طراحی سد
طراحی سد
مقدمه:
ممکن است تا به حال به کاربردهای مختلف آب از جمله برای نوشیدن، آشپزی، شست و شو و غیره زیاد فکر کرده باشید. اما آیا می دانستید می توان با استفاده از آب برق تولید کرد؟ فعالیت سرگرم کننده ی زیر را انجام دهید تا در مورد نیروی هیدروالکتریک (برق آبی) بیشتر بیاموزید.
پیش زمینه:
به دلیل وجود گرانش، تمام اشیا و مواد با بالا رفتن از سطح زمین دارای انرژی پتانسیل می شوند. با سقوط این اجسام به سمت زمین انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی یا حرکتی تبدیل می شود. در مورد آب می توان از سقوط آن یک توربین را که مانند پروانه است به چرخش درآورد. اگر این توربین در حال چرخش به یک ژنراتور الکتریکی متصل باشد، می تواند تولید برق کند. برق تولید شده از آب در حال سقوط نیروی هیدروالکتریک (برق آبی) نام دارد. (هیدرو به معنای آب است.)
اما چگونه می توان به طور بهینه از انرژی آب در حال سقوط بهره برداری کرد؟ برای تولید میزان برق زیاد، نیاز به مقدار زیادی آب در حال سقوط با سرعت بالا در یک مکان است. با این اوصاف باران گزینه ی مناسبی برای تولید نیروی هیدروالکتریکی نیست زیرا آب در مساحت بسیار بزرگی گسترده است و بارش باران در زمان های غیر قابل پیش بینی اتفاق می افتد. آبشارها مقدار بسیار زیادی آب در حال سقوط در یک ناحیه دارند. اما از آنجا که آبشارها دارای زیبایی طبیعی هستند بسیاری از آنها نقاط توریستی و دیدنی طبیعی محسوب می شوند. در نتیجه ساخت نیروگاه های نه چندان زیبا در این مناطق کار خوشایندی در نظر مردم نیست. یکی از راه حل ها برای این مسئله ساخت سد است، سازه هایی عظیم که جریان آب یک رودخانه را می بندند. این کار باعث می شود دریاچه ای عمیق با نام مستعار مخزن (reservoir) تشکیل شود و مقداری از آب آن در هنگام عبور از درون سد برق تولید کند. در این فعالیت علمی شما بررسی خواهید کرد که برای تولید بهینه ی برق با این روش، توربین باید در کجا قرار بگیرد.
توجه داشته باشید که اگر چه نیروی هیدروالکتریکی نوعی انرژی تجدیدپذیر محسوب می شود، برخی اثرات زیست محیطی نیز به همراه دارد. دریاچه های بزرگی که در پشت سد تشکیل می شوند ممکن است زیستگاه های طبیعی حیوانات را از بین ببرند؛ مسدود کردن رودخانه ها بدین معناست که بسیاری از موجودات از جمله ماهی ها نخواهند توانست از جایی به جای دیگر نقل مکان کنند؛ همچنین شکسته شدن یک سد سبب ایجاد سیل های خطرناک و آسیب به جان انسان ها و حیوانات می شود. اگر علاقه مندید در این مورد بیشتر بدانید می توانید تحقیقات بیشتری در مورد مزایا و مضرات تولید انرژی هیدروالکتریکی انجام دهید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
بطری شیر یا بطری نوشابه ی دو لیتری
میخ کوچک
آب
نوار چسب
صندلی، نردبان یا چهارپایه
وان حمام، سینک یا فضایی باز در بیرون از منزل که بتوانید در آنجا آب بریزید.
متر اندازه گیری (اختیاری)
آماده سازی:
وسایل لازم را آماده کنید و آنها را در جایی ببرید که ریختن آب روی زمین مشکلی نداشته باشد، مانند حمام یا بیرون از خانه.
روش کار:
با استفاده از میخ سه سوراخ کوچک در یک طرف ظرف شیر یا نوشابه ایجاد کنید: سوراخ اول در نزدیکی لبه ی ظرف، سوراخ دوم در وسط و سوراخ سوم در نزدیکی کف ظرف. اطمینان حاصل کنید که سوراخ ها چند سانتیمتر از لحاظ افقی با هم فاصله داشته باشند. (سوراخ ها نباید روی یک خط عمودی و هم راستا باشند.)
با استفاده از نوار چسب روی سوراخ ها را بپوشانید.
داخل ظرف آب بریزید. دقت کنید که سطح آب باید بالاتر از سوراخ بالایی باشد. قبل از شروع آزمایش چسب ها باید جلوی خروج آب از سوراخ ها را بگیرند.
ظرف را روی یک سطح مرتفع مانند چهارپایه، صندلی یا نردبان در محلی قرار دهید که بتوانید آب را روی زمین بریزید.
آماده ی برداشتن سریع نوارچسب ها شوید. به نظرتان با برداشتن چسب ها چه اتفاقی می افتد؟ آب چگونه از سوراخ ها بیرون خواهد آمد؟ رفتار آب خارج شده از سه سوراخ یکسان خواهد بود یا متفاوت؟
با دقت سه نوار چسب را از روی سوراخ ها جدا کنید. حال از نزدیک رفتار آب را زیر نظر قرار دهید. چه اتفاقی می افتد؟ جریان های آب در کجا به زمین برخورد می کنند؟
خروج آب از سوراخ ها را همچنان زیر نظر بگیرید. آیا با گذشت زمان و خالی تر شدن ظرف، محل به زمین خوردن جریان آب خارج شده از سه سوراخ تغییر می کند یا ثابت باقی می ماند؟
تصور کنید ظرف شیر یک سد است و آب داخل آن در واقع دریاچه ای است که در اثر ساخت سد در پشت آن تشکیل شده است. برای تولید بیشترین میزان الکتریسیته از آب، توربین را در کجا قرار می دهید؟
آزمایش های تکمیلی:
با استفاده از یک متر اندازه گیری، میزان جهش آب از سوراخ ها بر روی زمین را اندازه بگیرید. با افزایش یا کاهش ارتفاع ظرف نسبت به زمین این فواصل چگونه تغییر می کنند؟ این فاصله ها برای سه سوراخ چگونه هستند؟
این فعالیت علمی را با استفاده از ظرف هایی با اشکال هندسی مختلف انجام دهید. سوراخ هایی که در این ظروف ایجاد می کنید باید ارتفاعی یکسان با ارتفاع سه سوراخ ظرف شیر این آزمایش داشته باشند. رفتار آب در ظرف شیر با بطری نوشابه چه تفاوتی دارد؟ آیا شکل ظرف تأثیری بر میزان فاصله ای که آب از ظرف می گیرد دارد؟
برای ایجاد سوراخ ها از میخ هایی با اندازه های متفاوت استفاده کنید. (همچنین می توانید از یک بزرگتر بخواهید سوراخ ها را با دریل برقی برایتان ایجاد کند.) آیا ابعاد سوراخ ها تأثیری بر میزان جهش جریان آب و یا سرعت خالی شدن ظرف دارد؟
مشاهده و نتیجه گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کنید که آب خارج شده از پایین ترین سوراخ مسافت طولانی تری را می جهد و پس از آن آب خروجی از سوراخ وسطی و آب خروجی از سوراخ بالایی قرار می گیرند. دلیل این موضوع فشار هیدروستاتیک (فشار وارد بر عمقی خاص توسط آب) بسیار زیاد در کف ظرف است که سبب می شود آب با سرعت بیشتری از سوراخ پایینی خارج شود. این آب با سرعت بالا انرژی جنبشی بیشتری دارد که قابل تبدیل به برق است. در نتیجه بهترین مکان برای قرار دادن توربین در قسمت پایین است.
بسته به محل دقیق سوراخ ها و میزان آبی که در ظرف قرار دارد، آب خروجی از سوراخ بالایی احتمالاً جهش بسیار کمی در جهت افقی دارد و تنها آب از آن خارج می شود و به پایین می رسد. با تخلیه ی آب از ظرف، فشار خروج آن از سوراخ ها کمتر می شود. دلیل آن است که فشار هیدروستاتیک توسط تفاوت ارتفاع بین موقعیت هر سوراخ و سطح آب تعیین می شود و با تخلیه ی آب سطح آب پایین و پایین تر می رود.
منبع: http://www.scientificamerican.com/article/dam-design/