Meteorolodzy nie zgadują siły wiatru na oko — mierzą ją tym samym urządzeniem od ponad 170 lat, tylko w wersji z metalu i elektroniki zamiast papieru. Cztery kubeczki obracające się na krzyżu ze słomek wystarczą, żeby zbudować działający model prawdziwego anemometru czaszowego i przez tydzień prowadzić własne obserwacje pogodowe na parapecie albo balkonie.

Co nam będzie potrzebne?

  • 5 papierowych kubeczków jednorazowych (najlepiej te same, jednakowej wielkości)
  • 2 proste słomki do napojów
  • ostro zatemperowany długi ołówek z gumką na końcu lub patyczek z korkiem
  • pinezka lub szpilka krawiecka
  • nożyczki i taśma klejąca
  • linijka i zegarek lub stoper (ze smartfona)
  • flamaster w jaskrawym kolorze
  • opcjonalnie: kawałek deski lub sztywnej podstawki, żeby ołówek stał pionowo

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Krzyż ze słomek. Weź dwie słomki i połóż je jedna na drugiej pod kątem prostym, tworząc krzyż. W miejscu przecięcia przebij obie słomki jednocześnie pinezką i sklej je w tym punkcie taśmą, żeby się nie przesuwały. To będzie oś obrotowa całego anemometru.

Krok 2: Mocowanie kubeczków. Do każdego z czterech końców krzyża przyklej taśmą po jednym kubeczku, ustawionym bokiem, tak żeby otwór każdego kubeczka patrzył w tym samym kierunku obrotu — zgodnie z ruchem wskazówek zegara. To ustawienie jest kluczowe: dzięki niemu wiatr wpychający się w otwarty kubeczek pcha go mocniej niż napiera na wypukłe dno sąsiedniego, wymuszając stały kierunek obrotu całej konstrukcji.

Krok 3: Oznaczenie jednego ramienia. Zamaluj flamastrem jeden z czterech kubeczków na wyraźny kolor, na przykład czerwony. Ten szczegół okaże się niezbędny w kroku pomiarowym — bez niego trudno policzyć, ile pełnych obrotów wykonało urządzenie.

Krok 4: Montaż na osi. Wbij pinezkę przez środek krzyża w gumkę ołówka lub w korek, tak żeby krzyż mógł się swobodnie obracać wokół pinezki niemal bez tarcia. Ołówek ustaw pionowo, wbity w podstawkę z plasteliny, kawałka styropianu albo trzymany w doniczce z ziemią, w miejscu wystawionym na wiatr — na parapecie, balkonie lub w ogrodzie, z dala od ścian i przeszkód zakłócających przepływ powietrza.

Krok 5: Pomiar prędkości. Ustaw stoper na dokładnie 60 sekund i policz, ile pełnych obrotów wykona pomalowany, czerwony kubeczek w tym czasie. Powtórz pomiar kilka razy o różnych porach dnia i zapisuj wyniki w notatniku — po tygodniu będziesz miał własny, domowy dziennik pogodowy pokazujący, kiedy wiatr był najsilniejszy.

Wyjaśnienie naukowe

Anemometr czaszowy, czyli taki z obracającymi się miseczkami lub kubeczkami, wynalazł w 1846 roku irlandzki astronom i fizyk Thomas Romney Robinson. Jego konstrukcja z czterema półkulistymi czaszami na poziomych ramionach okazała się na tyle skuteczna, że w niemal niezmienionej formie stosowano ją na stacjach meteorologicznych przez ponad sto lat, a jej uproszczone wersje wciąż stoją na dachach niektórych obserwatoriów. Zasada działania opiera się na prostej asymetrii oporu: wklęsła strona kubeczka łapie powietrze i jest pchana z większą siłą niż wypukła strona sąsiedniego kubeczka ustawionego w przeciwną stronę, przez co cały układ nieuchronnie zaczyna się kręcić w jednym, przewidywalnym kierunku, niezależnie od tego, z której strony akurat wieje wiatr.

Prędkość obrotu anemometru nie jest równa prędkości wiatru, ale jest do niej wprost proporcjonalna, co pozwala ją przeliczyć. Profesjonalne anemometry kalibruje się w tunelu aerodynamicznym, ustalając dokładny współczynnik przeliczeniowy między liczbą obrotów na sekundę a prędkością w metrach na sekundę czy kilometrach na godzinę; domowy model z papierowych kubeczków nie osiągnie takiej precyzji, ale doskonale nadaje się do porównań względnych — czy dzisiaj wiało mocniej niż wczoraj, czy wiatr jest silniejszy rano czy po południu. To dokładnie ta sama logika pomiaru względnego, jaką stosuje się przy odczytach z domowego barometru ze słoika i balonu — nie znamy dokładnej wartości w paskalach, ale wyraźnie widać kierunek zmiany.

Wiatr, który mierzy anemometr, to nic innego jak powietrze przemieszczające się z obszaru wyższego ciśnienia atmosferycznego do obszaru niższego ciśnienia, napędzane przez nierównomierne ogrzewanie powierzchni Ziemi przez Słońce. Im większa różnica ciśnień między dwoma miejscami, tym silniejszy wiatr je wyrównuje — dlatego meteorolodzy łączą odczyty anemometrów z mapami ciśnienia, żeby przewidzieć, gdzie i kiedy pojawią się silne podmuchy albo sztormy. Wiatr ma też bezpośredni wpływ na krajobraz: silne, długotrwałe podmuchy przenoszą cząstki gleby i piasku na duże odległości, co jest jednym z mechanizmów erozji obok wody opisanej w doświadczeniu erozja gleby — porównanie ziemi z trawą i bez . Współczesne turbiny wiatrowe i lotniska wykorzystują dziś znacznie bardziej precyzyjne anemometry ultradźwiękowe, pozbawione ruchomych części, ale wciąż mierzą tę samą wielkość fizyczną, którą Robinson zmierzył po raz pierwszy niemal dwa wieki temu.

Warianty

Skala Beauforta na własną rękę. Obok liczby obrotów zapisuj też obserwowane skutki wiatru — czy poruszają się liście, czy gną się gałęzie, czy trudno iść pod wiatr — i porównaj swoje notatki ze skalą Beauforta, opracowaną w 1805 roku przez brytyjskiego admirała Francisa Beauforta na podstawie właśnie takich wizualnych oznak, bez żadnych przyrządów pomiarowych.

Wskaźnik kierunku wiatru. Obok anemometru zbuduj prostą chorągiewkę kierunkową z trójkąta kartonu osadzonego obrotowo na patyku, z oznaczonymi stronami świata. Zestawienie siły i kierunku wiatru z kilku dni pozwala zauważyć, czy w twojej okolicy silniejsze podmuchy zwykle wieją z jednej, dominującej strony.

Kalibracja względem znanej prędkości. Poproś kogoś, by przejechał rowerem lub przeszedł z anemometrem w dłoni ze znaną prędkością (np. 5 km/h, odczytaną z aplikacji GPS w telefonie) w bezwietrzny dzień, i policz obroty na minutę. Powtarzając to dla kilku prędkości, otrzymasz przybliżoną krzywą przeliczeniową, dzięki której kolejne pomiary na wietrze będą już wyrażone w konkretnych kilometrach na godzinę, a nie tylko w liczbie obrotów.

Często zadawane pytania

Dlaczego anemometr ma zawsze cztery czasze albo kubeczki, a nie na przykład trzy albo dwie? Trzy czasze to w rzeczywistości najczęstsze rozwiązanie w profesjonalnych urządzeniach, bo taki układ obraca się bardziej równomiernie i mniej podatny jest na chwilowe wahania prędkości niż układ z dwiema czaszami. Cztery ramiona, które proponujemy w wersji domowej, są jednak prostsze do symetrycznego zbudowania z dostępnych materiałów i dają wystarczająco stabilny obrót do obserwacji amatorskich. Liczba czasz wpływa też na czułość: więcej czasz oznacza większy opór na wietrze, ale też wolniejszy start obrotu przy bardzo słabych podmuchach. Dlatego stacje naukowe dobierają liczbę i rozmiar czasz eksperymentalnie do zakresu prędkości, jaki chcą mierzyć najdokładniej.

Czy domowy anemometr z papieru może się zepsuć albo dawać błędne wyniki przy silnym wietrze? Tak, papierowe kubeczki mogą się odkształcić lub oderwać przy bardzo silnym, porywistym wietrze, a tarcie w prowizorycznym łożysku z pinezki rośnie z czasem i spowalnia obrót niezależnie od siły wiatru. Warto co jakiś czas sprawdzać, czy oś obraca się swobodnie, ewentualnie delikatnie natłuszczając miejsce styku pinezki z ołówkiem odrobiną wazeliny. Jeśli zauważysz, że wyniki z kolejnych dni są coraz niższe mimo pozornie podobnej pogody, to często oznaka rosnącego tarcia, a nie realnego osłabienia wiatru. Dlatego profesjonalne anemometry stosują łożyska kulkowe o minimalnym tarciu, które utrzymują dokładność przez lata pracy na zewnątrz.

Skąd w ogóle bierze się wiatr i dlaczego czasem wieje mocniej, a czasem wcale? Wiatr powstaje, gdy Słońce nierównomiernie ogrzewa powierzchnię Ziemi — ląd nagrzewa się i stygnie szybciej niż woda, a powietrze nad cieplejszym obszarem unosi się do góry, tworząc strefę niższego ciśnienia, do której napływa chłodniejsze powietrze z okolicy. Im większa różnica temperatur i ciśnień między sąsiednimi obszarami, tym gwałtowniej powietrze próbuje je wyrównać, co odczuwamy jako silniejszy wiatr. W dni, gdy temperatura jest wyrównana na dużym obszarze, różnice ciśnień są niewielkie i wiatr niemal zamiera, co łatwo zaobserwować, prowadząc regularne pomiary anemometrem równolegle z odczytami domowego barometru.