Узнаем все о ветре, не выходя из дома

Традиционный флюгер

Флюгер - прибор для определения направления ветра и измерения его скорости (рис. 1). Откуда дует ветер судят по положению флюгарки с противовесом, а скорость ветра оценивается по отклонению пластины от отвесного положения. Флюгарка и отклоняющаяся пластина укреплены на штыре, который надет на вертикальную ось, венчающую неподвижное основание, так что и та и другая могут легко поворачиваться под воздействием ветра на оперение флюгарки. Основание снабжено штифтами, ориентированными соответственно основным румбам горизонта (N - север, S - юг, О - восток, W - запад). По положению противовеса флюгарки относительно штифтов, обозначающих основные румбы горизонта, определяют направление ветра. На горизонтальной оси, на которой подвешена качающаяся пластина, укреплена дуга со штифтами-указателями скорости ветра. Стрелкой является сама пластина. Внешне флюгарка напоминает стрелу с оперением, которая точно показывает направление ветра, но ...наоборот! Наоборот на целых 180°, то есть не туда, куда ветер дует, а на точку горизонта (румб), где его место рождения. Именно по названию этого румба ветер и зовут. Конечно, чтобы такой указатель направления ветра реагировал на малейшее изменение этого направления, необходимо, чтобы стрела на оси вращалась легко и чтобы ее оперение (флюгарка) было уравновешено острием (противовесом).

Рис. 1. Традиционный флюгер: 1 - качающаяся пластина; 2 - дуга со штифтами-указателями скорости ветра; 3 - штырь; 4 - флюгарка с противовесом; 5 - штифты, ориентированные соответственно основным румбам горизонта; 6 - основание

Флюгер устанавливают на возвышенных местах, открытым всем ветрам. Близко расположенные крупные препятствия (дома, деревья) на пути воздушного потока способны исказить результаты измерений, полученные с помощью флюгера. На садовом участке флюгер лучше всего установить на крыше садового домика. Однако в этом случае считывание показаний будет затруднено, так как придется сильно задирать голову, чтобы увидеть положение измеряющих элементов прибора.

«Крышно-комнатный» флюгер

Чтобы узнать все о ветре, не выходя на улицу и даже не выглядывая в окно, можно оставить традиционному флюгеру на крыше только роль датчика прибора, а показывающие элементы внести внутрь домика и укрепить, например, на потолке комнаты. Это не только создаст большое удобство наблюдению, но и украсит вашу дачу - будет чем похвастаться перед друзьями. Последний фактор, согласитесь, играет в творчестве самодельщиков не последнюю роль. Вот и один из читателей нашего альманаха из Астрахани считает, что флюгер должен быть красивый и обязательно с разными там «прибамбасами». Этот читатель, очевидно, хотел сказать, что самоделка должна выполнять не только свои основные функции, но и радовать глаз. Как известно, царь Петр I тоже был самодельщиком. В его дворце в летнем саду был устроен возможно первый прибор для определения направления и силы ветра с передачей информации в помещение. Выполнен он так красиво, что его вполне можно считать произведением искусства. Однако, если во времена Петра I были известны способы передачи показаний приборов только механическим путем, то у нас появились и другие возможности. Очень удобно, например, для этих целей использовать электричество. Хотя и от очень простого механического варианта отказываться тоже не резон.

Рис. 2. Флюгер с механической передачей информации: 1 - противовес; 2 - верхний блок;3 - стрелка, показывающая направление ветра; 4 - картушка; 5 - кронштейн со шкалой скорости ветра; 6 - стрелка показывающая скорость ветра; 7 - груз для регулировки «массивности» указателя: скорости ветра; 8 - струна

На рис. 2 приведен вариант конструкции флюгера с механической передачей информации с крыши в комнату. В данном случае флюгарка и отклоняющаяся пластина укреплена не на штыре (см. рис. 1), а на трубке, которая, в свою очередь, на подшипниках установлена в другой трубе, проходящей через крышу и потолок дома. Конечно, трубка с флюгаркой и пластиной в подшипнике должна вращаться достаточно легко. Верхний подшипник, расположенный над крышей, должен быть защищен от воздействия пыли и влаги. Лучше всего его закрыть, как показано на рис. 2, колпачком, плотно надетым на внутреннюю трубку. Нижний подшипник испытывает небольшие нагрузки и находится в благоприятных условиях, так что в защите не нуждается.

На потолке помещения укрепляют круг-картушку (как у компаса), разбитую по окружности на румбы. Напомню, что румб - единица угловой меры, равная 1/32 доле окружности (11,25°). Румбом также называют направление (от наблюдателя) на любой предмет или точку горизонта относительно стран света, а также угол между двумя такими направлениями. Кроме уже упомянутых основных (или главных) румбов: N - норд (север), S - зюйд (юг), О - ост (восток), W - вест (запад) - имеются четвертные румбы (NO, SO, SW, NW) и румбы, расположенные между основными и четвертными (NNO - норд-норд-ост, OON - ост-ост-норд и другие).

В метрологии (наш случай) обычно ограничиваются 16 румбами, а 32 румба - это уже удел моряков, для которых горизонт представляет большую ценность, чем для нас, сухопутных. Поэтому круг-картушку, укрепляемую на потолке, следует разделить на 8 или 16 частей. Этого вполне достаточно для оценки направления ветра. Начертить картушку и обозначить на ней румбы просто. Только имейте в виду, что картушка, расположенная на потолке, должна быть зеркальным отображением картушки, расположенной на столе, то есть восток окажется на западе. При креплении картушки на потолке или в другом месте линию N-S обязательно устанавливают по компасу. На нижнем конце трубки, несущей флюгарку, укрепляют стрелку, показывающую направление ветра. Кстати, острие стрелки вы можете направить по своему желанию.

Направьте по ветру - будет понятнее информация. Соорентируете подобно флюгарке против ветра - станете консерватором, поддерживая традиционный парадокс флюгера. В общем, сами решайте, только потом не пугайтесь! Итак, передачу информации о направлении ветра мы обеспечили.

Поскольку мы пока решили использовать элементы флюгера в качестве датчиков, преобразующих скорость и направление ветра в понятные нам сигналы, постараемся и в помещении сведения о скорости ветра получать в аналогичной форме. То есть пусть показывающий элемент скорости ветра (пластина) при отклонении от вертикального положения отклоняет на такой же угол стрелку, укрепленную на потолке комнаты. Связать стрелку с пластиной не очень трудно с помощью двух блоков и струны. Как это сделать - видно из рис. 2. Понятно, что отклоняющуюся пластину флюгера в этом случае придется сделать из двух пластин меньшего размера. Их надевают на одну ось, фиксируя на последней заклепками. На оси между пластинами неподвижно крепят блок. Заметим, что ось с пластинами и верхним блоком необходимо сместить от оси трубки на величину радиуса блока в сторону острия (противовеса) флюгарки, чтобы струна, перекинутая через блок и одним концом прикрепленная к нему, пошла по оси трубки. Струна при вертикальном положении пластины должна охватывать блок примерно на 90°. Так как струна имеет какой-то вес, то создает на блоке некоторый крутящий момент, который уравновешивают грузиком, располагая его на шпильке, ввинченной в блок со стороны острия флюгарки. Если у обычного флюгера отклоняющуюся пластину делают достаточно массивной, чтобы она не крутилась под порывом ветра, то в данном случае пластина, составленная из двух листов, должна быть легкой, а «массивность» ей обеспечивает стрелка, с которой она соединена струной. Для этого на металлическом «древке» стрелки устанавливают груз, передвигая который по «древку», регулируют чувствительность данного устройства. Стрелка укреплена на нижнем блоке, который соединен струной с верхним блоком (см. рис. 2). Причем нижний блок, как и верхний, смещен на радиус относительно оси трубки, через которую проходит струна. Оба блока имеют одинаковые размеры, причем струна должна охватывать нижний блок более, чем на 90°. Кронштейн, на котором установлен нижний блок, снабжен шкалой. Отградуировать шкалу придется вам самим, отмечая положение стрелки при той или иной силе ветра, сообщаемой местной метеорологической службой. Вообще-то всем полезно уметь оценивать силу ветра по реакции на него окружающих предметов (см. таблицу). Конечно, при жестоком шторме или урагане ветер бывает сильнее, но эта информация нам не пригодится, так как наш флюгер сорвет ветром.

Таблица. Сила ветра и реакция на него окружающих предметов

Флюгер - это простейший прибор для определения скорости ветра. Кроме него существуют и более совершенные устройства - анемометры, которые скорость ветра измеряют либо по частоте вращения специальных вертушек, либо манометрическим способом с использованием гидропневматической трубки (трубки Пито), либо электрическим способом с измерением скорости охлаждения на ветру нагреваемого элемента. Каждый выбирает свои «прибамбасы»!

«Прибамбасы». Анемометр с вертушкой

Подобный измеритель скорости ветра можно соорудить по уже знакомой нам схеме рассмотренного выше «крышно-комнатного» флюгера, причем вовсе не обязательно вертушке непрерывно крутиться. Так же, как и в предыдущем случае, понадобится труба, проходящая через крышу и потолок помещения (рис. 3), а также пружина от патефона или старого будильника. Желательно еще приобрести радиально-упорный подшипник, чтобы установить его в верхней части трубы (при отсутствии радиально-упорного подшипника подойдет и обычный радиальный шариковый, который при небольшой нагрузке способен работать и как упорный). Верхний подшипник обязательно защищают колпачком от пыли и влаги. В нижней части трубы можно ограничиться подшипником-втулкой. В трубе установлен (в вышеупомянутых подшипниках) вал (удобнее в качестве вала использовать не стержень, а трубку). На верхнем конце стержня устанавливают велосипедное колесо (лучше переднее от спортивного велосипеда). На ободе колеса закрепляют несколько лопастей в виде полусфер. Число лопастей лучше принять кратным числу спиц у колеса - легче будет их равномерно распределить на ободе. У переднего велосипедного колеса обычно 32 спицы. Значит, потребуется 8 или 16 полусфер. В качестве последних подойдут корпуса велосипедных фар или черпачки от поварешек. У меня есть очень подходящий для этого абажур от настольной лампы-ночника, но он только один! Почему такая конструкция при ветре начинает вращаться? А весь секрет в том, что полусфера, обращенная к ветру открытой частью, то есть диаметральным (миделевым) сечением, обладает примерно в три раза большим лобовым сопротивлением, чем полусфера, обращенная к ветру своей сферической поверхностью. У других лопастей, например, в виде конической оболочки или в виде корытца, подобная разница лобовых сопротивлений меньше, однако и лопасти такой формы вполне пригодны для вертушки. Главное - все они должны иметь одинаковую форму. Тогда при равномерном расположении их на ободе колеса, ветер одинаковой силы (дующий с любой стороны) будет обеспечивать постоянный крутящий момент на стержне. А именно это нам и требуется. Осталось внутренний конец спиральной пружины от патефона прикрепить к нижней части стержня, а наружный конец - зафиксировать на потолке (возможно использование и цилиндрической пружины). На потолке же приспособим круговую шкалу для обозначения скорости ветра. На конце стержня, ниже пружины, закрепим стрелку. Чем сильнее ветер, тем больший крутящий момент, возникший на колесе, передается пружине, тем сильнее последняя закручивается, поворачивая стрелку на соответствующий угол.

Рис. 3. Анемометр с вертушкой: 1 - колесо с лопастями; 2 - труба-основание; 3 - вал; 4 - спиральная пружина; 5 - стрелка, указывающая скорость ветра; 6 - картушка; 7 - сила ветра, воздействующая на открытую часть полусферы; F1 - сила ветра, воздействующая на открытую часть полусферы; F2 - сила ветра, воздействующая на сферическую поверхность полусферы; F - результирующая сила, формирующая крутящий момент

Дистанционный флюгер

Хорошо, когда потолок близко от крыши. А если дача, как замок, или хозяин дачи желает, чтобы сведения о направлении ветра доходили аж до самого подвала? Придется флюгер электрифицировать!

Рис. 4. Электрическая схема передачи информации от флюгарки к картушке, выполненной в виде светового табло: 1 - коллекторный переключатель; 2 - световая картушка

На рис. 4 представлена электрическая схема, которая позволяет передать информацию от флюгера под крышей куда угодно и высветить ее на электрической световой картушке. Поворачиваясь, флюгер перемещает щеткодержатель (контакт) по коллектору, переключая лампочки световой картушки и освещая тот или иной сектор с названием соответствующего румба. Световую картушку можно установить и на потолке, и на стене, то есть, где угодно и в каком угодно положении. Как ее сделать, показано на рис. 5. В качестве корпуса подойдет пустая банка из-под селедки. В дне вырезают (вырубают зубилом на металлической подставке) окна-стрелки, в которых будут высвечиваться основные и четвертные румбы. На дно банки укладывают круг из матовой бумаги (карандашная калька), затем круг из органического стекла (хорош был бы круг из обычного стекла, но его трудно вырезать). Далее из листовой стали толщиной около 0,5 мм вырезают диск, на котором с одной стороны укрепляют радиальные ребра, которые ограничивают румбы, отделяя друг от друга установленные в секторах лампочки (чтобы лампочки не освещали соседние окна-стрелки). В то же время ребра диска поджимают ко дну корпуса стеклянный круг. Сам диск в корпусе фиксируют несколькими упорами из диэлектрика (текстолит, полиэтилен и т.д.), которые к боковой поверхности корпуса (банки) крепят винтами или шурупами. В картушке применены лампочки на напряжение 3,5 В. Их очень легко устанавливать в диске даже без патронов. Просто в диске в нужном месте сверлят отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру резьбы на цоколе лампочки, затем на краю отверстия делают радиальную прорезь и «перекашивают» края прорези, образуя винтовой виток. Контакты для центральных электродов лампочек удобнее всего сделать из упругих пластин реле, зажав их между пластинами из диэлектрика, например, текстолита (см. рис. 5). К винтовой части цоколя лампочки ток поступает непосредственно по стальному диску, в который лампочки и ввинчивают. Чтобы корпус картушки светового табло не оказался под напряжением, диаметр стального диска с радиальными ребрами делают несколько меньше внутреннего диаметра корпуса-банки, что позволяет кромки самого диска и ребер окантовать резиновым шлангом, разрезав стенку последнего вдоль. Для провода, подводящего ток к стальному диску, контакт лучше сделать в центре диска. Да, остались еще зазоры между ребрами в центре диска. Избавиться от зазоров проще всего с помощью обрезка резинового шланга, который располагают в центре диска, вставив между концами ребер. При желании можно разместить световую картушку на стене или потолке, снабдив ее соответствующими элементами крепления. Названия румбов следует нанести на матовую бумагу черной краской.

Рис. 5. Световая картушка: 1 - втулка (кусок шланга); 2 - корпус; 3 - матовая бумага; 4 - стекло; 5 - радиальное ребро; 6 - диск; 7 - окантовка краев ребер диска; 8 - фиксатор удерживающий диск в корпусе; 9 - упругий контакт; 10 - провода

Коллекторный переключатель проще всего сделать из коллекторного электродвигателя от пришедшей в негодность бытовой техники, например, от пылесоса. Для этого потребуется доломать электродвигатель (снять обмотку якоря, обрезать вал), изготовить несколько несложных деталей, собрать переключатель, припаять провода и установить переключатель в качестве опоры вала флюгера под крышей дома. Жгут проводов соединить со световой картушкой - все готово. Лежи на диване и наблюдай за ветром. Изменилось направление ветра, соответственно повернулся флюгер, а вместе с ним и передняя крышка электродвигателя. В результате единственная щетка, находящаяся в крышке, обеспечила контакт с какой-либо пластиной коллектора, через провод, соединенный с пластиной, ток поступил на лампочку в нужном секторе (румбе) картушки. Особое внимание при изготовлении подобного переключателя следует обратить на надежность прилегания скользящего контакта к поверхности контактного кольца. Последнее укреплено на крышке двигателя и соединено со щеткой (рис. 6). Скользящий контакт, как и упругие контакты лампочек в световой картушке, лучше всего выполнить из пружинистых пластинок, используемых в контактных реле. И еще одна тонкость. Единственная оставшаяся в крышке электродвигателя щетка должна быть ориентирована в том же направлении, что и флюгер, то есть находиться с ним в одной вертикальной плоскости. Данное обстоятельство надо учесть при монтаже переключателя. Если пластин в коллекторе больше, чем лампочек в световой картушке, то их лучше объединить в группы, то есть припаять несколько пластин (две, три) к одному проводу, идущему к той или иной лампочке картушки.

Рис. 6. Коллекторный переключатель цилиндрический: 1 - труба, несущая флюгарку; 2 - втулка упорная; 3 - шайба из диэлектрика; 4 - крышка электродвигателя с одной щеткой; 5 - коллектор электродвигателя ротора; 6 - жгут проводов; 7 - основание; 8 - кольцо контактное; 9 - скользящий контакт

Если на примете нет ни одного подходящего электродвигателя с коллектором, подобный переключатель не очень сложно изготовить и самому. На рис. 7 приведена одна из возможных конструкций. На круге из текстолита с помощью эпоксидного клея укреплены восемь «усеченных» секторов из листовой латуни толщиной до 1 мм. При изготовлении у каждого из них на стороне, образованной дугой с меньшим радиусом, оставляют контакт в виде лепестка, который при креплении сектора на круге загибают в отверстие, просверленное в круге специально для этого лепестка. В дальнейшем к лепесткам припаивают провода, которые соединяют сектора с лампочками картушки. В центре круга устанавливают фланец с посадочным местом для шарикового радиально-упорного подшипника. При отсутствии последнего подойдут либо обычный радиальный шарикоподшипник, либо втулка из медно-графитового композиционного материала (такие втулки стоят в приводах дворников автомобилей). Нижний конец вала, на котором расположена флюгарка, изолируют от вала переключателя с помощью втулки из диэлектрика (см. рис. 7). На валу переключателя устанавливают щеткодержатель, причем не из диэлектрика, а из металла, так как ток к щетке проходит через корпус подшипника, сам подшипник и щеткодержатель. Положение щеткодержателя, как и в предыдущем случае, должно быть согласовано с положением флюгарки. Чтобы поверхности латунных секторов (пластин плоского коллектора) находились на одном уровне, после приклейки их шлифуют наждачной бумагой с помощью шлифка (деревянного бруска). Постепенно используя все более мелкую шкурку, чистоту поверхности доводят до зеркального состояния.

Рис. 7. Коллекторный переключатель плоский: 1 - круг из текстолита с фланцем для установки подшипника; 2 - сектор из латуни; 3 - вал переключателя; 4 - вал, несущий флюгарку; 5 - втулка из диэлектрика; 6 - щеткодержатель; 7 - провода

Рис. 8. Схема резистивного контроля: 1- микроамперметр; 2 - резистор

Дистанционный анемометр

Осуществить передачу информации о силе ветра с крыши в помещение удобнее от анемометра с вертушкой, изображенного на рис. 3, применив реостатный метод контроля, то есть метод определения неэлектрических величин с помощью регистрации изменяющегося сопротивления резистивного датчика, включенного в электрическую цепь. Конечно, сопротивление датчика изменяется синхронно с изменением неэлектрической величины (в нашем случае такой величиной является угол закрутки пружины, соединенной с вертушкой). В качестве резистивного датчика можно применить обычное переменное сопротивление типа СП2-2, которое, как и исполнительный прибор, в электрическую цепь включают последовательно (рис. 8). Как подсоединить резистивный датчик к вертушке и как использовать в анемометре цилиндрическую пружину, показано на рис. 9. Принцип действия такого анемометра аналогичен работе механического анемометра, приведенного на рис. 3. Здесь также вертушка закручивает пружину, но поворачивает не стрелку, а ручку резистора (СП2-2) на тот или иной угол, меняя соответственно его сопротивление, от которого зависит ток в электрической цепи.

Рис. 9. Установка резистивного датчика (переменного сопротивления) в качестве устройства, передающего информацию о степени закручивания пружины вертушкой анемометра: 1 - вал, несущий катушку; 2 - труба с подшипниками; 3 - кронштейн; 4 - переменное сопротивление; 5 - поводок; 6 - пружина

Исполнительный прибор (миллиамперметр) фиксирует значение тока, проходящего по цепи. Остается шкалу прибора проградуировать по методике, уже упомянутой ранее, то есть по данным местной метеорологической службы. И еще одно замечание. Поскольку резистивные датчики (те же сопротивления переменные типа СП2-2) имеют рабочий ход примерно 3/4 оборота, устройство желательно снабдить ограничителем поворота.

При изготовлении предложенных в статье устройств у вас, уважаемые читатели, могут возникнуть те или иные вопросы. И на большинство из них вы сможете ответить сами, только проведя какие-то эксперименты. Мои советы не претендуют на полную информацию по данному вопросу. У самодельщиков всегда остаются возможности для совершенствования предложенных конструкций. Интересно подумать, например, над художественным оформлением показывающих приборов, расположенных в помещении, украсив их чеканкой, резьбой по дереву, обозначив румбы картушки выразительными символами. Раньше наши деды, не вставая с русской печи, уже знали о силе ветра по громкости и тону его «игры» на дымовой трубе. Горожане лишены этой возможности. Может стоит подумать, как информацию о силе ветра использовать для управления неким генератором, синтезирующим завывание ветра в печной трубе?

Я буду очень рад, если мои советы помогут вам, подтолкнут вас к творчеству, к поиску новых решений возникших перед вами проблем. Успехов вам!