موضوع : انرژی آب
توضیح: این فایل به صورت ورد و آماده چاپ می باشد
چرخهاي آبي
مصرف آب به عنوان دومين منبع انرژي (بعد از آتش) براي بشر محسوب ميشود. از اينرو چرخهاي آبي در تاريخ توسعه و مصرف انرژي، نقش مهمي ايفا ميكنند. چرخهاي آبي دستگاههاي مكانيكي سادهاي هستند كه ما ميتوانيم براي درك برخي مفاهيم هم و كليدي از آنها ياري جوئيم.
انرژي جنبشي
براي درك و روشن شدن، مطلب را با مثال سادهاي آغاز ميكنيم. اگر در حال عبور از نهر ابي باشيم، اين حس در ما ايجاد ميشود كه آب در جهت خلاف پاهاي ما به شدت عبور ميكند. در نهرهايي كه جريان آب در آنها تند باشد بايد مراقب باشيم كه شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همينطور كشش و فشار امواج را هنگام گذر از كنار دريا حس ميكنيم. گاهي اوقات هنگام نزديك شدن امواج، ميتوانيم سريع پاهايمان را كنار بكشيم، يقيناً اگر در زير يك آبشار باشيم، فشار آب را روي بدنمان احساس ميكنيم. اگر اندكي اين چرخ را در نحري كه آب در آن جريان دارد، داخل كنيم. جريان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار ميآورد، درست همانند زماني كه ما داخل آب هستيم شويم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط يك پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ ميشود. اگر محور چرخ را به يك دستگاه وصل كنيم قادر به انجام كار مفيد، نظير آسيا كردن غلات ميباشيم. پايه و اساس چرخ
آبي، درك مفهوم فوق ميباشد.
حال، مشاهدهاي مرتبط در اين زمينه را در نظر مجسم سازيد: زماني كه داخل يك استخر يا حوض مخصوص شنا ايستادهايم و يا در حال گذشتن از آن هستيم، هيچ نگران اين قضيه نيستيم كه جريان آب موجب عدم تعادل و نهايتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبي هم صدق ميكند. قرار دادن چرخ آبي در استخر شنا، مانع حركت چرخ ميشود. به تفاوتي بين شرايط فعلي و شرايطي كه قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جريان آب، ثابت و يا اينكه خيلي كند ميباشد. تنها آب جريا (متحرك) باعث هل دادن و به حركت درآوردن ما و همينطور باعث چرخاندن، چرخ آبي ميشود. به حركت درآمدن ما و چرخ آبي، بيانگر انجام كار ميباشد. تنها آب جاري، توان انجام كار را دارد. مطلب فوق مبين اين مسئله است كه آب جاري (آبي كه داراي حركت باشد) داراي نوع انرژي ميباشد. همانطوري كه قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبي را به يك دستگاه مكانيكي وصل كنيم، دستگاه قادر به انجام كار نظير: آسيا كردن فلات يا اره كردن چوب ميباشد. تعميم عبارت فوق بيان اين مطلب است كه:
«انرژي جنبشي، باعث انجام كار ميشود.»
انرژي پتانسيل
حال روش مقرون به صرف نيز، استفاده از يك چرخ آبي را در نظر مجسم سازيد،با در نظر گرفتن مزيت آبشار و انرژي جنبشي آبي كه از آن سرازير ميشود، چرخهاي چرخدنده ميچرخد و كار انجام ميگيرد. حجمي از آب را درست در نقطه A در نظر بگيريد، آيا آن مقدار از اب قادر به انجام كار ميباشد؟ خير؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژي جنبشي ميباشد. البته بايد بر اين مسئله واقف باشيم كه آب در نقطه A انرژي جنبشي ندارد اما پتانسيل كسب انرژي جنبشي را دارد. براي درك مطلب فوق ميتوانيم بگوئيم كه آب در نقطه A داراي انرژي پتانسيل ميباشد. چه عاملي باعث سرازير شدن آب ميگردد؟ نيروي جاذبه زمين، آب را به مركز زمين ميكشد، بايد گفت كه آب در نقطه «A» انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد. انرژي پتانسيل جاذبه، نيتولي ميباشد كه باعث كشيده شدن اشياء به طرف مركز ثقل ميشود.
حال سه نكته ديگر را به آن اضافه مينمائيم. اولاً: انرژي پتانسيل بالقوه انرژي جنبشي ميباشد يا (انرژي پتانيل قابل تبديل به انرژي جنبشي ميباشد). ثانياً در نقطه B آب به پرههاي چرخ آبي ضربه ميزند و موجب انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً حركت چرخ كه همان انجام كار ميباشد ميشود. در واقع نقطه B مكاني فعال است. تصور كنيد كه براي حجم آب در نقطه C چه روي ميدهد؟ ممكن است اينطور در ذهن تداعي شود كه انرژي پتانسيل در نقطه C به آخر ميرسد. اما قضيه فوق كاملاً درست نيست زيرا عملاً به آبشاري ديگر كه در حال سرازير شدن در نهر است برخورد ميكند، پس آب در نقطه C، هنوز انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد، در واقع آب همشيه، قدري انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد مگر آنكه نقطه C مركز ثقل زمين باشد.
بيشترين و بالاترين ميزان انرژي پتانسيل در نقطة A ميباشد. آب هنگام سرازير شدن از آبشار قدري از انرژي پتانسيلش، به انرژي جنبشي تبديل ميشود و انرژي جنبشي آب در حال سرازير شدن از آبشار، قادر به انجام كارو چرخاندن چرخ آبي ميباشد.
تغيير خودبخود و نمودار انرژي
از مشاهدات و دانستههاي خود بر اين مسئله واقف هستيم كه اشياء همواره در حال سقوط مي‌باشند. اين مسئله شامل حال ما هم ميشود به عنوان مثال: هنگام سكندري خودرن و افتادن. هر شيئي متحرك، خودبخود از انرژي پتانسيل جاذبه بالا به سمت نيروي پتانسيل جاذبه پايين، سقوط ميكند همچنين ميدانيم كه اشياء، خودبخود به سمت بالا نميروند. (گاهي اوقات، ممكن است در سينما يا تلويزيون، هنگامي كه فيلم به عقب برميگردد، شاهد اين مسئله باشيم كه اشخاص يا اشياء به طرف بالا ميروند. اين مسئله جنبه فكاهي دارد و كاملاً برخلاف تجارب همول و قابل انتظار ميباشد. براي هر رويداد طبيعي يك مسير معقول و غيرمعقول وجود دارد. سيب از درخت ميافتد، اما دوباره به سمت شاخه برنميگردد. ذرات شكر در قهوه حل ميشوند آنها دوباره در فنجان شكل نميگيرند.
بنابراين، اشياء از پتانسيل جاذبه بالا به پتانسيل جاذبه پايين حركت ميكنند هنگام استفاده از چرخ آبي، اگر تغيير انرژي از پتانسيل بالا به پتانسيل پايين باشد ميتوانيم انرژي جنبشي را از آن استخراج نمائيم.
در واقع ميتوانيم سيستم را (آب، آبشار و چرخ آبي) در نموداري ساده تعريف نمائيم نمودار فوق، تا حدودي، مشابه نموداري ميباشد كه پيش از اين در نمودار (505) براي سيستمي ديگر (يك اتم كربن، 4 اتم هيدروژن و چهار اتم اكسيژن) معرفي نموديم و از آن ميتوانيم انرژي، استخراج نمائيم در مورد تغييرات شيميايي فوق، از سيستمي با انرژي پتانسيل شيميائي بالا كه همسان با سيستم انرژي پتانسيل جاذبه بالا ميباشد، صحبت ميشود. در واقع اين دو تودار به قدري شبيه به هم هستند كه ميتوانيم از آنها نمودار انرژي واحدي ترسيم نمائيم. كه هر دو سيستم در آن كاربرد دارد. نمودار فوق به منظور شرح و توصيف يك سري از سيستمهاي مشابه استفاده ميشود.
مفهوم كليدي نمودار فوق مطلب زير ميباشد:
«زماني كه سيستم به دستخوش يك سري تغييرات خودبخود از پتانسيل جاذبه بالا به پتانسيل جاذبه پايين ميشود ما ميتوانيم انرژي (يا كار) را از آن استخراج نمائيم.
انواع چرخ آبي
سادهترين و اساسيترين طراحي در چرخهاي آبي، چرخ آبي undershot (چرخ آبي كه آب از زير آن ميگذرد و موجب چرخيدن چرخ ميشود) ميباشد. ابتدائيترين طراحي، چرخ پرهدار سادهاي بود كه داخل نهر يا رودخانه قرار داشت. چرخ آبي فوق در مناطقي همچون دانمارك شمالي و چين قرار داشت و از آن براي آسيا كردن برنج استفاده ميشد. اين چرخ آبي در مخروبههاي پمپي (Pompei) كه شهري مدفون در زير گدازههاي آتشفشان بود، پيدا شد. همچنين، چرخ قوماً عملاً داراي يك سري مشكلات بود. كاري كه به وسيله اين چرخ آبي انجام ميگرفت، نشأت گرفته از انرژي جنبشي آب و شدت جريان آب بود. تغييرات فصلي، موثر در جريان آب رودخانه و نتيجتاً كار و نيروي انجام گرفته تسوط چرخ بود. نوسانات فصلي، در ميزان ذخيرة آب خيلي مؤثر بودند. در آب و هواي داغ و در زمان خشكسالي، سطح آب رودخانه، به قدري پايين بود كه آب كافي براي چرخاندن چرخ وجود نداشت. هنگام سيل، به قدري آب رودخانه بالا ميآمد كه تمام چرخ در آب فرو ميرفت. عليرغم تمام نقايص، چرخ فوق - undershot- براي مدتها، در سراسر دنيا قابل استفاده بود. سهولت، سادگي و همينطور كم هزينه بودن آن باعث استفاده طولاني و مستمر از اين چرخ شد. در چرخ آبي، خصوصاً چرخ آبي پرهداري كه آب براي چرخاندن آن، از زير چرخ ميگذرد، ميزان قابل ملاحظهاي از انرژي، هنگام ضربه زدن آب به پرههاي چرخ، به هدر ميرود. تا سال 1800، هيچ تغيير و تحولي در طراحي چرخ آبي بوجود نيامد. بازنگري و تغيير در طراحي چرخ، كاملاً ساده و اسان بود: شكل پرهها تغيير كرد. در طرخح پيشرفته كه چرخ آبي پاسلت Povcelet undershot wheel يا به طور سادهتر چرخ پانسلت ناميده ميشد، پرهها يا پدالهاي چرخ طوري طراحي شده بودند كه تلاطم آب، موجب اتلاف حداقل ميزان انرژي ميشد. انحناي پدالها، موجب سرعت چرخش چرخ و انتقال انرژي جنبشي به آن براي چرخش چرخ ميشد. آب با سرعت تقريباً صفر، باعث انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً چرخش چرخ ميشود. چرخ پانسلت -Poncelet- هفتاد الي هشتاد و پنج درصد در انتقال انرژي جنبشي آب به كار مؤثر بود. اما چرخ يا پرههاي مسطح بيست الي بيست و پنج درصد در اين انتقال مؤثر بود. در چرخ overshot، آب از بالاي چرخ به پايين سرازير ميشود. نمودار (808). در مواردي كه جريان آب رودخانه، كند باشد، چرخ overshot به undershot ارجحيت دارد. در واقع چرخ overshot در هرنري كه مجهز به سد باشد، قابل استفاده ميباشد. در چنين نهري، همواره ميزان ثابتي از آب را در طول سال خواهيم داشت. در فصول گرم و خشك سال، هميشه، ذخيره آب را در نهر داريم و در فصل سرما نيز آب مازاد از مجراي سد، ميگذرد. تاريخچه چرخ overshot به قرن سوم بعد از ميلاد بازميگردد و تصاويري از آن بر ديوارههاي گورستان دوم باستان حك شده است. چرخ overshot عمود بر يك محور افقي ميباشد. تيغههاي چرخ طوري طراحي شدهاند كه آن را به دو بخش مجزا تقسيم ميكنند. آب از بالا، داخل يان دو بخش (سطل) مجزا ميريزد. در چرخ فوق، تنها جزئي از كار در اثر برخورد آب با تيغهها، صورت ميگيرد و قسمت اعظم آن از شدت جريان آب سرازير شده از سطلها ميباشد كه موجب چرخش چرخ ميشود. ميزان كارآئي و بازدهي چرخ فوق شصت و پنج الي هشتاد درصد ميباشد. با نصب سد كه چرخ در مكاني پايينتر از آن كه به منظور سرازير شدن آب از بالا بر آن شود، قرار ميگيرد. اين مجرا به عنوان گذرگاه اصلي - مبدأ - head race- شناخته ميشود. مجراي ديگري نيز در اينجا لازم ميباشد كه موجب جاري شدن آب به سطح پايينتر (انرژي پتانسيل جاذبه زمين) ميشود. آبي كه از گذرگاه مبدأ اصلي به داخل سطل ميريزد، موجب چرخاندن چرخ در آن زمان ميشود.
فهرست مطالبچرخهاي آبي 1
انرژي جنبشي 1
انرژي پتانسيل 3
تغيير خودبخود و نمودار انرژي 4
انواع چرخ آبي 6
چرخهاي آبي در جهان باستان 9
ويتروويوس - VITUVIUS - و اختراع چرخ دنده 12
چرخهاي آبي در قرون وسطي 14
چرخهاي آبي در دنياي مدرن امروز 21
نيروي آب، شكلي از انرژي خورشيدي 25
نيروي آب و محيط 26
انرژي باد 28
آ‌سياهاي بادي در جهان اسلام 28