เมื่อพูดถึงลม เราอาจนึกถึงภาพต่างๆ มากมาย ลมมีหลายรูปแบบตั้งแต่ลมฤดูร้อนที่พัดว่าว จนถึงลมที่เป็นพายุเฮอริเคนที่ฉีกหลังคา เครื่องวัดความเร็วลมจะวัดความเร็วลม แต่ความเร็วของลมมีผลอย่างไร?
แรงลม (Wind force)
แรง (Force) มีหน่วย SI เป็นนิวตัน (N) ซึ่งกำหนดโดยทั่วไปเป็นการผลักหรือดึง สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร แรง เท่ากับ มวล คูณ ความเร่ง (F = ma) และลมยังผลักและดึง โดยทั่วไปจะมีแรงมากขึ้นเมื่อเคลื่อนที่เร็วขึ้น ความดันเท่ากับแรงหารด้วยพื้นที่ โดยพื้นฐานแล้วลมจะใช้แรงกับพื้นที่เช่นผนัง หลังคา หรือบุคคล
จากนิยามนิวตัน (สัญลักษณ์: N) เป็นหน่วยของแรงในระบบหน่วยสากล (SI) ถูกกำหนดให้เป็น 1 kg⋅m/s2 แรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัมมีความเร่ง 1 เมตรต่อวินาทีต่อวินาที ได้รับการตั้งชื่อตามไอแซก นิวตัน เพื่อเป็นการรับรองผลงานของเขาในด้านกลศาสตร์คลาสสิก โดยเฉพาะกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน
ดังนั้นเมื่ออากาศหรือลมเคลื่อนที่ และไปกระบพื้นผิวหยุดนิ่ง ลังงานไดนามิกในลมจะเปลี่ยนเป็นความดัน ความดันที่กระทำต่อพื้นที่เปลี่ยนเป็นแรง
Fw = pd A = 1/2 ρ v2 A
เมื่อ
- Fw = แรงลม (N)
- A = พื้นที่ผิว (m2)
- pd = แรงดันไดนามิก (Pa)
- ρ = ความหนาแน่นของอากาศ (กก./ลบ.ม.) = 1.2 kg/m3
- v = ความเร็วลม (m/s)
ตัวอย่างแรงลมพายุเฮอริเคนที่กระทำบนพื้นผิวผนัง
พายุเฮอริเคนที่มีความเร็วลม 35 m/s กระทำบนผนังพื้นที่ 10 m2 แรงไดนามิกสามารถคำนวณได้ดังนี้
Fw = 1/2 ρ v2 A
= 1/2 (1.2 กก./ลบ.ม.) (35 ม./วินาที)2 (10 ตร.ม.)
= 7350 N = 7.35 kN
เครื่องมือสำหรับวัดแรงลม
ในปัจจุบันยังต้องใช้การคำนวณแรงลม (Wind force) จากความเร็วของลมซึ่งมีเครื่องวัดความเร็วของลม (แอนนิโมมิเตอร์ Anemometer) ในหน่วยต่างๆ เช่นเมตรต่อวินาที (m/s) กิโลเมตรต่อชั่วโมง (กม./ชม.) ไมล์ต่อชั่วโมง (mph), นอต (kn) หรือฟุตต่อวินาที (ft/s)
ประเภทของเครื่องวัดความเร็วลม
มีเครื่องวัดความเร็วลมรุ่นต่างๆ มากมายสำหรับการวัดลมและความเร็วลมโดยตรง มี 2 ชนิดที่ได้รับความนิยมสูงสุดได้แก่แบบใบพัด (Vane anemometer) และแบบใช้ลวดความร้อน (Hotwire anemometer) ซึ่งแต่ละชนิดมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันไปตามการออกแบบและคุณสมบัติ
ใครใช้เครื่องวัดความเร็วลม
นักอุตุนิยมวิทยา
แอนนิโมมิเตอร์เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับนักอุตุนิยมวิทยาที่วิเคราะห์รูปแบบสภาพอากาศ ความเร็วและทิศทางลม ด้วยข้อมูลนี้ นักอุตุนิยมวิทยาสามารถคำนวณแรงดันลมได้
แรงดันลมคือแรงที่กระทำต่อโครงสร้างโดยลม การวัดความเร็วลมเป็นสิ่งสำคัญในการกำหนดอันตรายจากสภาพอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเตือนพายุทอร์นาโดและการเปิดรับลมที่ความเร็วสูง
วิศวกรและนักฟิสิกส์การบินและอวกาศ
เครื่องวัดนี้สำคัญสำหรับวิศวกรการบินและอวกาศในการกำหนดแนวคิดการออกแบบเพื่อให้มีอากาศพลศาสตร์มากขึ้น
ปฏิบัติการทางทะเล
เครื่องวัดนี้เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการเดินเรือ เนื่องจากความเร็วลมเป็นตัวกำหนดความสูงของคลื่น คลื่นขนาดใหญ่อาจทำให้เกิดปัญหาการนำทางสำหรับกะลาสีเรือ
เกษตรกรรม
ความเร็วลมมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมการเกษตรเนื่องจากการฉีดพ่นพืชผลอาศัยรูปแบบลมเป็นอย่างมากและใช้แอนนิโมมิเตอร์เพื่อกำหนดความเร็วลมที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากสารเคมีอาจไม่ยึดติดกับพืชผลบางประเภทอย่างเหมาะสม และที่แย่กว่านั้นคือสร้างความเสียหายและทำลายพืชผลในบริเวณใกล้เคียง
การคำนวณ HVAC
วิศวกรด้านระบบปรับอากาศใช้เครื่องมือนี้วัดอัตราการไหลของอากาศในอาคารมักวัดเป็นลูกบาศก์ฟุตต่อนาที (CFM) โดยใช้เครื่องวัดความเร็วลมเพื่อประเมินประสิทธิภาพของระบบและอุปกรณ์ทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศ (HVAC)
