W tekście pojawiają się odnośniki A, B, C, D, odnoszą się one do obliczeń, które można znaleźć na końcu części w języku angielskim.
Artykuł z Everyday Science & Mechanics z grudnia 1933
Każdego roku wirujące tornada powodują wielkie szkody w Stanach Zjednoczonych i te katastrofy tak jak trzęsienia ziemi dotychczas były przyjmowane jako nieuniknione. Ale wielki naukowiec i wynalazca Nikola Tesla, który poświęcił sprawie specjalne badania, zarówno eksperymentalnie jak i teoretycznie, zaproponował wykonalny plan zorganizowania krajowej rządowej służby do zwlaczania i przerywania tonada podczas ich formowania; tak jak straż pożarna reagująca na alarm zasypuje plomień, gdy jest jeszcze mały. Należy mieć nadzieję, że ta propozycja spotka się z oficjalnym dochodzeniem i adekwatnym działaniem w Waszyngotonie. - wydawca
Wiele raportów o stale zmieniających się falach powietrznych, cyklonach, a zwłaszcza tornadach, opisuje działania, które są niewiarygodne i powodują, że niektórzy obserwatorzy zakładają prędkości, rzędu tych osiąganych podczas wybuchów.
Tylko żeby się zorientować, załóżmy, że zapalany jest jeden funt dynamitu zajmujący całą objętość opakowania. Maksymalna prędkośc teoretyczna osiągana w idealnym otworze wylotowym wynosi 11.400 stóp na sekundę (A) co jest oczywiście znacznie powyżej tego co faktycznie otrzymamy przy wylocie. Jednak, w takiej eksplozji gazy wystrzelane są przez półkoliste otwarcie na wielki obszar przy odpowiednio mniejszych prędkościach, co dodatkowo redukuje przyspieszenie wolnego powietrza. Tak więc, w małej odległości od centrum zakłóceń, fala przesuwa się z prędkością dźwięku, to jest 1089 stóp na sekundę.
Miałem wiele okazji do sprawdzenia tej wartości poprzez obserwację wybuchów i wyładowań atmosferycznych, idealny przypadek tego rodzaju zaprezentował się w Colorado Springs w lipcu 1899, gdy przeprowadzałem testy w mojej elektrowni nadawczej ( która była jedynym bezprzewodowym zakładem istniejącym w tamtych czasach). Ciężkie chmury zebrały się nad łańcuchem górskim Pike's Peak i nagle piorun uderzył w punkt oddalony o zaledwie dziesięć mil. Zmierzyłem natychmiast czas błysku i po dokonaniu szybkiego obliczenia, powiedziałem moim asystentom, że fala przybędzie w 48,5 sekundy. Dokładnie po upływie tego okresu czasu, wspaniały cios uderzył w budynek, który mógłby zostać wyrzucony z fundamentów, gdyby nie zostały silnie wzmocnione. Wszystkie okna po narażonej stronie i drzwi zostały zniszczone i we wnątrz zostało zrobionych wiele szkód. Biorąc pod uwagę energię wyładowania elektrycznego i czas jego trwania, szacuję, że wstrząs był równowartością tego co może zostać wytworzone przez zaplon dwunastu ton dynamitu. Choć mechaniczne skutki błyskawic zmniejszają się z kwadratem odległości , nadal są wyraźnie zauważalne w zakresie sześciuset mil.
Należy mieć na uwadze, że działania te mają bardzo krótki czasu trwania, i że stały wicher o takiej prędkości będzie wywoływać przerażające skutki. Może naruszać i zmielić w krótkim czasie najtwardszy materiał, stopić metale przez tarcie i uderzenie i spalić wszystko co jest palne. Obiekty, nie ważne jak duże i ciężkie będą porywane jak pióra i nawet pasma górskie nie będą mogły oprzec się przez dowolnie dłuższy okres czasu; odkąd ciśnienie na powierzchni normalnie (prostopadle) do kierunku podmuchu powietrza będzie bliskie trzech tysięcy funtów na stopę kwadratową. Oczywiście mieszkańcy tego świata moga sobie pogratulować, że takie burze są niemożliwe. Tornada, jakie faktycznie wystepują są wystarczająco złe.
 |
| Powstawanie tornada przedstawiono powyżej; obraca się jak woda ściekowa na górze. Jego ogromna prędkość obrotów pozwala osiągnąć wiele niecodziennych przedstawionych wyników; tak jak wtedy gdy miękka świeca jest przestrzelona nieuszkodzona przez twardą płytę. |
Faktem jest, że stosunkowo bardzo małe prędkości wiatru są całkiem zdolne do wytwarzania zanotowanych działań, chociaz może się to wydawać zadziwiające i zastanawiające w pierwszej chwili. Aby zilustrować, rozważmy mechaniczny efekt źdźbła suchej trawy bądź słomy rzucony normalnie na drewnianą deskę z prędkością 150 stóp na sekundę (B). Siła 2929, 5 funtów na cal kwadratowy jest znacznie większa od tej którą deska jest w stanie wytrzymać; wytrzymałośc na ściskanie dębu prostopadle do słojów jest mniejsza niż połowa tego. Jak więc widać, efekt tego rodzaju może byc pewnie oczekiwany nawet przy znacznie mniejszej prędkości, szczególnie jeśli łodyga jest ostro zakończona.
W związku z tym, interesującym jest wspomnieć klasyczny eksperyment, który zwyklo sie pokazywac studentom niektórych europejskich instytucji kształcenia. Polegał on na wystrzelaniu z pistoletu łojowej lub stearynowej świecy w płyte 0,4 cala grubości. Ku zaskoczeniu widzów, miękki pocisk nie tylko przeszedł przez drewno, ale nie wydawał się znacznie gorszy po doświadczeniu. Tajemnicą sukcesu była szybkośc przelotu, nie dająca wystarczająco dużo czasu, aby masa świecy sie poddała. Oczywistym wnioskiem tego działania jest to, że ekspozycja na huraganowy wiatr, zawsze stwarza duże niebezpieczeństwo dla życia; kawałek latającego materiału, nie wyłączając kawalka słomy może głeboko wniknąć w ciało. Jeśli nie myli mnie pamięć, czytałem o poważnym wypadku tego rodzaju.
Ale najwyższe wartości prędkości powietrza obserwowane podczas burzy nie są same w sobie wystarczające, aby wyjaśnić pewne zdumiewające dokonania wiatru, takie jak podnoszenie załadowanych samochodów i lokomotyw i rzucanie nimi na duże odległości. Kiedy pierwszy raz przeczytałem taką relację, wiele lat temu, to zapewniło mi rozrywkę, ponieważ wziąłem to za orginalną amerykańska kaczkę dziennikarską. Kiedy odkryłem ku mojemu nieopisanemu zdziwieniu, że są zasadniczo prawdziwe starałem sie znowu i znowu udowodnić je teorią i obliczeniami, ale dopiero ostanio rozwiązałem tę od dawna istniejącą zagadkę.
Wirujące ruchy atmosfery były znane i budziły postrach od niepamiętnych czasów, ale poza relacjami ich destrukcyjnych działań, można znaleźć niewiele pozytywnych, głownie niepewnych informacji na ich temat. W 1862 r. H. W. Dove opublikował ważną pracę zatytułowaną "Prawo burz"; traktującą głównie o cyklonach, które często rozciagaja się na dużej powierzchni globu i podróżują tysiące kilometrów zanim ich energia zostanie zużyta. Są one łatwe do badania i główne fakty dotyczące ich są dobrze znane. Nie jak nieporównywalnie bardziej niebezpieczne lokalne burze, prawdziwe tornada, które są nagłymi, nieobliczalnymi, efemerycznymi (krótkotrwałymi) i bardzo gwałtownymi manifestacjami trudnymi do zbadania.
W ostatnich latach U. S. Weather Bureau i Smithsonian Institution dostarczyły danych, które są wiarygodne i wartościowe w związku z tematem; jednak nasza wiedza o tornadach jest nadal fragmentaryczna. Ignorując doniesienia prasowe, któe nie są dość wiarygodne i ograniczając się do faktów jednoznacznie dowiedzionych. Doszedłem do pewnych wniosków dotyczących tych zjawisk, które mogą być ważne i można je podsumować w następujący sposób:
(1) Maksymalna prędkość powietrza formującego lej prawdopodobnie nigdy nie przekracza powiedzmy 235 stóp na sekundę lub około 100 mil na godzinę; co myslę że jest wystarczające by wyjasnic wszystkie obserwowane działania. W swoim "Podręczniku meteorologii" ostatnio wydrukowanym obszernym traktacie, Sir William Napier Shaw stawia stwierdza, że może być osiągana prędkość 300 mil na godzinę lub 440 stóp na sekundę, a nawet większa, co jest bardzo mało prawdopodobne. Należy pamiętać, że podmuch powietrza o wartości 150 stóp na sekundę łatwo przenosi cegły i inne tego typu ciężkie przedmioty.
(2) Sprzecznie do popularnego pojęcia, przypisuje się ogromnej energii tornada, że ma dużą specyfikę wybuchu. Jego moc jest wielka ze względu na koncentracje i siłę działania, ale energia jest zaskakująco mała. Wystarczy dać wstepne przybliżenie, rozważmy wir o średnicy zewnętrznej 1200 stóp na górze, takiej samej wysokości i 300 stopach średnicy u podstawy (C). Taka sama ilośc energii mogłaby powstać przez zużycie 1,24 ton benzyny lub 5,74 ton dynamitu. Należy jednak stwierdzić, że ta ocena jest zdecydowanie zbyt wysoka; przez całą długość lej nie jest wypełniony powietrzem o równomiernej gęstości i nie w całości wiruje przy maksymalnej prędkości.
(3) Wir tornada jest ofromna pompą, wciągającą powietrze przez otwór na górze i rozładowujacym je na obwodzie w tym samym tempie, równoczesnie wytwarzając rozrzedzenie we wnętrzu. W związku z tym jego działanie można porównać do wielostopniowej pompy próżniowej; powietrze pędzi od góry do podstawy, coraz bardziej i bardziej zarysowując sie na obwodzie, stopniowo zwiększając próżnię, która może osiągnąć duzą wartość w poblizu podłoża. To wyjasnia stopniowe kurczenie sie wira. Jaki stopień rozrzedzenia jest rzeczywiście uzyskiwany w tym monstrualnym podstępie natury może być z grubsza oszacowane, kiedy weźmie się pod uwagę, że dla każdej poziomej sekcji leja siła odśrodkowa powietrza jest równoważona przez przeciwnie skierowaną różnicę ciśnień istniejących pomiędzy zewnetrzną, a wewnetrzną częścią wiru. Inne rzeczy są podobne, siła odśrodkowa jest odwrotna do promienia obrotu ( średnia odległośc masy od środka); dlatego też kurczenie się leja jest z grubsza miarą rozrzedzenia.
Dla jasności, jesli średnica blisko ziemi jest jedną czwartą tego co u góry, to można bezpiecznie przyjąć, że próżnia przy podstawie musi wynosić około cztery razy więcej niż na górze, gdzie nie istnieje znaczące skupienie.
Ponieważ różnica ciśnień w pompach, która została zmierzona jest nieco większa niż ta która wychodzi ze wzoru (D), jest w miarę pewne, że w rozważanym przypadku została by osiagnięta próżnia nie mniejsza niż cztery cale.
(4) Większość mechanicznych działań tornada jest zintensyfikowana przez wodę, kurz i inne obiekty porywane przez poryw wiatru. Chociaż te materiały moga być obecne w bardzo małym procencie objętościowym, są setki lub tysiące razy cięższe niż powietrze i mogą niezwykle dodawac do pędu i uderzenia.
(5) Postępowy ( z miejsca na miejsce) ruch leja, jest raczej odwrotny, a nie w kierunku wiatru, jak powszechnie sądzono. Wynika to z szybkich obrotów, powodujących tzw. efekt Bernoulliego lub Magnusa, jedynie bardziej intensywny. Siła dociskająca go przez wiatr może być wiele razy większa niż ta pobudzająca go wzdłuż niego ( urging it along the same?). Wir jest napędzany od strony większego ciśnienia statycznego, gdzie rotacja jest skierowana przeciwko wiatrowi i w stronę, która jest nachylona w kierunku przeciwległej strony, w której wystepują odwrotne warunki. Dobrze jest pamiętac o tym w takiej burzy. Jesli obserwator widzi pochylony lej nie jest w bezpośrednim niebezpieczeństwie, ale jesli pojawi się lej idący prosto powinien szybko biec do schronienia.
Łatwo będzie teraz pokazać jak tak duże i bardzo ciężkie ciało, takie jak załadowany wagon kolejowy lub lokomotywa mogą byc podnoszone przez tornado i tarnsportowane na duże odległości. Amerykańskie lokomotywy, które sa najwększymi na świecie mogą miec dlugość 66 i szerokość 11,5 stóp, prezentując w ten sposób 760 stóp kwadratowych w rzucie poziomym. W tym momencie wir uderza w pojazd, koła, połączenia i inne przeszkody na głownym korpusie zatrzymują (hamują) ruch powietrza, co wywołuje cisnienie statyczne 138 funtów na stope kwadratową, przekraczając te w atmosferze. Jednak, jak określono powyżej, dzięki próżni, jest utrzymywana różnica czterech cali słupa rtęci (czyli, dwa funty na cal kwadratowy lub 288 funtów na stopę kwadratową, wywołując całą różnicę ciśnień pomiędzy przestrzenią nad i pod kolomotywą 288+128=426 funtów na stope kwadratową. Łączny nacisk skierowany w górę wywierany na odsłoniętą powierzchnię 760 stóp kwadratowych wynosi 323,760 funtów co wynosi o wiele więcej niż waga takiej lokomotywy ( szacowanej na 280,000 funtów, gdy jest całkowiecie wyposazona w obsługę).
Zwykle, waga powinna być znacznie mniejsza i można zobaczyć, że pojazd zostanie natychmiast podniesiony w spirali, przyspieszony i rzucony marginalnie na dużą odległość. Przeciętny człowiek może być zaskoczony, że mało znacząca próżnia jest wystarczająca do pokazania zdumiewającej siły; ale liczby dostarczają niewątpliwe dowody. Mogę dodać, że przyjąłem minimalne wartości, które według wszelkiego prawdopodobieństwa będą znacznie przekroczone.
Stała obawa niebezpieczeństwa przed tornadami i wielką stratą życia i własności, które one wywołują, powodują w głównej mierze, że bardzo pożądane jest, aby znaleźć sposoby skutecznego zwalczania, jesli nie zapobiegania im. Ilekroć człowiek, próbuje zakłócac porządek rzeczy określony przez niezmienne prawo, odkywa, że jego wysiłki są zupełnie nieistotne w porównaniu z rozległymi ruchami energii w przyrodzie.
Jednym z najwększych możliwych osiągnięć ludzkości będzie kontrola opadów deszczu. Słońce podnosi wody oceaniczne, a wiatr przenosi w odległe rejony, gdzie pozostają w stanie zawieszenia, aż stosunkowo slaby impuls spowoduje, że spadną na ziemię. Ziemski mechanizm działa podobnie jak urządzenie uwalniające wielką energię pod wpływem spustu lub ...( priming cap? ).
Jesli człowiek może wykonać tę stosunkowo błahą sprawę, mógły pokierować życiodajnym strumieniem wody, gdzie mu się podoba, tworząc jeziora i rzeki i przekształcać suche regiony globu. Wiele sposobów zaproponowano w tym celu, ale tylko jeden jest właściwy. Jest nim piorun, ale pewnego rodzaju.
Więcej niż 35 lat temu, podjąłem sie produkcji tych zjawisk i w 1899 odniosłem sukces, urzywając generatora o mocy 2000 koni mechanicznych, do uzyskania wyładowania 18000000 voltów, niosącego prąd 1200 amperów, który miał taka siłę, że był słyszalny w odległości 13 mil. Nauczyłem się równiez jak tworzyc właśnie takie błyskawice jakie wystepują w naturze i opanowałem wszystkie trudności techniczne w tym zakresie. Ale okazało się, że nawet małe manifestacje posiadają stosunkowo niską energię. Całkowicie w naszej mocy jest niszczenie ich, albo przynajmniej czynienie ich nieszkodliwymi; i wszystko coraz łatwiej, ponieważ meteorologia staje się pozytywna nauką, a prognozy pogody wiarygodne.
Obsługa ze standardowymi samolotami bombowymi lub szybszego typu organizowana w tym celu przez rząd z konieczności jest realna. Tornado, ze względu na jego małą energię, ekstremalną mobilność i delikatną równowagę pomiędzy wewnętrznym, a zewnętrznym cisnieniem jest bardzo wrażliwym obiektem i może być bez wątpienia niszczone przez stosunkowo małe ładunki odpowiednio wybuchowe. Wirująca masa, może byc również łatwo odchylona w dowolnym kierunku przez wybuch ładunku nawet w znacznej odległości od niej. Zadanie to jest ponadto ułatwione przez stosunkowo małą prędkość postepową tornada, szczególnie ze względu na obecne środki natychmiastowej sygnalizacji.
Uważam jednak, że urzadzenie teleautomat oferuje skuteczny środek do zwalczania tornad. Od kiedy wystawiłem pierwsze urządzenie tego typu John Hays Hammond Jr., który posiadł wielką sztuke kontroli, wykonał demonstracji na dużą skalę pokazując praktycznośc kontroli złożonych maszyn na odległość. Nie byłoby trudnym zapewnienie specjalnych automatów do tego celu, niosących ładunki wybuchowe, ciekłego powietrza lub inny gaz, który mógłby być wykorzystany w parktyce, automatycznie lub w inny sposób i mogący spowodować nagłe ciśnienie lub ssanie, rozbijające wir. Pociski same mogą byc wykonane z materiału zdolnego do samozapłonu. Wielu ekspertów udostępnia teraz taką usługę i mogą byc znalezieni kompetentni przemysłowcy do przeprowadzenia wszelkich planów.
Mógłby być powołany rządowy wydział, kierowany przez takiego człowieka jak John Hays Hammond Jr. i możnaby wykonać systematyczne badanie problemu. Przeprowadzenie programu mogłoby dać nowe mozliwości produkcji i zatrudnienia, poza gwarantowaniem innych zalet. Nie ma wątpliwości, ze jeśli takie przedsięwzięcie zostałoby zainaugurowane i wiele umysłów postawionych do pracy to skuteczne metody i środki zostaną ostatecznie opracowane i zapobiegnie się wielkim stratom życia i szkodom materialnym.
Everyday Science & Mechanics
Breaking Up Tornadoes
by Nikola Tesla
Every year whirling tornadoes cause great damage in the United States; and this disaster, like earthquakes, has hitherto been accepted as unavoidable. But the great scientist and inventor, Nikola Tesla. who has given the matter special study, both experimentally and theoretically, here proposes a practicable plan for the organization of a national government service to combat and break up tornadoes, when forming; just as a fire department responds to an alarm and overwhelms the blaze while it is still small. It is to be hoped that this proposal will be met by official investigation and adequate action at Washington. — EDITOR.
Many reports of tidal air waves, cyclones, and especially of tornadoes describe actions which are unbelievable; and to account for them some observers have assumed velocities of the order of those attained in explosives.
Just to get an idea, suppose that one pound of dynamite occupying the whole volume of its container is ignited. The maximum theoretical velocity (See Note A at end of article for calculation) attained in a perfect nozzle is 11,400 feet per second, which is obviously far above that actually attained at the mouth. In such an explosion, however, the gases are projected through a hemispherical opening of great area with correspondingly smaller speed, which is further reduced in accelerating the free air. Thus, at a small distance from the center of the disturbance, the tidal wave advances with the speed of sound; that is, 1089 feet per second.
I have had many opportunities for checking this value by observation of explosions and lightning discharges, An ideal case of this kind presented itself at Colorado Springs in July, 1899, while I was carrying on tests with my broadcasting power station (which was the only wireless plant in existence at that time). A heavy cloud had gathered over Pike’s Peak range, and suddenly lightning struck at a point just ten miles away. I timed the flash instantly and, upon making a quick computation, told my assistants that the tidal wave would arrive in 48½ seconds. With exactly the lapse of this time interval, a terrific blow struck the building, which might have been thrown off the foundations had it not been strongly braced. All the windows on the exposed side and a door were demolished, and much damage was done in the interior, Taking into account the energy of the electric discharge and its duration, as well as that of an explosion, I estimated that the concussion was about equivalent to that which might have been produced by the ignition of twelve tons of dynamite. Though the mechanical effects of lightning bolts diminish with the square of the distance, they are still plainly observable within the range of six hundred miles.
It should be borne in mind that these actions are of very small duration, and that a steady gale of such velocity would produce appalling effects. It would quickly erode and grind up the hardest materials, fuse metals by friction and impact and burn up anything that is combustible. Objects, no matter how large and heavy, would be carried off like feathers, and even a mountain range could not resist for any considerable period of time; since the pressure on an area normal (perpendicular) to the direction of the air blast would be close to three thousand pounds per square foot. Certainly, the inhabitants of this globe have reasons to congratulate themselves that such storms are impossible. Tornadoes, such as actually occur, are bad enough
The fact is that relatively very small velocities of the wind are quite capable of producing the actions noted even though they may appear astonishing and puzzling at first thought. To illustrate, consider the mechanical effect of a stalk of dry grass or straw hurled normally against a wooden plank with a speed of only 150 feet per second. (See Note B) The force of 2929.5 pounds per square inch is much more than the plank can withstand; the compressive strength of oak perpendicular to the grain being less than half of that. Evidently, then, an effect of this kind can be surely expected even with much smaller speed, especially if the stalk is pointed.
In this connection it is of interest to mention a classical experiment, which used to be shown to students in some European institutions of learning. It consisted in firing from a gun a tallow or stearin candle at a board 0.4-inch thick. To the amazement of the onlookers, the soft missile not only went through the wood but did not appear much worse for the experience, The secret of success was in the quickness of the transit, not giving enough time for the mass of the candle to yield. The obvious inference from such action is that an exposure to a windstorm is always fraught with danger to life; for bits of flying material, not excluding pieces of straw, may penetrate deeply into the flesh. If my memory serves me right, I have read of serious accidents of this sort.
But the highest air velocities observed in storms are not, in themselves, adequate to explain certain stupendous performances of the wind, such as lifting loaded cars and locomotives and hurling them to great distance. When I first read such reports, many years ago, they afforded me amusement as I took them for original American canards, often sprung on unsophisticated foreigners. When I found, to my unspeakable astonishment, that they were substantially true I endeavored again and again to prove them by theories and calculations; but it was only lately that I solved this long-standing riddle.
Whirling movements of the atmosphere have been known and dreaded since time immemorial, but, beyond accounts of their destructive actions, mostly uncertain, little positive information can be found about them. In 1862 was published by H. W. Dove an important work, entitled “The Law of Storms”; dealing chiefly with cyclones, which frequently extend over a large portion of the globe and travel thousands of miles before their energy is spent. These are easily studied and the chief facts concerning them are now well known. Not so the incomparably more dangerous local storms, the real tornadoes, which are sudden, erratic, ephemeral (short-lived) and extremely violent manifestations difficult to investigate.
Of late years the U. S. Weather Bureau and the Smithsonian Institution have been supplying data which are reliable and of value in connection with the subject; nevertheless, our knowledge of tornadoes Is still fragmentary. Ignoring newspaper reports, which are not quite reliable, and confining myself to facts unmistakably established. I have come to certain conclusions regarding these phenomena, which might be important, and can be summarized as follows:
(1) The maximum velocity of the air forming the funnel probably never exceeds, say, 235 feet per second or about 100 miles an hour; which I think ample to explain all the actions observed. In his “Manual of Meteorology,” an exhaustive treatise lately published, Sir William Napier Shaw makes the statement that speeds of 300 miles per hour or 440 feet per second, and even more may be attained, which is most unlikely to be the case. It must be borne in mind that an air blast of 150 feet per second readily carries off bricks and other such heavy objects.
(2) Contrary to popular notion, attributing to the tornado’s immense energy, it has much of the peculiarity of an explosive. Its power is great because of concentration and swiftness of action but the energy is surprisingly small. Just to give a rough approximation, consider a whirl of an outside diameter of 1200 feet at the top, about the same height, and a diameter of 300 feet at the base (See Note C). The same energy would be developed by the consumption of 1.24 tons of gasolene or 5.74 tons of dynamite. It should be stated, however, that this estimate is by far too high; for the whole funnel is not filled with air of uniform density and not all of it spun at maximum speed.
(3) The tornado whirl is a huge pump, drawing air through the opening at the top and discharging it from the periphery (rim) at the same rate, simultaneously producing rarefaction in the interior. In this respect its action may be likened to that of a multi-staged vacuum pump; for, as the air rushes from the top to the base, more and more of it is drawn to the periphery, increasing progressively the vacuum which may thus attain a high value near the ground. That accounts for the gradual contraction of the whirl. What degree of rarefaction is actually reached in this monstrous contrivance of nature may be roughly estimated when considering that, for any horizontal section of the funnel, the centrifugal force of the air is balanced by the oppositely-directed differential pressure existing between the outside and interior of the whirl. Other things being alike, the centrifugal force is inversely as the radius of gyration (average distance of the mass from the center); therefore the contraction of the funnel is, at least, a coarse measure of the rarefaction.
To be explicit, if the diameter close to the ground is one quarter of that near the top, then it may be safely inferred that the vacuum at the base must be about four times higher than in the top region, which there is no appreciable contraction.
As the measured pressure difference in pumps is somewhat greater than that given by the formula (Note D) it is tolerably certain that in the case considered a vacuum of not less than four inches would be attained.
(4) Most of the mechanical effects of a tornado are, as a rule, greatly intensified through water, dust, same and other objects carried by the blast. Even though these materials may be present in a very small percentage by volume, they are hundreds or thousands of times heavier than the air, and may add enormously to the momentum and impact.
(5) The translatory (from place to place) motion of the funnel is rather across, and not in the direction of the wind, as commonly believed. This is due to its rapid rotation, causing the so-called Bernouilli or Magnus effect, only much more intense. The force pushing it across the wind may be many times greater than that urging it along the same. The whirl is propelled from the side of greater static pressure, where the rotation is against the wind and toward which it leans, in the direction of the opposite side where the reverse condition exists. It is well to remember this in such a storm. If the observer sees a leaning funnel, he is in no immediate danger, but if the funnel appears straight he should run for shelter at once.
It will now be easy to show how a large and very heavy body, such as a loaded railroad car or locomotive, can be lifted by the tornado and transported to considerable distance. American locomotives, which are the biggest in the world, may have a length of 66 and a width of 11½ feet, presenting thus 760 square feet in horizontal projection. At the moment the whirl strikes the vehicle, the wheels, connections and other obstacles under the main body arrest the motion of the air, causing a static pressure of 138 pounds per square foot in excess of that of the atmosphere. But as determined above, owing to the vacuum, a pressure difference of four inches of mercury (that is, two pounds per square inch or 288 pounds per square foot) is maintained, making the whole difference of pressure between the spaces under and above the locomotive 288+138=426 pounds per square foot. The total upward push exerted on the exposed area of 760 square feet is thus 323,760 pounds, which is much more than the weight of such a locomotive (estimated at 280,000 pounds when fully equipped for service).
Ordinarily, the weight should be much smaller; and one can readily see that the vehicle may be instantly raised in a spiral, accelerated and hurled away tangentially to great distance. The average person may be surprised that an insignificant vacuum is sufficient for so stupendous a display of force; but the figures afford an unmistakable proof. I may add that I have assumed minimum values which will be, in all probability, greatly exceeded.
The constant fear of danger from tornadoes and the great losses of life and property which they cause in certain parts make it very desirable to find some means of effectively combating, if not preventing them. Whenever man attempts to interfere with the order of things determined by immutable laws, he finds that his efforts are utterly insignificant when compared with the vast movements of energy in Nature.
One on the greatest possible achievements of the human race would be the control of the precipitation of rain. The sun raises the waters of the ocean and winds carry them to distant regions, where they remain in a state of delicate suspension until a relatively feeble impulse causes them to fall to earth. The terrestrial mechanism operates much like an apparatus releasing great energy through a trigger or priming cap.
If man could perform this relatively trifling work, he could direct the life-giving stream of water wherever he pleased, create lakes and rivers and transform the arid regions of the globe. Many means have been proposed to this end, but only one is operative. It is lightning, but of a certain kind.
More than 35 years ago, I undertook the production of these phenomena and, in 1899, I actually succeeded, using a generator of 2,000 horsepower, in obtaining discharges of 18,000,000 volts carrying currents of 1,200 amperes, which were of such power as to be audible at a distance of 13 miles. I also learned how to produce just such lightnings as occur in Nature, and mastered all the technical difficulties in this connection. But I found that even the small manifestations are of comparatively small energy. It is entirely within our power to destroy them, or at least render them harmless; and all the more easily, since meteorology is becoming a positive science and weather forecasting reliable.
A service with standard bombing planes or swifter types might be organized for this purpose by the Government, for necessity is real. The tornado, owing to its small energy, extreme mobility and delicate balance between the external and internal pressure, is a very vulnerable object and can be undoubtedly destroyed by comparatively small charges of suitable explosive. The whirling mass can also be easily deflected in any desired direction by exploding a charge even at a considerable distance from it. The task would be further facilitated by the relatively small translatory velocity of the tornado, especially in view of the present means for instant signalling.
I believe, however, that telautomatic devices offer effective means for combating tornadoes. Since I exhibited the first apparatus of this kind, John Hays Hammond, Jr., who has acquired a great mastery of the art, made demonstrations on a large scale, showing the practicability of distant control of complex machinery. It would not be difficult to provide special automata for this purpose, carrying explosive charges, liquid air or other gas, which could be put into action, automatically or otherwise, and which would create a sudden pressure or suction, breaking up the whirl. The missiles themselves might by made of material capable of spontaneous ignition. Many experts are now available for such service and manufacturers can be found competent to carry out any plans.
A Government department might be organized, headed by such a man as John Hays Hammond, Jr., and a systematic study of the problem made. The carrying out of the scheme would give new opportunities for manufacture and employment, besides securing other advantages. There is no doubt that, if such an undertaking were inaugurated and many minds set to work, effective methods and means would be eventually developed and great loss of life and damage to property prevented.
NOTE A: Taking the heating value of the compound as 4100 B.T.U., a constant pressure of twelve thousand atmospheres should be attained; the theoretical temperature of the combustion products being about 8000° F. The highest possible speed would be reached if the gases were to escape into the atmosphere through a perfect divergent nozzle. In this case, the initial absolute temperature would be T1 = 8460° F.; hence the absolute temperature of fully expanded gases T2 = 0.285 / (8460/12000) = 583° F. Accordingly, assuming the specific heat at constant volume Cv = 0.33, the available energy is W = 7877 x 0.33 = 2600 B.T.U., and the maximum theoretical velocity V = √ 64.4 x 778 x 2600 = 11400 feet per second.
NOTE B: Let the stalk be one foot long, one-eighth of an inch in diameter and of a specific gravity of 0.4 as compared with that of water. The section is them about 1/80 of a square inch or 1 / 144 x 80 = 1 / 11520 of a square foot and, consequently, the volume 1 / 11520 of one cubic foot. Since one cubic foot of water weighs 62.45 pounds, the weight of an equal volume of straw will be 0.4 x 62.45 = 25 pounds, hence the weight of the piece of straw 25 / 11520 pounds and its mass M = 25 / (32 x 11520). Then the kinetic energy is 1/2 M V2 = (22500 x 25) / (64 x 11520) foot pounds and will be exhausted in overcoming a resisting force r which the stalk encounters while piercing the wood. If the distance of penetrating is 1/2 inch or 1/24 of a foot, then the equation will hold true (22500 x 25) / (64 x 11520) = r x 1 / 24 from which follows r = (24 x 22500 x 25) / (64 x 11520) = 18.31 pounds. This is the mean value of the force or pressure produced, its maximum being 2 x 18.31 = 36.62 pounds. Ad this pressure is exerted on an area of 1/80 of a square inch will be F = 36.62 x 80 = 2929.5 pounds.
NOTE C: The volume is 0.2618 H (D2 + d2 + d D) = 0.2618 x 1200 (12002 + 8002 + 1200 x 300) = 0.2618 x 1200 (12002 + 1200 x 300) = 593760000 cubic feet, the weight about 593760000 cubic feet, the weight about 593760000 x 8 / 100 = 47500000 and the mass M = 47500000 / 32 = 1484400. If all of it would rotate at the top speed V = 235 feet per second, the kinetic energy would be 1/2 M V2 = 742200 x 55225 = 40988000000 foot pounds, equivalent to 40988000000 / 778 = 52700000 B.T.U.
NOTE D: When a mass of air is rotated in a casing with inlet and outlet openings, by a system of discs or other means, the peripheral velocity being V feet per second, a pressure difference of approximately V2 w = V2 x 0.08 / 64 = V2 / 800 pounds per square foot is produced between the suction and discharge orifices. If V = 235 feet per second, then V2 / 800 = 55225 / 800 = 69 pounds per square foot, or 69 / 144 = 0.48 pounds per square inch; corresponding to a vacuum of a little less than one inch.
A.
W związku z tym, interesującym jest wspomnieć klasyczny eksperyment, który zwyklo sie pokazywac studentom niektórych europejskich instytucji kształcenia. Polegał on na wystrzelaniu z pistoletu łojowej lub stearynowej świecy w płyte 0,4 cala grubości. Ku zaskoczeniu widzów, miękki pocisk nie tylko przeszedł przez drewno, ale nie wydawał się znacznie gorszy po doświadczeniu. Tajemnicą sukcesu była szybkośc przelotu, nie dająca wystarczająco dużo czasu, aby masa świecy sie poddała. Oczywistym wnioskiem tego działania jest to, że ekspozycja na huraganowy wiatr, zawsze stwarza duże niebezpieczeństwo dla życia; kawałek latającego materiału, nie wyłączając kawalka słomy może głeboko wniknąć w ciało. Jeśli nie myli mnie pamięć, czytałem o poważnym wypadku tego rodzaju.
Ale najwyższe wartości prędkości powietrza obserwowane podczas burzy nie są same w sobie wystarczające, aby wyjaśnić pewne zdumiewające dokonania wiatru, takie jak podnoszenie załadowanych samochodów i lokomotyw i rzucanie nimi na duże odległości. Kiedy pierwszy raz przeczytałem taką relację, wiele lat temu, to zapewniło mi rozrywkę, ponieważ wziąłem to za orginalną amerykańska kaczkę dziennikarską. Kiedy odkryłem ku mojemu nieopisanemu zdziwieniu, że są zasadniczo prawdziwe starałem sie znowu i znowu udowodnić je teorią i obliczeniami, ale dopiero ostanio rozwiązałem tę od dawna istniejącą zagadkę.
Wirujące ruchy atmosfery były znane i budziły postrach od niepamiętnych czasów, ale poza relacjami ich destrukcyjnych działań, można znaleźć niewiele pozytywnych, głownie niepewnych informacji na ich temat. W 1862 r. H. W. Dove opublikował ważną pracę zatytułowaną "Prawo burz"; traktującą głównie o cyklonach, które często rozciagaja się na dużej powierzchni globu i podróżują tysiące kilometrów zanim ich energia zostanie zużyta. Są one łatwe do badania i główne fakty dotyczące ich są dobrze znane. Nie jak nieporównywalnie bardziej niebezpieczne lokalne burze, prawdziwe tornada, które są nagłymi, nieobliczalnymi, efemerycznymi (krótkotrwałymi) i bardzo gwałtownymi manifestacjami trudnymi do zbadania.
W ostatnich latach U. S. Weather Bureau i Smithsonian Institution dostarczyły danych, które są wiarygodne i wartościowe w związku z tematem; jednak nasza wiedza o tornadach jest nadal fragmentaryczna. Ignorując doniesienia prasowe, któe nie są dość wiarygodne i ograniczając się do faktów jednoznacznie dowiedzionych. Doszedłem do pewnych wniosków dotyczących tych zjawisk, które mogą być ważne i można je podsumować w następujący sposób:
(1) Maksymalna prędkość powietrza formującego lej prawdopodobnie nigdy nie przekracza powiedzmy 235 stóp na sekundę lub około 100 mil na godzinę; co myslę że jest wystarczające by wyjasnic wszystkie obserwowane działania. W swoim "Podręczniku meteorologii" ostatnio wydrukowanym obszernym traktacie, Sir William Napier Shaw stawia stwierdza, że może być osiągana prędkość 300 mil na godzinę lub 440 stóp na sekundę, a nawet większa, co jest bardzo mało prawdopodobne. Należy pamiętać, że podmuch powietrza o wartości 150 stóp na sekundę łatwo przenosi cegły i inne tego typu ciężkie przedmioty.
(2) Sprzecznie do popularnego pojęcia, przypisuje się ogromnej energii tornada, że ma dużą specyfikę wybuchu. Jego moc jest wielka ze względu na koncentracje i siłę działania, ale energia jest zaskakująco mała. Wystarczy dać wstepne przybliżenie, rozważmy wir o średnicy zewnętrznej 1200 stóp na górze, takiej samej wysokości i 300 stopach średnicy u podstawy (C). Taka sama ilośc energii mogłaby powstać przez zużycie 1,24 ton benzyny lub 5,74 ton dynamitu. Należy jednak stwierdzić, że ta ocena jest zdecydowanie zbyt wysoka; przez całą długość lej nie jest wypełniony powietrzem o równomiernej gęstości i nie w całości wiruje przy maksymalnej prędkości.
(3) Wir tornada jest ofromna pompą, wciągającą powietrze przez otwór na górze i rozładowujacym je na obwodzie w tym samym tempie, równoczesnie wytwarzając rozrzedzenie we wnętrzu. W związku z tym jego działanie można porównać do wielostopniowej pompy próżniowej; powietrze pędzi od góry do podstawy, coraz bardziej i bardziej zarysowując sie na obwodzie, stopniowo zwiększając próżnię, która może osiągnąć duzą wartość w poblizu podłoża. To wyjasnia stopniowe kurczenie sie wira. Jaki stopień rozrzedzenia jest rzeczywiście uzyskiwany w tym monstrualnym podstępie natury może być z grubsza oszacowane, kiedy weźmie się pod uwagę, że dla każdej poziomej sekcji leja siła odśrodkowa powietrza jest równoważona przez przeciwnie skierowaną różnicę ciśnień istniejących pomiędzy zewnetrzną, a wewnetrzną częścią wiru. Inne rzeczy są podobne, siła odśrodkowa jest odwrotna do promienia obrotu ( średnia odległośc masy od środka); dlatego też kurczenie się leja jest z grubsza miarą rozrzedzenia.
Dla jasności, jesli średnica blisko ziemi jest jedną czwartą tego co u góry, to można bezpiecznie przyjąć, że próżnia przy podstawie musi wynosić około cztery razy więcej niż na górze, gdzie nie istnieje znaczące skupienie.
Ponieważ różnica ciśnień w pompach, która została zmierzona jest nieco większa niż ta która wychodzi ze wzoru (D), jest w miarę pewne, że w rozważanym przypadku została by osiagnięta próżnia nie mniejsza niż cztery cale.
(4) Większość mechanicznych działań tornada jest zintensyfikowana przez wodę, kurz i inne obiekty porywane przez poryw wiatru. Chociaż te materiały moga być obecne w bardzo małym procencie objętościowym, są setki lub tysiące razy cięższe niż powietrze i mogą niezwykle dodawac do pędu i uderzenia.
(5) Postępowy ( z miejsca na miejsce) ruch leja, jest raczej odwrotny, a nie w kierunku wiatru, jak powszechnie sądzono. Wynika to z szybkich obrotów, powodujących tzw. efekt Bernoulliego lub Magnusa, jedynie bardziej intensywny. Siła dociskająca go przez wiatr może być wiele razy większa niż ta pobudzająca go wzdłuż niego ( urging it along the same?). Wir jest napędzany od strony większego ciśnienia statycznego, gdzie rotacja jest skierowana przeciwko wiatrowi i w stronę, która jest nachylona w kierunku przeciwległej strony, w której wystepują odwrotne warunki. Dobrze jest pamiętac o tym w takiej burzy. Jesli obserwator widzi pochylony lej nie jest w bezpośrednim niebezpieczeństwie, ale jesli pojawi się lej idący prosto powinien szybko biec do schronienia.
Łatwo będzie teraz pokazać jak tak duże i bardzo ciężkie ciało, takie jak załadowany wagon kolejowy lub lokomotywa mogą byc podnoszone przez tornado i tarnsportowane na duże odległości. Amerykańskie lokomotywy, które sa najwększymi na świecie mogą miec dlugość 66 i szerokość 11,5 stóp, prezentując w ten sposób 760 stóp kwadratowych w rzucie poziomym. W tym momencie wir uderza w pojazd, koła, połączenia i inne przeszkody na głownym korpusie zatrzymują (hamują) ruch powietrza, co wywołuje cisnienie statyczne 138 funtów na stope kwadratową, przekraczając te w atmosferze. Jednak, jak określono powyżej, dzięki próżni, jest utrzymywana różnica czterech cali słupa rtęci (czyli, dwa funty na cal kwadratowy lub 288 funtów na stopę kwadratową, wywołując całą różnicę ciśnień pomiędzy przestrzenią nad i pod kolomotywą 288+128=426 funtów na stope kwadratową. Łączny nacisk skierowany w górę wywierany na odsłoniętą powierzchnię 760 stóp kwadratowych wynosi 323,760 funtów co wynosi o wiele więcej niż waga takiej lokomotywy ( szacowanej na 280,000 funtów, gdy jest całkowiecie wyposazona w obsługę).
Zwykle, waga powinna być znacznie mniejsza i można zobaczyć, że pojazd zostanie natychmiast podniesiony w spirali, przyspieszony i rzucony marginalnie na dużą odległość. Przeciętny człowiek może być zaskoczony, że mało znacząca próżnia jest wystarczająca do pokazania zdumiewającej siły; ale liczby dostarczają niewątpliwe dowody. Mogę dodać, że przyjąłem minimalne wartości, które według wszelkiego prawdopodobieństwa będą znacznie przekroczone.
Stała obawa niebezpieczeństwa przed tornadami i wielką stratą życia i własności, które one wywołują, powodują w głównej mierze, że bardzo pożądane jest, aby znaleźć sposoby skutecznego zwalczania, jesli nie zapobiegania im. Ilekroć człowiek, próbuje zakłócac porządek rzeczy określony przez niezmienne prawo, odkywa, że jego wysiłki są zupełnie nieistotne w porównaniu z rozległymi ruchami energii w przyrodzie.
Jednym z najwększych możliwych osiągnięć ludzkości będzie kontrola opadów deszczu. Słońce podnosi wody oceaniczne, a wiatr przenosi w odległe rejony, gdzie pozostają w stanie zawieszenia, aż stosunkowo slaby impuls spowoduje, że spadną na ziemię. Ziemski mechanizm działa podobnie jak urządzenie uwalniające wielką energię pod wpływem spustu lub ...( priming cap? ).
Jesli człowiek może wykonać tę stosunkowo błahą sprawę, mógły pokierować życiodajnym strumieniem wody, gdzie mu się podoba, tworząc jeziora i rzeki i przekształcać suche regiony globu. Wiele sposobów zaproponowano w tym celu, ale tylko jeden jest właściwy. Jest nim piorun, ale pewnego rodzaju.
Więcej niż 35 lat temu, podjąłem sie produkcji tych zjawisk i w 1899 odniosłem sukces, urzywając generatora o mocy 2000 koni mechanicznych, do uzyskania wyładowania 18000000 voltów, niosącego prąd 1200 amperów, który miał taka siłę, że był słyszalny w odległości 13 mil. Nauczyłem się równiez jak tworzyc właśnie takie błyskawice jakie wystepują w naturze i opanowałem wszystkie trudności techniczne w tym zakresie. Ale okazało się, że nawet małe manifestacje posiadają stosunkowo niską energię. Całkowicie w naszej mocy jest niszczenie ich, albo przynajmniej czynienie ich nieszkodliwymi; i wszystko coraz łatwiej, ponieważ meteorologia staje się pozytywna nauką, a prognozy pogody wiarygodne.
Obsługa ze standardowymi samolotami bombowymi lub szybszego typu organizowana w tym celu przez rząd z konieczności jest realna. Tornado, ze względu na jego małą energię, ekstremalną mobilność i delikatną równowagę pomiędzy wewnętrznym, a zewnętrznym cisnieniem jest bardzo wrażliwym obiektem i może być bez wątpienia niszczone przez stosunkowo małe ładunki odpowiednio wybuchowe. Wirująca masa, może byc również łatwo odchylona w dowolnym kierunku przez wybuch ładunku nawet w znacznej odległości od niej. Zadanie to jest ponadto ułatwione przez stosunkowo małą prędkość postepową tornada, szczególnie ze względu na obecne środki natychmiastowej sygnalizacji.
Uważam jednak, że urzadzenie teleautomat oferuje skuteczny środek do zwalczania tornad. Od kiedy wystawiłem pierwsze urządzenie tego typu John Hays Hammond Jr., który posiadł wielką sztuke kontroli, wykonał demonstracji na dużą skalę pokazując praktycznośc kontroli złożonych maszyn na odległość. Nie byłoby trudnym zapewnienie specjalnych automatów do tego celu, niosących ładunki wybuchowe, ciekłego powietrza lub inny gaz, który mógłby być wykorzystany w parktyce, automatycznie lub w inny sposób i mogący spowodować nagłe ciśnienie lub ssanie, rozbijające wir. Pociski same mogą byc wykonane z materiału zdolnego do samozapłonu. Wielu ekspertów udostępnia teraz taką usługę i mogą byc znalezieni kompetentni przemysłowcy do przeprowadzenia wszelkich planów.
Mógłby być powołany rządowy wydział, kierowany przez takiego człowieka jak John Hays Hammond Jr. i możnaby wykonać systematyczne badanie problemu. Przeprowadzenie programu mogłoby dać nowe mozliwości produkcji i zatrudnienia, poza gwarantowaniem innych zalet. Nie ma wątpliwości, ze jeśli takie przedsięwzięcie zostałoby zainaugurowane i wiele umysłów postawionych do pracy to skuteczne metody i środki zostaną ostatecznie opracowane i zapobiegnie się wielkim stratom życia i szkodom materialnym.
Everyday Science & Mechanics
Breaking Up Tornadoes
by Nikola Tesla
Every year whirling tornadoes cause great damage in the United States; and this disaster, like earthquakes, has hitherto been accepted as unavoidable. But the great scientist and inventor, Nikola Tesla. who has given the matter special study, both experimentally and theoretically, here proposes a practicable plan for the organization of a national government service to combat and break up tornadoes, when forming; just as a fire department responds to an alarm and overwhelms the blaze while it is still small. It is to be hoped that this proposal will be met by official investigation and adequate action at Washington. — EDITOR.
Many reports of tidal air waves, cyclones, and especially of tornadoes describe actions which are unbelievable; and to account for them some observers have assumed velocities of the order of those attained in explosives.
Just to get an idea, suppose that one pound of dynamite occupying the whole volume of its container is ignited. The maximum theoretical velocity (See Note A at end of article for calculation) attained in a perfect nozzle is 11,400 feet per second, which is obviously far above that actually attained at the mouth. In such an explosion, however, the gases are projected through a hemispherical opening of great area with correspondingly smaller speed, which is further reduced in accelerating the free air. Thus, at a small distance from the center of the disturbance, the tidal wave advances with the speed of sound; that is, 1089 feet per second.
I have had many opportunities for checking this value by observation of explosions and lightning discharges, An ideal case of this kind presented itself at Colorado Springs in July, 1899, while I was carrying on tests with my broadcasting power station (which was the only wireless plant in existence at that time). A heavy cloud had gathered over Pike’s Peak range, and suddenly lightning struck at a point just ten miles away. I timed the flash instantly and, upon making a quick computation, told my assistants that the tidal wave would arrive in 48½ seconds. With exactly the lapse of this time interval, a terrific blow struck the building, which might have been thrown off the foundations had it not been strongly braced. All the windows on the exposed side and a door were demolished, and much damage was done in the interior, Taking into account the energy of the electric discharge and its duration, as well as that of an explosion, I estimated that the concussion was about equivalent to that which might have been produced by the ignition of twelve tons of dynamite. Though the mechanical effects of lightning bolts diminish with the square of the distance, they are still plainly observable within the range of six hundred miles.
It should be borne in mind that these actions are of very small duration, and that a steady gale of such velocity would produce appalling effects. It would quickly erode and grind up the hardest materials, fuse metals by friction and impact and burn up anything that is combustible. Objects, no matter how large and heavy, would be carried off like feathers, and even a mountain range could not resist for any considerable period of time; since the pressure on an area normal (perpendicular) to the direction of the air blast would be close to three thousand pounds per square foot. Certainly, the inhabitants of this globe have reasons to congratulate themselves that such storms are impossible. Tornadoes, such as actually occur, are bad enough
The fact is that relatively very small velocities of the wind are quite capable of producing the actions noted even though they may appear astonishing and puzzling at first thought. To illustrate, consider the mechanical effect of a stalk of dry grass or straw hurled normally against a wooden plank with a speed of only 150 feet per second. (See Note B) The force of 2929.5 pounds per square inch is much more than the plank can withstand; the compressive strength of oak perpendicular to the grain being less than half of that. Evidently, then, an effect of this kind can be surely expected even with much smaller speed, especially if the stalk is pointed.
In this connection it is of interest to mention a classical experiment, which used to be shown to students in some European institutions of learning. It consisted in firing from a gun a tallow or stearin candle at a board 0.4-inch thick. To the amazement of the onlookers, the soft missile not only went through the wood but did not appear much worse for the experience, The secret of success was in the quickness of the transit, not giving enough time for the mass of the candle to yield. The obvious inference from such action is that an exposure to a windstorm is always fraught with danger to life; for bits of flying material, not excluding pieces of straw, may penetrate deeply into the flesh. If my memory serves me right, I have read of serious accidents of this sort.
But the highest air velocities observed in storms are not, in themselves, adequate to explain certain stupendous performances of the wind, such as lifting loaded cars and locomotives and hurling them to great distance. When I first read such reports, many years ago, they afforded me amusement as I took them for original American canards, often sprung on unsophisticated foreigners. When I found, to my unspeakable astonishment, that they were substantially true I endeavored again and again to prove them by theories and calculations; but it was only lately that I solved this long-standing riddle.
Whirling movements of the atmosphere have been known and dreaded since time immemorial, but, beyond accounts of their destructive actions, mostly uncertain, little positive information can be found about them. In 1862 was published by H. W. Dove an important work, entitled “The Law of Storms”; dealing chiefly with cyclones, which frequently extend over a large portion of the globe and travel thousands of miles before their energy is spent. These are easily studied and the chief facts concerning them are now well known. Not so the incomparably more dangerous local storms, the real tornadoes, which are sudden, erratic, ephemeral (short-lived) and extremely violent manifestations difficult to investigate.
Of late years the U. S. Weather Bureau and the Smithsonian Institution have been supplying data which are reliable and of value in connection with the subject; nevertheless, our knowledge of tornadoes Is still fragmentary. Ignoring newspaper reports, which are not quite reliable, and confining myself to facts unmistakably established. I have come to certain conclusions regarding these phenomena, which might be important, and can be summarized as follows:
(1) The maximum velocity of the air forming the funnel probably never exceeds, say, 235 feet per second or about 100 miles an hour; which I think ample to explain all the actions observed. In his “Manual of Meteorology,” an exhaustive treatise lately published, Sir William Napier Shaw makes the statement that speeds of 300 miles per hour or 440 feet per second, and even more may be attained, which is most unlikely to be the case. It must be borne in mind that an air blast of 150 feet per second readily carries off bricks and other such heavy objects.
(2) Contrary to popular notion, attributing to the tornado’s immense energy, it has much of the peculiarity of an explosive. Its power is great because of concentration and swiftness of action but the energy is surprisingly small. Just to give a rough approximation, consider a whirl of an outside diameter of 1200 feet at the top, about the same height, and a diameter of 300 feet at the base (See Note C). The same energy would be developed by the consumption of 1.24 tons of gasolene or 5.74 tons of dynamite. It should be stated, however, that this estimate is by far too high; for the whole funnel is not filled with air of uniform density and not all of it spun at maximum speed.
(3) The tornado whirl is a huge pump, drawing air through the opening at the top and discharging it from the periphery (rim) at the same rate, simultaneously producing rarefaction in the interior. In this respect its action may be likened to that of a multi-staged vacuum pump; for, as the air rushes from the top to the base, more and more of it is drawn to the periphery, increasing progressively the vacuum which may thus attain a high value near the ground. That accounts for the gradual contraction of the whirl. What degree of rarefaction is actually reached in this monstrous contrivance of nature may be roughly estimated when considering that, for any horizontal section of the funnel, the centrifugal force of the air is balanced by the oppositely-directed differential pressure existing between the outside and interior of the whirl. Other things being alike, the centrifugal force is inversely as the radius of gyration (average distance of the mass from the center); therefore the contraction of the funnel is, at least, a coarse measure of the rarefaction.
To be explicit, if the diameter close to the ground is one quarter of that near the top, then it may be safely inferred that the vacuum at the base must be about four times higher than in the top region, which there is no appreciable contraction.
As the measured pressure difference in pumps is somewhat greater than that given by the formula (Note D) it is tolerably certain that in the case considered a vacuum of not less than four inches would be attained.
(4) Most of the mechanical effects of a tornado are, as a rule, greatly intensified through water, dust, same and other objects carried by the blast. Even though these materials may be present in a very small percentage by volume, they are hundreds or thousands of times heavier than the air, and may add enormously to the momentum and impact.
(5) The translatory (from place to place) motion of the funnel is rather across, and not in the direction of the wind, as commonly believed. This is due to its rapid rotation, causing the so-called Bernouilli or Magnus effect, only much more intense. The force pushing it across the wind may be many times greater than that urging it along the same. The whirl is propelled from the side of greater static pressure, where the rotation is against the wind and toward which it leans, in the direction of the opposite side where the reverse condition exists. It is well to remember this in such a storm. If the observer sees a leaning funnel, he is in no immediate danger, but if the funnel appears straight he should run for shelter at once.
It will now be easy to show how a large and very heavy body, such as a loaded railroad car or locomotive, can be lifted by the tornado and transported to considerable distance. American locomotives, which are the biggest in the world, may have a length of 66 and a width of 11½ feet, presenting thus 760 square feet in horizontal projection. At the moment the whirl strikes the vehicle, the wheels, connections and other obstacles under the main body arrest the motion of the air, causing a static pressure of 138 pounds per square foot in excess of that of the atmosphere. But as determined above, owing to the vacuum, a pressure difference of four inches of mercury (that is, two pounds per square inch or 288 pounds per square foot) is maintained, making the whole difference of pressure between the spaces under and above the locomotive 288+138=426 pounds per square foot. The total upward push exerted on the exposed area of 760 square feet is thus 323,760 pounds, which is much more than the weight of such a locomotive (estimated at 280,000 pounds when fully equipped for service).
Ordinarily, the weight should be much smaller; and one can readily see that the vehicle may be instantly raised in a spiral, accelerated and hurled away tangentially to great distance. The average person may be surprised that an insignificant vacuum is sufficient for so stupendous a display of force; but the figures afford an unmistakable proof. I may add that I have assumed minimum values which will be, in all probability, greatly exceeded.
The constant fear of danger from tornadoes and the great losses of life and property which they cause in certain parts make it very desirable to find some means of effectively combating, if not preventing them. Whenever man attempts to interfere with the order of things determined by immutable laws, he finds that his efforts are utterly insignificant when compared with the vast movements of energy in Nature.
One on the greatest possible achievements of the human race would be the control of the precipitation of rain. The sun raises the waters of the ocean and winds carry them to distant regions, where they remain in a state of delicate suspension until a relatively feeble impulse causes them to fall to earth. The terrestrial mechanism operates much like an apparatus releasing great energy through a trigger or priming cap.
If man could perform this relatively trifling work, he could direct the life-giving stream of water wherever he pleased, create lakes and rivers and transform the arid regions of the globe. Many means have been proposed to this end, but only one is operative. It is lightning, but of a certain kind.
More than 35 years ago, I undertook the production of these phenomena and, in 1899, I actually succeeded, using a generator of 2,000 horsepower, in obtaining discharges of 18,000,000 volts carrying currents of 1,200 amperes, which were of such power as to be audible at a distance of 13 miles. I also learned how to produce just such lightnings as occur in Nature, and mastered all the technical difficulties in this connection. But I found that even the small manifestations are of comparatively small energy. It is entirely within our power to destroy them, or at least render them harmless; and all the more easily, since meteorology is becoming a positive science and weather forecasting reliable.
A service with standard bombing planes or swifter types might be organized for this purpose by the Government, for necessity is real. The tornado, owing to its small energy, extreme mobility and delicate balance between the external and internal pressure, is a very vulnerable object and can be undoubtedly destroyed by comparatively small charges of suitable explosive. The whirling mass can also be easily deflected in any desired direction by exploding a charge even at a considerable distance from it. The task would be further facilitated by the relatively small translatory velocity of the tornado, especially in view of the present means for instant signalling.
I believe, however, that telautomatic devices offer effective means for combating tornadoes. Since I exhibited the first apparatus of this kind, John Hays Hammond, Jr., who has acquired a great mastery of the art, made demonstrations on a large scale, showing the practicability of distant control of complex machinery. It would not be difficult to provide special automata for this purpose, carrying explosive charges, liquid air or other gas, which could be put into action, automatically or otherwise, and which would create a sudden pressure or suction, breaking up the whirl. The missiles themselves might by made of material capable of spontaneous ignition. Many experts are now available for such service and manufacturers can be found competent to carry out any plans.
A Government department might be organized, headed by such a man as John Hays Hammond, Jr., and a systematic study of the problem made. The carrying out of the scheme would give new opportunities for manufacture and employment, besides securing other advantages. There is no doubt that, if such an undertaking were inaugurated and many minds set to work, effective methods and means would be eventually developed and great loss of life and damage to property prevented.
NOTE A: Taking the heating value of the compound as 4100 B.T.U., a constant pressure of twelve thousand atmospheres should be attained; the theoretical temperature of the combustion products being about 8000° F. The highest possible speed would be reached if the gases were to escape into the atmosphere through a perfect divergent nozzle. In this case, the initial absolute temperature would be T1 = 8460° F.; hence the absolute temperature of fully expanded gases T2 = 0.285 / (8460/12000) = 583° F. Accordingly, assuming the specific heat at constant volume Cv = 0.33, the available energy is W = 7877 x 0.33 = 2600 B.T.U., and the maximum theoretical velocity V = √ 64.4 x 778 x 2600 = 11400 feet per second.
NOTE B: Let the stalk be one foot long, one-eighth of an inch in diameter and of a specific gravity of 0.4 as compared with that of water. The section is them about 1/80 of a square inch or 1 / 144 x 80 = 1 / 11520 of a square foot and, consequently, the volume 1 / 11520 of one cubic foot. Since one cubic foot of water weighs 62.45 pounds, the weight of an equal volume of straw will be 0.4 x 62.45 = 25 pounds, hence the weight of the piece of straw 25 / 11520 pounds and its mass M = 25 / (32 x 11520). Then the kinetic energy is 1/2 M V2 = (22500 x 25) / (64 x 11520) foot pounds and will be exhausted in overcoming a resisting force r which the stalk encounters while piercing the wood. If the distance of penetrating is 1/2 inch or 1/24 of a foot, then the equation will hold true (22500 x 25) / (64 x 11520) = r x 1 / 24 from which follows r = (24 x 22500 x 25) / (64 x 11520) = 18.31 pounds. This is the mean value of the force or pressure produced, its maximum being 2 x 18.31 = 36.62 pounds. Ad this pressure is exerted on an area of 1/80 of a square inch will be F = 36.62 x 80 = 2929.5 pounds.
NOTE C: The volume is 0.2618 H (D2 + d2 + d D) = 0.2618 x 1200 (12002 + 8002 + 1200 x 300) = 0.2618 x 1200 (12002 + 1200 x 300) = 593760000 cubic feet, the weight about 593760000 cubic feet, the weight about 593760000 x 8 / 100 = 47500000 and the mass M = 47500000 / 32 = 1484400. If all of it would rotate at the top speed V = 235 feet per second, the kinetic energy would be 1/2 M V2 = 742200 x 55225 = 40988000000 foot pounds, equivalent to 40988000000 / 778 = 52700000 B.T.U.
NOTE D: When a mass of air is rotated in a casing with inlet and outlet openings, by a system of discs or other means, the peripheral velocity being V feet per second, a pressure difference of approximately V2 w = V2 x 0.08 / 64 = V2 / 800 pounds per square foot is produced between the suction and discharge orifices. If V = 235 feet per second, then V2 / 800 = 55225 / 800 = 69 pounds per square foot, or 69 / 144 = 0.48 pounds per square inch; corresponding to a vacuum of a little less than one inch.
A.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz