ساخت توربین بادی-جلسه ششم
آشنایی با مفاهیم کار، نیرو و توان در توربین های بادی
اهداف جلسه:
آشنایی با مفاهیم کار، نیرو و توان در توربین های بادی
9- باد کار انجام می دهد
9-1- کار برابر است با نیرو ضرب در مسافت
بیایید کار انجام شده به وسیله ی آسیای بادیتان را اندازه بگیریم
اندازه گیری میزان کاری که دستگاه مولد نیروی شما انجام می دهد امکان پذیر است. اما پیش از آن، بیایید ببینیم منظور فیزیک دانان از کار چیست. یک فیزیک دان می گوید: کار عبارت است از نیروی جا به جا شده در یک مسافت معین.
کار = نیرو × مسافت
و منظور فیزیک دان از نیرو چیست؟ نیرو می تواند به یک جسم، یا به طور دقیق تر، به یک جرم شتاب بدهد. به عبارت دیگر، نیرو می تواند حرکت جرم را سریع تر کند.
نیرو = جرم × شتاب
سرعت را با مایل در ساعت(mph) یا کیلومتر بر ساعت(km/h) نشان می دهند و در فیزیک استفاده از متر بر ثانیه(m/s) رایج است. افزایش در سرعت بر ثانیه، یا شتاب، به صورت m/s یا ۲m/s نوشته می شود.
نیرو چیست؟ جرم چیست؟
واحد اندازه گیری نیرو نیوتن است.
یک نیوتن(N) برابر است با نیروی لازم برای شتاب دادن به جرم یک کیلوگرم به میزان 1 متر بر مجذور ثانیه. جرم ویژگی جسم است که موجب سنگینی و لختی آن می شود و برای آن جسم در همه ی کرات آسمانی ثابت می ماند. وزن یک جسم به اثر نیروی جاذبه(گرانی) به جرم آن جسم بستگی دارد.
روی کره ی زمین، کشش گرانی زمین است که وزن اجسام را تعیین می کند. مقدار آن 81/9 نیوتن است. بنابراین، جسمی با جرم 1 کیلوگرم، نیروی وزنی برابر با kg 1 81/9 = 81/9 نیوتن دارد.
روی کره ی ماه، که گرانش آن شش برابر کم تر از کره ی زمین است، نیروی وزن همان جسم فقط 63/1 نیوتن خواهد بود.(به همین علت است که طول پرش شما در کره ی ماه شش برابر می شود!)
واحد اندازه گیری کار نیوتن متر یا ژول، و وات-ثانیه یا کیلووات-ساعت است. بنابراین، اگر نیرویی برابر با 1 نیوتن، جسمی به جرم 1 کیلوگرم را به میزان 1 متر جا به جا کند، معادل ۱ ژول کار انجام شده است.
9-2- کار چه فرقی با انرژی دارد؟
انرژی یعنی توانایی انجام دادن کار. پس انرژی همان کار ذخیره شده است.
9-3- انرژی صورت های مختلف دارد
آبی که در یک مخزن هوایی ذخیره شده است، انرژی الکتروشیمیایی درون یک باتری، یا انرژی گریز از مرکز در یک چرخ و فلک یا تسمه نقاله، همگی صورت هایی از انرژی اند. انرژی موجود در یک شی متحرک مانند باد را انرژی جنبشی می نامند که در لغت به معنی انرژی حرکت است. انرژی را نیز با واحد ژول اندازه می گیرند. در آزمایش های بعدی به سراغ اندازه گیری کار و توان می رویم.
آزمایش 3: همه در بطری نهفته است
9-4- بیایید کار را اندازه بگیریم
وسایل لازم: ترازوی آشپزخانه، خط کش یا متر نواری
آزمایش قبلی را دوباره انجام دهید و سپس با استفاده از یک ترازوی آشپزخانه، بطری و آب درون آن را به کیلوگرم وزن کنید. اگر مقیاس ترازوی شما پوند است، با فرمول زیر پوند را به کیلوگرم تبدیل کنید:
وزن به کیلوگرم = 454/0 × وزن به پوند
با استفاده از یک خط کش یا متر نواری، مسافتی را که بطری بالا رفته است، اندازه بگیرید. این مسافت را به متر حساب کنید. فرض کنیم آسیای بادی 3/0 کیلوگرم را به میزان 2/1 متر بالا برده است.
بدین ترتیب، کار انجام شده به صورت زیر محاسبه می شود:
ژول 53/3 = 2/1 81/9 × 3/0
بالابر بادی ما واقعا قدرتمند است، مگر نه؟ یک بالابر بادی بسیار کوچک تر قادر است همین مقدار کار را انجام دهد، هر چند که شما مجبور خواهید شد جعبه دنده ی کوچک تری نصب کنید. در این صورت فقط به زمان بیشتری نیاز خواهد بود. اما باز هم می توانید بگویید که آسیای بادی شما کارایی بیشتری دارد، زیرا بطری را سریع تر بالا می برد. در معادله ی توان یک ماشین، زمان هم به حساب می آید، که برای فیزیک دانان یا مهندسان ژول بر ثانیه است.
واحد اندازه گیری توان عبارت است از وات(W) = ژول بر ثانیه(J/s)، یا کیلووات(kW) = کیلوژول بر ثانیه(kJ/s).
توان = کار/زمان
9-5- آزمایش 4: بیایید توان را اندازه بگیریم
وسایل لازم: یک ساعت با عقربه ی ثانیه شمار یا یک زمان سنج
نخست بطری را روی یک صندلی قرار دهید و فاصله ی لبه ی بطری تا نقطه ی برخورد آن با محور را اندازه بگیرید. مقداری از ریسمان را برای چند اجرای آزمایشی بدون بار نگه دارید. مدت زمان بالا رفتن بطری را، از نقطه ی بلند شدن تا توقف به خاطر برخورد با محور اندازه بگیرید.
فرض کنیم آسیای بادی 5/1 کیلوگرم را به میزان 2/1 متر در مدت ۳ ثانیه بالا برده است. پس توان را این طور محاسبه می کنیم: 9/5 = 3 2/1 81/9 5/1. آسیای بادی شما، حتی با یک باد ملایم، در حدود 6 وات توان دارد.
9-6- توان باد چقدر است؟
توان دستگاه مولد نیروی شما به سرعت باد بستگی دارد. هر چه باد تند تر به روتور بوزد، توان بیش تری تولید می کند. هوا نیز جسم است. یک متر مکعب آن(یک مکعب با ابعاد یک متری) 22/1 کیلوگرم وزن دارد. با این حال، چون هوا یک جسم سیال است و جامد نیست، نیروی خود را به طور متغیر، نه یک جا، به شی ای که در مسیر آن قرار گرفته است، وارد می کند. وقتی که آن شی کنار می رود، بخشی از انرژی جنبشی باد به آن منتقل می شود. پره های روتور حکم همان شی را دارند. آن ها با چرخیدن از سر راه باد کنار می روند و در حین این عمل، انرژی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند.
تکلیف:
وزن یک متر مکعب هوا چقدر است(یک مکعب که درازای هر یک از ابعاد آن یک متر است)؟
محل بازدید:
از نیروگاه بادی صفه بازدید کنید.
منبع مطالعه:
کتاب انرژی باد. نویسنده: استفانی فیتس جرالد، مترجمان: ابوالفضل آقاسی، بهنام آزادی راد.
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت توربین بادی-جلسه اول
ساخت توربین بادی-جلسه دوم
ساخت توربین بادی-جلسه سوم
ساخت توربین بادی-جلسه چهارم
ساخت توربین بادی-جلسه پنجم
ساخت توربین بادی-جلسه ششم
ساخت توربین بادی-جلسه هفتم
ساخت توربین بادی-جلسه هشتم
ساخت توربین بادی-جلسه نهم
ساخت توربین بادی-جلسه دهم
ساخت توربین بادی-جلسه یازدهم
ساخت توربین بادی-جلسه دوازدهم
آشنایی با مفاهیم کار، نیرو و توان در توربین های بادی
9- باد کار انجام می دهد
9-1- کار برابر است با نیرو ضرب در مسافت
بیایید کار انجام شده به وسیله ی آسیای بادیتان را اندازه بگیریم
اندازه گیری میزان کاری که دستگاه مولد نیروی شما انجام می دهد امکان پذیر است. اما پیش از آن، بیایید ببینیم منظور فیزیک دانان از کار چیست. یک فیزیک دان می گوید: کار عبارت است از نیروی جا به جا شده در یک مسافت معین.
کار = نیرو × مسافت
و منظور فیزیک دان از نیرو چیست؟ نیرو می تواند به یک جسم، یا به طور دقیق تر، به یک جرم شتاب بدهد. به عبارت دیگر، نیرو می تواند حرکت جرم را سریع تر کند.
نیرو = جرم × شتاب
سرعت را با مایل در ساعت(mph) یا کیلومتر بر ساعت(km/h) نشان می دهند و در فیزیک استفاده از متر بر ثانیه(m/s) رایج است. افزایش در سرعت بر ثانیه، یا شتاب، به صورت m/s یا ۲m/s نوشته می شود.
نیرو چیست؟ جرم چیست؟
واحد اندازه گیری نیرو نیوتن است.
یک نیوتن(N) برابر است با نیروی لازم برای شتاب دادن به جرم یک کیلوگرم به میزان 1 متر بر مجذور ثانیه. جرم ویژگی جسم است که موجب سنگینی و لختی آن می شود و برای آن جسم در همه ی کرات آسمانی ثابت می ماند. وزن یک جسم به اثر نیروی جاذبه(گرانی) به جرم آن جسم بستگی دارد.
روی کره ی زمین، کشش گرانی زمین است که وزن اجسام را تعیین می کند. مقدار آن 81/9 نیوتن است. بنابراین، جسمی با جرم 1 کیلوگرم، نیروی وزنی برابر با kg 1 81/9 = 81/9 نیوتن دارد.
روی کره ی ماه، که گرانش آن شش برابر کم تر از کره ی زمین است، نیروی وزن همان جسم فقط 63/1 نیوتن خواهد بود.(به همین علت است که طول پرش شما در کره ی ماه شش برابر می شود!)
واحد اندازه گیری کار نیوتن متر یا ژول، و وات-ثانیه یا کیلووات-ساعت است. بنابراین، اگر نیرویی برابر با 1 نیوتن، جسمی به جرم 1 کیلوگرم را به میزان 1 متر جا به جا کند، معادل ۱ ژول کار انجام شده است.
انرژی یعنی توانایی انجام دادن کار. پس انرژی همان کار ذخیره شده است.
9-3- انرژی صورت های مختلف دارد
آبی که در یک مخزن هوایی ذخیره شده است، انرژی الکتروشیمیایی درون یک باتری، یا انرژی گریز از مرکز در یک چرخ و فلک یا تسمه نقاله، همگی صورت هایی از انرژی اند. انرژی موجود در یک شی متحرک مانند باد را انرژی جنبشی می نامند که در لغت به معنی انرژی حرکت است. انرژی را نیز با واحد ژول اندازه می گیرند. در آزمایش های بعدی به سراغ اندازه گیری کار و توان می رویم.
آزمایش 3: همه در بطری نهفته است
9-4- بیایید کار را اندازه بگیریم
وسایل لازم: ترازوی آشپزخانه، خط کش یا متر نواری
آزمایش قبلی را دوباره انجام دهید و سپس با استفاده از یک ترازوی آشپزخانه، بطری و آب درون آن را به کیلوگرم وزن کنید. اگر مقیاس ترازوی شما پوند است، با فرمول زیر پوند را به کیلوگرم تبدیل کنید:
وزن به کیلوگرم = 454/0 × وزن به پوند
با استفاده از یک خط کش یا متر نواری، مسافتی را که بطری بالا رفته است، اندازه بگیرید. این مسافت را به متر حساب کنید. فرض کنیم آسیای بادی 3/0 کیلوگرم را به میزان 2/1 متر بالا برده است.
بدین ترتیب، کار انجام شده به صورت زیر محاسبه می شود:
ژول 53/3 = 2/1 81/9 × 3/0
بالابر بادی ما واقعا قدرتمند است، مگر نه؟ یک بالابر بادی بسیار کوچک تر قادر است همین مقدار کار را انجام دهد، هر چند که شما مجبور خواهید شد جعبه دنده ی کوچک تری نصب کنید. در این صورت فقط به زمان بیشتری نیاز خواهد بود. اما باز هم می توانید بگویید که آسیای بادی شما کارایی بیشتری دارد، زیرا بطری را سریع تر بالا می برد. در معادله ی توان یک ماشین، زمان هم به حساب می آید، که برای فیزیک دانان یا مهندسان ژول بر ثانیه است.
واحد اندازه گیری توان عبارت است از وات(W) = ژول بر ثانیه(J/s)، یا کیلووات(kW) = کیلوژول بر ثانیه(kJ/s).
توان = کار/زمان
وسایل لازم: یک ساعت با عقربه ی ثانیه شمار یا یک زمان سنج
نخست بطری را روی یک صندلی قرار دهید و فاصله ی لبه ی بطری تا نقطه ی برخورد آن با محور را اندازه بگیرید. مقداری از ریسمان را برای چند اجرای آزمایشی بدون بار نگه دارید. مدت زمان بالا رفتن بطری را، از نقطه ی بلند شدن تا توقف به خاطر برخورد با محور اندازه بگیرید.
فرض کنیم آسیای بادی 5/1 کیلوگرم را به میزان 2/1 متر در مدت ۳ ثانیه بالا برده است. پس توان را این طور محاسبه می کنیم: 9/5 = 3 2/1 81/9 5/1. آسیای بادی شما، حتی با یک باد ملایم، در حدود 6 وات توان دارد.
توان دستگاه مولد نیروی شما به سرعت باد بستگی دارد. هر چه باد تند تر به روتور بوزد، توان بیش تری تولید می کند. هوا نیز جسم است. یک متر مکعب آن(یک مکعب با ابعاد یک متری) 22/1 کیلوگرم وزن دارد. با این حال، چون هوا یک جسم سیال است و جامد نیست، نیروی خود را به طور متغیر، نه یک جا، به شی ای که در مسیر آن قرار گرفته است، وارد می کند. وقتی که آن شی کنار می رود، بخشی از انرژی جنبشی باد به آن منتقل می شود. پره های روتور حکم همان شی را دارند. آن ها با چرخیدن از سر راه باد کنار می روند و در حین این عمل، انرژی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند.
تکلیف:
وزن یک متر مکعب هوا چقدر است(یک مکعب که درازای هر یک از ابعاد آن یک متر است)؟
محل بازدید:
از نیروگاه بادی صفه بازدید کنید.
منبع مطالعه:
کتاب انرژی باد. نویسنده: استفانی فیتس جرالد، مترجمان: ابوالفضل آقاسی، بهنام آزادی راد.
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت توربین بادی-جلسه اول
ساخت توربین بادی-جلسه دوم
ساخت توربین بادی-جلسه سوم
ساخت توربین بادی-جلسه چهارم
ساخت توربین بادی-جلسه پنجم
ساخت توربین بادی-جلسه ششم
ساخت توربین بادی-جلسه هفتم
ساخت توربین بادی-جلسه هشتم
ساخت توربین بادی-جلسه نهم
ساخت توربین بادی-جلسه دهم
ساخت توربین بادی-جلسه یازدهم
ساخت توربین بادی-جلسه دوازدهم
