Silný vítr má ničivý potenciál, s rostoucí rychlostí výrazně narůstá jeho kinetická energie
S podzimem a přicházející zimou je tu období, kdy se ve střední Evropě častěji vyskytují hluboké tlakové níže doprovázené silným větrem, v případě mimořádně silných bouří pak hrozí dokonce orkánem. Důsledkem přechodu takovýchto systémů bývají značné materiální škody. Například řádění hluboké níže (resp. bouře či orkánu) Herwart koncem října 2017 způsobilo jen v Česku škody za téměř 1,4 miliard korun. Rekordmanem, co do následků, ale zůstává Kyrill z ledna 2007, který napáchal škody přes 2,2 miliardy korun. Proč má vlastně vítr tak ničivý potenciál?
Silný vítr mívá často ničivý potenciál a může napáchat značné škody nejen v lesích, zdroj: hasicizr.cz
Vítr není nic jiného než pohybující se vzduch, a jako takový má kinetickou energii. Pokud pohybující se vzduch narazí na tuhou překážku, což může být například strom nebo budova, působí na ni síla, která snižuje energii větru. Důležité přitom je, že kinetická energie větru se s rostoucí rychlostí větru nezvyšuje lineárně, ale je úměrná druhé mocnině rychlosti větru. Zdvojnásobení rychlosti větru tedy zvýší její energii (a případný ničivý potenciál) čtyřnásobně, ztrojnásobení dokonce devítinásobně (!). Pokud tedy vítr na daný objekt narazí při rychlosti 90 km/h (tedy 25 m/s), vyvíjí na něj čtyřikrát větší sílu než při rychlosti 45 km/h (a tedy 12,5 m/s). To je důvodem, proč jsou vysoké rychlosti větru tak destruktivní. Tato popsaná síla, resp. tlak větru, však závisí nejen na rychlosti větru, ale i na orientaci letícího předmětu. Pokud vítr narazí na svisle orientovanou překážku (například stěnu domu), bude působení větší než u šikmé překážky (šikmá střecha domu). Jakmile daný objekt přestane být schopen odolávat tlaku větru, dochází k jeho poškození, případně destrukci.
Závislost tlaku větru na tvaru a návětrné orientaci předmětu
Konkrétní působení větru ovlivňuje i tvar tělesa, na který působí. Praktický příklad si při silnějším větru může každý vyzkoušet pomocí mísy – umístí-li ji dnem proti větru, ucítí menší tlak, než když ji obrátí. Na tomto principu jsou ostatně založeny miskové anemometry (měří sílu větru), kdy vítr tlačí víc na misky otočené dnem proti větru než u misek obrácených, výsledkem je pak otáčení anemometru kolem svislé osy. Tohoto efektu lze využít i pro minimalizaci škod větrem – například jeřáby mívají stavební nápravu umožňující otáčení s větrem, což minimalizuje plochu jeřábu vystavenou větru. Na velikost škod má vliv i elastičnost daného předmětu, která umožňuje pohyb nebo naklánění s větrem – pružné stromy tak odolají silnějšímu větru než například uschlé kmeny.
Kromě vlastního tlaku větru způsobeného kinetickou energií proudícího vzduchu může velikost škod zesílit „sací efekt“ na plochách obtékaných větrem. Jde o důsledek tzv. Bernoulliho (též Venturiho) efektu, který říká, že tlak u povrchů, přes které proudí vzduch, klesá s druhou mocninou rychlosti větru (tedy zvýší se rychlost, klesne tlak). Vzniká tedy lokální podtlak, který se projevuje oním sacím efektem (ale jde o jiný typ sacího efektu než v tornádech). Právě tento efekt může za strhávání tašek ze střech, poškození plochých střech nebo odtržení upevněných plachet. A kvůli tomuto jevu se nám v protivětru špatně dýchá.
Schéma působení Bernoulliho (Venturiho) efektu – při proudění přes střechu se zvýší rychlost, čímž u jejího povrchu klesne tlak a může dojít k poškození střešní krytiny, zdroj: tec-science.com
Konečně je nutné zdůraznit vliv nárazů větru. Vítr totiž nemá stabilní rychlost, zejména při vyšších rychlostech vykazuje výraznější kolísání, které se projevuje jeho nárazovitostí. Nárazy pak vedou k vibracím předmětům, což každý zná z pohupování stromů ve větru. Pokud frekvence po sobě následujících nárazů odpovídá tzv. vlastní frekvenci objektu, hrozí v důsledku rezonance značné škody – od lámaní či vyvracení stromů až po zhroucení stavebních objektů. Výmluvným mementem je v tomto směru zhroucení silničního mostu Tacoma-Narrows v roce 1940, které nastalo vlivem rezonance a sacího efektu. Od té doby ale aerodynamika a mechanika značně pokročila, aby se něco podobného už nestalo.
Most Tacoma-Narrow v listopadu 1940 ve větru o rychlosti pouze kolem 60 km/h
Sílu větru tedy není rozhodně vhodné podceňovat, a zejména v případě vydaných varování je dobré mít na pozoru, a to hlavně v parcích a lesích, kde hrozí pády větví, případně i celých stromů. Právě toto podcenění větru bylo v minulosti příčinou řady zbytečných úmrtí při orkánech Herwart, Kyrill nebo Emma.
Silný vítr mívá často ničivý potenciál a může napáchat značné škody nejen v lesích, zdroj: hasicizr.cz
Vítr není nic jiného než pohybující se vzduch, a jako takový má kinetickou energii. Pokud pohybující se vzduch narazí na tuhou překážku, což může být například strom nebo budova, působí na ni síla, která snižuje energii větru. Důležité přitom je, že kinetická energie větru se s rostoucí rychlostí větru nezvyšuje lineárně, ale je úměrná druhé mocnině rychlosti větru. Zdvojnásobení rychlosti větru tedy zvýší její energii (a případný ničivý potenciál) čtyřnásobně, ztrojnásobení dokonce devítinásobně (!). Pokud tedy vítr na daný objekt narazí při rychlosti 90 km/h (tedy 25 m/s), vyvíjí na něj čtyřikrát větší sílu než při rychlosti 45 km/h (a tedy 12,5 m/s). To je důvodem, proč jsou vysoké rychlosti větru tak destruktivní. Tato popsaná síla, resp. tlak větru, však závisí nejen na rychlosti větru, ale i na orientaci letícího předmětu. Pokud vítr narazí na svisle orientovanou překážku (například stěnu domu), bude působení větší než u šikmé překážky (šikmá střecha domu). Jakmile daný objekt přestane být schopen odolávat tlaku větru, dochází k jeho poškození, případně destrukci.
Závislost tlaku větru na tvaru a návětrné orientaci předmětu
Konkrétní působení větru ovlivňuje i tvar tělesa, na který působí. Praktický příklad si při silnějším větru může každý vyzkoušet pomocí mísy – umístí-li ji dnem proti větru, ucítí menší tlak, než když ji obrátí. Na tomto principu jsou ostatně založeny miskové anemometry (měří sílu větru), kdy vítr tlačí víc na misky otočené dnem proti větru než u misek obrácených, výsledkem je pak otáčení anemometru kolem svislé osy. Tohoto efektu lze využít i pro minimalizaci škod větrem – například jeřáby mívají stavební nápravu umožňující otáčení s větrem, což minimalizuje plochu jeřábu vystavenou větru. Na velikost škod má vliv i elastičnost daného předmětu, která umožňuje pohyb nebo naklánění s větrem – pružné stromy tak odolají silnějšímu větru než například uschlé kmeny.
Kromě vlastního tlaku větru způsobeného kinetickou energií proudícího vzduchu může velikost škod zesílit „sací efekt“ na plochách obtékaných větrem. Jde o důsledek tzv. Bernoulliho (též Venturiho) efektu, který říká, že tlak u povrchů, přes které proudí vzduch, klesá s druhou mocninou rychlosti větru (tedy zvýší se rychlost, klesne tlak). Vzniká tedy lokální podtlak, který se projevuje oním sacím efektem (ale jde o jiný typ sacího efektu než v tornádech). Právě tento efekt může za strhávání tašek ze střech, poškození plochých střech nebo odtržení upevněných plachet. A kvůli tomuto jevu se nám v protivětru špatně dýchá.
Schéma působení Bernoulliho (Venturiho) efektu – při proudění přes střechu se zvýší rychlost, čímž u jejího povrchu klesne tlak a může dojít k poškození střešní krytiny, zdroj: tec-science.com
Konečně je nutné zdůraznit vliv nárazů větru. Vítr totiž nemá stabilní rychlost, zejména při vyšších rychlostech vykazuje výraznější kolísání, které se projevuje jeho nárazovitostí. Nárazy pak vedou k vibracím předmětům, což každý zná z pohupování stromů ve větru. Pokud frekvence po sobě následujících nárazů odpovídá tzv. vlastní frekvenci objektu, hrozí v důsledku rezonance značné škody – od lámaní či vyvracení stromů až po zhroucení stavebních objektů. Výmluvným mementem je v tomto směru zhroucení silničního mostu Tacoma-Narrows v roce 1940, které nastalo vlivem rezonance a sacího efektu. Od té doby ale aerodynamika a mechanika značně pokročila, aby se něco podobného už nestalo.
Most Tacoma-Narrow v listopadu 1940 ve větru o rychlosti pouze kolem 60 km/h
Sílu větru tedy není rozhodně vhodné podceňovat, a zejména v případě vydaných varování je dobré mít na pozoru, a to hlavně v parcích a lesích, kde hrozí pády větví, případně i celých stromů. Právě toto podcenění větru bylo v minulosti příčinou řady zbytečných úmrtí při orkánech Herwart, Kyrill nebo Emma.
Encyklopedie počasí
Přečtěte si další články z naší rozsáhlé encyklopedie počasí, která shrnuje poznatky o meteorologii a počasí. Pochopíte řadu základních meteorologických prvků a způsob vytváření předpovědí počasí.
