śmigło przechodzi obok masztu, powoduje niesłyszalne, ale bardzo niepokojące „dudnienie” powierza. Stąd zalecenie, aby wiatraki instalować z dala od siedzib ludzkich, najlepiej wysunięte daleko w morze.
Czasem możemy słyszeć, jak wiatr „wyje” na źle zaprojektowanych krawędziach domów. Znany jest żart murarzy, którzy umieszczali w ścianie domu pustą butelkę z ledwo widocznym, wystającym otworem szyjki. Znamy żałosny skowyt pustej butelki, gdy dmuchamy nad jej wylotem.
Ciekawe zjawisko można obserwować, gdy w powietrzu porusza się przedmiot obracający się, na przykład „podkręcona” piłka. Zawodnicy różnych dyscyplin wykorzystują tak zwany efekt Magnusa, który powoduje niespodziewane zakręcanie lotu piłki. Piłkarz potrafi nadać takie obroty piłce, że kopnięta wzdłuż linii bramkowej zakręci i wpadnie do bramki. Tenisiści często nadają odbitej piłce taki ruch obrotowy, aby poszybowała wysoko nad siatką (lub nad przeciwnikiem) i zakręcając, prawie pionowo spadła na kort.
Efekt Magnusa polega na wytwarzaniu różnych ciśnień po przeciwnych stronach obracającej się piłki. Z jednej strony powierzchnia piłki kręci się „pod wiatr” zmniejszając szybkość przepływu powietrza (i zwiększając ciśnienie), a po drugiej stronie obrót piłki dodaje się do szybkości przepływu powietrza i ciśnienie jest mniejsze. Różnice ciśnień powodują popychanie piłki w bok jej toru.
Efekt Magnusa proponowano wykorzystać do napędu statków, zamiast tradycyjnych żagli. Kilka pionowych, obracających się rur zamontowanych na statku może dać wystarczającą siłę do ich napędu (oczywiście, gdy wieje wiatr). W niektórych amatorskich modelach samolotów, zamiast tradycyjnych skrzydeł mocowane są obracające się rury. Powstająca siła aerodynamiczna efektu Magnusa umożliwia start przy znacznie mniejszej szybkości. Obracające się ciężkie elementy dają jednak efekt żyroskopowy, utrudniając manewrowanie.
Wiry powietrza w dużej skali obserwowane są jako zjawiska meteorologiczne. Kilka lat temu, jadąc przez pustynię w Utah, zaobserwowałem w dali, na płaskim terenie, powstające i znikające kłęby pyłu. Myślałem, że jest to spowodowane jakimś innym pojazdem. Po zbliżeniu się ze zdziwieniem dostrzegłem, że to jakby kominy wirującego pyłu i piasku podnoszone spontanicznie z płaskiej pustyni. Później dowiedziałem się, że zjawisko to określają miejscowi, jako pustynne duchy (lub diabły) i można je obserwować niemal w każdy słoneczny dzień.
Gdy powietrze jest nieruchome (dzień bezwietrzny), tuż nad powierzchnią piasku powietrze silnie się rozgrzewa a wyżej zalega warstwa powietrza nieco chłodniejszego. Jakieś lokalne zakłócenie (przysłowiowy ruch skrzydeł motyla) powoduje, że ciepłe i lżejsze powietrze przebija chłodniejszą warstwę i wznosi się do góry. W opuszczone miejsce napływa gorące powietrze znad otaczających piasków i potęguje wznoszący się słup przebitym „kominem” do góry. Powietrze zaczyna wirować, gdyż musi być zachowany tak zwany „moment pędu”. Widzimy to na pokazach łyżwiarskich, jak zawodnik przyciągając do siebie rozłożone poprzednio ręce, gwałtownie zwiększa szybkość wirow
ania.
Potężne wiry powietrza powstają ciągle w atmosferze i rozciągają się na setki kilometrów. Są to powszechnie znane „niże i wyże” atmosferyczne. Powstają spontanicznie w miejscach, gdzie powietrze zawirowywane jest nad wzniesieniami, gdzie mocniej nagrzana powierzchnia lub przeszkoda terenowa powoduje wznoszenie się słupa powietrza. Gdy na skutek wznoszenia zmienia się ciśnienie i temperatura, następuje wykroplenie pary wodnej (chmura, deszcz).
Ubytek pary wodnej w powietrzu atmosferycznym to dalsze zmniejszanie ciśnienia. W miejsce ubytku zaczyna napływać powietrze z okolic, powstaje wiatr. I w tym momencie zaczyna pojawiać się i oddziaływać na ruch powietrza – efekt Coriolisa.
Efekt ten związany jest z wirowaniem Ziemi. Cała powierzchnia Ziemi i związana z nią atmosfera porusza się z zachodu na wschód. Na równiku ruch ten jest najszybszy – ponad 460 metrów na sekundę. Na biegunach kręcimy się w miejscu. Ruchu tego nie czujemy, gdyż tak samo porusza się wszystko naokoło, również powietrze. Gdy jednak wiatr „przepycha” powietrze w kierunku północnym, okręgi wyższych szerokości geograficznych są mniejsze (a więc mniejsza szybkość przesuwania się powierzchni Ziemi) i wiatr, o „zapamiętanej” większej szybkości, odchyla się w prawo. Ośrodek o mniejszym ciśnieniu zostaje po lewej stronie i przyciąga masy powietrza powodując powstanie lewoskrętnego wiru. Wygląda to nieco skomplikowanie, ale tak jest.
Powietrze uzupełniające niż atmosferyczny, zbliżając się do jego centrum, rozpędza się wirując coraz szybciej, jak nasz łyżwiarz w piruecie. Nad lądem, gdzie wiatr jest wyhamowywany przez nierówności terenu, wieją tylko silne wiatry. Nad dużymi i równymi obszarami oceanów szybkość wirujących wiatrów osiąga moc huraganów (cyklonów, tajfunów).
W dużo mniejszej skali występują wiry na ścierających się warstwach zimnego i ciepłego (wilgotnego) powietrza. Zjawisko to zwane trąbą powietrzną (tornado) ma zasięg kilku kilometrów, choć czasami może wędrować na dziesiątki i setki kilometrów.
Rocznie notuje się ponad tysiąc tornad nad terytorium USA. Słyszymy tylko o niewielu, gdyż większość powstaje i kończy żywot nad niezamieszkałymi równinami. Tornado powodujące szkody obserwowane jest jako wirujący lej sięgający od chmur do ziemi. Formuje się jednak, jako obracający się walec, u podstawy chmur. Powietrze w tym walcu ma kierunek do dołu i do góry.
Znane są przypadki, gdy taki wir gwałtownie rzucił lądujący samolot o ziemię.
Samoloty same również wytwarzają gwałtowne wiry w atmosferze. Obrazuje to zdjęcie lądującego samolotu, gdy na lotnisku zapalono świece dymne.
Powietrze ściskane pod płatami samolotu i dodatkowo rozkręcane śmigłem zaczyna tworzyć potężne wiry z boku pasa startowego. Również w powietrzu, za startującym samolotem, powstają zawirowania, które mogą wytrącić z lotu podążający z tyłu samolot. Przed kilku laty w Nowym Jorku rozbił się samolot, który zbyt blisko leciał za innym dużym płatowcem.
(ami)
