Физика /1.Теоретическая физика
К.п.н. Мищик С.А.
Государственный морской университет имени
адмирала Ф.Ф.Ушакова ,
Россия
Системные гидрометеорологические задачи
прикладной физики морского флота
Системные гидрометеорологические задачи
прикладной физики морского флота отражают целостно-системное моделирование
основных элементов транспортных объектов. При этом возникает ориентация на
единство базисных характеристик предметных и исполнительных условий
относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: вычисления атмосферного давление и влажности, определение истинной скорость ветра, методы
краткосрочного прогноза, основанные на использовании квазигеострофического
приближения, геометрическая дальность видимости,
метеорологическая дальность видимости, дальность
видимости огней на морском флоте.
В процессе решения системных задач гидрометеорологической
прикладной физики морского флота необходимо применять основные положения теории
деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта.
Системный анализ предполагает
выполнение последовательности системных аналитических действий: выделить объект
анализа – гидрометеорологическую задачу прикладной физики морского флота (ГМЗПФМФ)
как систему; установить порождающую среду ГМЗПФМФ; определить уровни анализа ГМЗПФМФ;
представить целостные свойства ГМЗПФМФ относительно пространственных, и временных
характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ГМЗПФМФ;
установить структурные элементы уровня анализа ГМЗПФМФ; определить системообразующие
связи данного уровня анализа ГМЗПФМФ; представить межуровневые связи анализа ГМЗПФМФ;
выделить форму организации ГМЗПФМФ; установить системные свойства и поведение ГМЗПФМФ.
Задача 1
Судно движется на юго-восток со скоростью u. Флюгер на судне составляет угол 90° с его
диаметральной плоскостью, причем ветер дует с левого борта. Определить истинную
скорость ветра и его направление, если относительная скорость ветра равна
скорости судна.
Ответ: ветер дует с севера со скоростью 
.
Задача 2
Флюгер корабля, двигавшегося на север, отклоняется
из-за ветра и составляет с направлением движения корабля угол 135°,
отсчитываемый против хода часовой стрелки. При изменении курса корабля на северо-восток
угол между направлением движения корабля и флюгером стал равным 
Определить
истинное направление ветра, считая, что величина скорости корабля при изменении
курса сохранилась прежней. Указание. Проектировать векторные уравнения на
направления северо-восток и северо-запад.
Ответ: ветер дует с юго-востока.
Задача 3
Период вращения экваториальных солнечных пятен
(синодический), наблюдаемый с Земли, равен 26,9 суток. Определить истинный
(сидерический) период вращения этих пятен, зная, что Солнце вращается в ту же
сторону, в которую обращается вокруг него Земля. Год принять равным 365 суткам.
Считать земную ось перпендикулярной к плоскости эклиптики.
Ответ: 25,0 суток.
Задача 4
Корабль идет курсом ЮВ со скоростью а узлов,
при этом флюгер на мачте показывает ветер В. Корабль уменьшает ход до а/2
узлов, флюгер показывает ветер СВ. Определить: 1) направление и 2) скорость
ветра. Примечание. Наименование курса указывает, куда идет корабль,
наименование ветра —откуда он дует.
Ответ: 1) С севера; 2) 
узлов.
Задача 5
Температура на штурманском мостике t0=37°С, атмосферное давление
Р0= 101,3 кПа. Какое
давление Р покажет ртутный барометр,
находящийся на штурманском мостике? Коэффициент объемного расширения ртути
β =1,82·10-4 К-1. Расширением стекла
пренебречь.
Ответ:
р= 102 кПа.
Задача 6
Внутренний диаметр измерительной барометрической
трубки d=0,75 см. Какую поправку надо ввести, измеряя атмоcферное давление
по высоте ртутного столба? Несмачивание считать полным.
Ответ:
к высоте
ртутного столба надо добавить 2 мм.
Задача 7
Какую относительную ошибку допускает наблюдатель,
вычисляя атмосферное давление Р0=
101,3 кПа по высоте ртутного столба, если внутренний диаметр барометрической
трубки d равен: а) 5 мм; б) 10 мм? Несмачивание считать полным.
Ответ:
а) х = 0,4%; б) х =0,2%.
Задача 8
Какой минимальной силы света должен
быть огонь морского маяка, чтобы штурман корабля мог его заметить ночью с
расстояния не менее 5 км, при следующих условиях: не учитывая ослабление света
в атмосфере; в идеальной атмосфере, при максимально возможной метеорологической
дальности видимости 321 км (при температуре воздуха у земли 15 °С); в реальной
.атмосфере, при отличной метеорологической дальности видимости (SМ = 50 км). Существенно ли изменяется минимальная сила света
при переходе от случая отсутствия атмосферы к идеальной и реальной атмосфере
при SМ = 50 км?
Ответ: 7 кд; 7,4
кд; 10 кд.
Задача 9
Вычислить световой поток, падающий на площадь зрачка
глаза вахтенного штурмана от огня силой света 60 кд, находящегося от вахтенного
штурмана на расстоянии 2 км. Диаметр зрачка глаза равен 4 мм. Если выполнены
условия темновой адаптации глаза и вахтенный штурман находится в реальных
условиях, то увидит ли он этот огонь? С какого самого большого расстояния можно
увидеть этот огонь? Ослабление света в атмосфере не учитывать.
Ответ: 1,88·10 -10 лм; увидит; 14,8 км.
Задача 10
Определить морскую метеорологическую дальность
видимости в километрах и баллах, если одиночный огонь силой света в 50 кд
становится невидимым ночью на расстоянии 2 км.
Ответ: 2,0 км; 5
баллов
Задача 11
Судно шло к берегу, и, как обычно бывает ночью при хорошей
видимости, с расстояния более 25 км штурман увидел огонь маяка, сила света
которого равнялась 1,8·109 кд. Затем начался интенсивный
снегопад, снизивший видимость до 800 м. Маяк стал не виден, но судно продолжало
идти прежним курсом. На каком расстоянии от берега (5, 4, 3, 2 или 1 км) штурман
снова увидит свет маяка?
Ответ: 4 км.
Задача 12
Расстояние до берега было около 60 км, когда наблюдателю
на теплоходе ночью показалось, что он видит свет маяка. Мог ли он действительно
увидеть свет маяка с такого расстояния, если метеорологическая дальность
видимости равнялась 20 км, а сила света прожектора маяка 1,8·109
кд.
Ответ: Да.
Задача 13
Скорость движения проекции метеорологического спутника
на земную поверхность 7,4 км/с. Оптико-механический сканер, установленный на
спутнике, обозревает территорию шириной L = 110 км. Пространственное разрешение
r =
35 м. Разрядность кодирования пиксела I = 8 бит на пиксел. Определить, сколько
сканов (строк) за секунду производит прибор, количество пикселей в одной строке
и ширину радиометрического диапазона используемого датчика (количество уровней
дискретизации сигнала).
Ответ: 30 сканов в сек,
1000 пикселей, 256 уровней.
Задача 14
Высота орбиты метеорологического спутника Н = 600 км.
Определите скорость спутника на орбите (в км/с), скорость движения проекции спутника
на земную поверхность (в км/с) и период обращения спутника вокруг Земли (в
минутах).
Ответ:
V = 7,56
км/с, V з = 6,91 км/с, Т=
96,5 мин.
Задача 15
На
сколько удлинится день за счет рефракции на широте 80° 8 марта?
Ответ: 2 часа 46
минут.
Задача 16
Высота орбиты метеорологического спутника Н = 600 км.
Ширина полосы обзора сканером L = 185 км, пространственное разрешение в надире r =
40 м. Определите мгновенное поле зрения сканера, максимальный угол сканирования
от направления в надир.
Ответ: Δφ =
66,7·10-6 радиан, α max = 8,77°.
Задача 17
Высота нижней границы облачности определяется с
помощью шаров-пилотов. Скорость подъема шара V=120 м/мин, шар скрылся в облаке спустя время τ =
7 мин 40 с после начала наблюдения. Определите высоту нижней границы облака. Ответ: 920 м.
Задача 18
|
Вертушка анемометра имеет радиус плеча R = 0,3 м и
вращается со скоростью n = 1,5 оборота в секунду. Определите скорость ветра. Ответ: 8,5 м/с . |
|
Задача 19
Порт А, где давление 993,9 мбар, и порт В, где
давление 997,6 мбар, находятся на одном меридиане. Изобара 995 мбар проходит с
северо-запада на юго-восток. Найти горизонтальный градиент давления, если АВ =
370 км.
Ответ: 1,41 мбар/100
км
Задача 19
Граница океанической циклонической области является
окружностью радиусом 1500 км. В центре области давление равно 976,2 мбар, а в
северной, восточной, южной и западной точках окружности - соответственно 994,5;
998,0; 995,3 и 991,8 мбар. Найти среднее значение лапласиана давления в области
наблюдения. Ответ: 0,34 мбар/10 4 км 2 .
Задача 20
|
Определить дивергенцию, вихрь и деформацию скорости
ветра в акватории морского перехода по
данным на схеме, где r =
250 км . Широта места 55°. Ответ:
|
|
Задача 21
|
Определить средние значения дивергенции, вихря и
деформации скорости ветра для центра акватории морского перехода, приведенной
на схеме. Ответ:
|
|
Задача 22
|
Определить средние значения дивергенции, деформациии
абсолютного вихря скорости ветра в акватории морского перехода по данным на
схеме. Ответ: |
|
Задача 23
В акватории морского перехода найти радиус кривизны
линии тока для безвихревого движения, если скорость ветра на линиях тока,
отстоящих друг от друга на 500 км, составляет соответственно 8 м/с и 12 м/с ?
Ответ: 1000 км.
Задача 24
В акватории морского перехода радиус кривизны линии
тока в циклоне 1000 км. Скорость ветра 12 м/с. Каков должен быть градиент
скорости ветра в циклоне вблизи линии тока, чтобы движение было безвихревым?
Ответ: 1,2 м/с на каждые 100 км перехода.
Задача 25
В акватории морского перехода определить вихрь
скорости ветра в антициклоне на круговой линии тока радиусом 1600 км, если
скорость ветра на ней составляет 9 м/с и линейно убывает к центру антициклона.
Ответ: 
.
Задача 26
При какой скорости западного ветра значение вихря в
точке обсервации судна увеличится за сутки на 2 единицы, если горизонтальный
градиент вихря направлен на северо-запад и равен 1,5·10-5 с -1/100 км?
Ответ: 2 м/с .
Задача 27
В акватории морского перехода температура воздуха 200C, относительная влажность 80%. При какой температуре
окружающей среды в акватории морского перехода следует ожидать туман?
Ответ: 160C .
Задача 28
В акватории морского перехода температура воздуха
утром при t01 = 30°С и
относительная влажность воздуха φ1 = 80%. Какова будет
относительная влажность φ2 в акватории морского перехода температура
воздуха днём, если этот воздух нагрелся до t02 = 50°С? Объем окружающей атмосферы не изменился.
Ответ: φ2 = 29%.
Задача 29
В судовое помещение климатическая система должна
подать V = 10000 м3 воздуха с температурой t01 = 18°С и относительной влажностью φ1
= 50%. Воздух снаружи имеет температуру t02 = 10°С и относительную влажность φ2 =
60%. Осушать или увлажнять придется наружный воздух? Сколько воды придется при
этом сконденсировать или испарить?
Ответ: воздух надо увлажнить, испарив в него дополнительно 22 кг воды.
Задача 30
Судовой паровой котел частично заполнен водой, а
частично — смесью воздуха и насыщенного пара при температуре t01 = 100°С. Начальное давление в котле P1 =
300 кПа. Найдите давление P2 в котле после понижения температуры до t02 = 10°С.
Ответ: P2 = 153 кПа.
Задача 31
В каюте объёмом V = 40 м3 при температуре t01 = 20°С
относительная влажность воздуха φ1 = 20%. Какую массу воды
Δm надо испарить,
чтобы относительная влажность воздуха в каюте стала φ2 = 50% ?
Ответ: Δm = 208 г.