تحقیق مقاله انرژی آب

چرخهای آبی

مصرف آب به عنوان دومین منبع انرژی (بعد از آتش) برای بشر محسوب می‎شود. از این‎رو چرخهای آبی در تاریخ توسعه و مصرف انرژی، نقش مهمی ایفا می‎کنند. چرخهای آبی دستگاه‎های مکانیکی ساده‎ای هستند که ما می‎توانیم برای درک برخی مفاهیم هم و کلیدی از آنها یاری جوئیم.

انرژی جنبشی

برای درک و روشن شدن، مطلب را با مثال ساده‎ای آغاز می‎کنیم. اگر در حال عبور از نهر ابی باشیم، این حس در ما ایجاد می‎شود که آب در جهت خلاف پاهای ما به شدت عبور می‎کند. در نهرهایی که جریان آب در آنها تند باشد باید مراقب باشیم که شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همین‎طور کشش و فشار امواج را هنگام گذر از کنار دریا حس می‎کنیم. گاهی اوقات هنگام نزدیک شدن امواج،‌ می‎توانیم سریع پاهایمان را کنار بکشیم، یقیناً اگر در زیر یک آبشار باشیم، فشار آب را روی بدنمان احساس می‎کنیم. اگر اندکی این چرخ را در نحری که آب در آن جریان دارد،‌ داخل کنیم. جریان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار می‎آورد، درست همانند زمانی که ما داخل آب هستیم شویم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط یک پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ می‎شود. اگر محور چرخ را به یک دستگاه وصل کنیم قادر به انجام کار مفید، نظیر آسیا کردن غلات می‎باشیم. پایه و اساس چرخ

آبی، درک مفهوم فوق می‎باشد.

حال، مشاهده‎ای مرتبط در این زمینه را در نظر مجسم سازید: زمانی که داخل یک استخر یا حوض مخصوص شنا ایستاده‎ایم و یا در حال گذشتن از آن هستیم، هیچ نگران این قضیه نیستیم که جریان آب موجب عدم تعادل و نهایتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبی هم صدق می‎کند. قرار دادن چرخ آبی در استخر شنا، مانع حرکت چرخ می‎شود. به تفاوتی بین شرایط فعلی و شرایطی که قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جریان آب، ثابت و یا اینکه خیلی کند می‎باشد. تنها آب جریا (متحرک) باعث هل دادن و به حرکت درآوردن ما و همین‎طور باعث چرخاندن، چرخ آبی می‎شود. به حرکت درآمدن ما و چرخ آبی، بیانگر انجام کار می‎باشد. تنها آب جاری،‌ توان انجام کار را دارد. مطلب فوق مبین این مسئله است که آب جاری (آبی که دارای حرکت باشد) دارای نوع انرژی می‎باشد. همان‎طوری که قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبی را به یک دستگاه مکانیکی وصل کنیم، دستگاه قادر به انجام کار نظیر: آسیا کردن فلات یا اره کردن چوب می‎باشد. تعمیم عبارت فوق بیان این مطلب است که:

«انرژی جنبشی، باعث انجام کار می‎شود.»

انرژی پتانسیل

حال روش مقرون به صرف نیز، استفاده از یک چرخ آبی را در نظر مجسم سازید،‌با در نظر گرفتن مزیت آبشار و انرژی جنبشی آبی که از آن سرازیر می‎شود، چرخ‎های چرخ‎دنده می‎چرخد و کار انجام می‎گیرد. حجمی از آب را درست در نقطه ‎A در نظر بگیرید، آیا آن مقدار از اب قادر به انجام کار می‎باشد؟  خیر؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژی جنبشی می‎باشد. البته باید بر این مسئله واقف باشیم که آب در نقطه ‎A انرژی جنبشی ندارد اما پتانسیل کسب انرژی جنبشی را دارد. برای درک مطلب فوق می‎توانیم بگوئیم که آب در نقطه ‎A دارای انرژی پتانسیل می‎باشد. چه عاملی باعث سرازیر شدن آب می‎گردد؟ نیروی جاذبه زمین، آب را به مرکز زمین می‎کشد، باید گفت که آب در نقطه «A» انرژی پتانسیل جاذبه را دارا میباشد. انرژی پتانسیل جاذبه، نیتولی می‎باشد که باعث کشیده شدن اشیاء به طرف مرکز ثقل می‎شود.

حال سه نکته دیگر را به آن اضافه می‎نمائیم. اولاً: انرژی پتانسیل بالقوه انرژی جنبشی می‎باشد یا (انرژی پتانیل قابل تبدیل به انرژی جنبشی می‎باشد). ثانیاً‌ در نقطه ‎B آب به پره‎های چرخ آبی ضربه می‎زند و موجب انتقال انرژی جنبشی آب به چرخ و نهایتاً حرکت چرخ که همان انجام کار می‎باشد می‎شود. در واقع نقطه ‎B مکانی فعال است. تصور کنید که برای حجم آب در نقطه ‎C چه روی می‎دهد؟ ممکن است این‎طور در ذهن تداعی شود که انرژی پتانسیل در نقطه ‎C به آخر می‎رسد. اما قضیه فوق کاملاً درست نیست زیرا عملاً به آبشاری دیگر که در حال سرازیر شدن در نهر است برخورد می‎کند، پس آب در نقطه ‎C،  هنوز انرژی پتانسیل جاذبه را دارا می‎باشد،‌ در واقع آب همشیه، قدری انرژی پتانسیل جاذبه را دارا می‎باشد مگر آنکه نقطه ‎C مرکز ثقل زمین باشد.

بیشترین و بالاترین میزان انرژی پتانسیل در نقطه ‎A می‎باشد. آب هنگام سرازیر شدن از آبشار قدری از انرژی پتانسیلش، به انرژی جنبشی تبدیل می‎شود و انرژی جنبشی آب در حال سرازیر شدن از آبشار، قادر به انجام کارو چرخاندن چرخ آبی می‎باشد.

تغییر خودبخود و نمودار انرژی

از مشاهدات و دانسته‎های خود بر این مسئله واقف هستیم که اشیاء همواره در حال سقوط می‎باشند. این مسئله شامل حال ما هم می‎شود به عنوان مثال: هنگام سکندری خودرن و افتادن. هر شیئی متحرک، خودبخود از انرژی پتانسیل جاذبه بالا به سمت نیروی پتانسیل جاذبه پایین، سقوط می‎کند همچنین می‎دانیم که اشیاء، خودبخود به سمت بالا نمی‎روند. (گاهی اوقات، ممکن است در سینما یا تلویزیون، هنگامی که فیلم به عقب برمی‎گردد، شاهد این مسئله باشیم که اشخاص یا اشیاء به طرف بالا می‎روند. این مسئله جنبه فکاهی دارد و کاملاً برخلاف تجارب همول و قابل انتظار می‎باشد. برای هر رویداد طبیعی یک مسیر معقول و غیرمعقول وجود دارد. سیب از درخت می‎افتد، اما دوباره به سمت شاخه برنمی‎گردد. ذرات شکر در قهوه حل می‎شوند آنها دوباره در فنجان شکل نمی‎گیرند.

بنابراین، اشیاء از پتانسیل جاذبه بالا به پتانسیل جاذبه پایین حرکت می‎کنند هنگام استفاده از چرخ آبی، اگر تغییر انرژی از پتانسیل بالا به پتانسیل پایین باشد می‎توانیم انرژی جنبشی را از آن استخراج نمائیم.

در واقع می‎توانیم سیستم را (آب، آبشار و چرخ آبی) در ‌نموداری ساده تعریف نمائیم نمودار فوق، تا حدودی، مشابه نموداری می‎باشد که پیش از این در نمودار (505) برای سیستمی دیگر (یک اتم کربن، 4 اتم هیدروژن و چهار اتم اکسیژن) معرفی نمودیم و از آن می‎توانیم انرژی، استخراج نمائیم در مورد تغییرات شیمیایی فوق، از سیستمی با انرژی پتانسیل شیمیائی بالا که همسان با سیستم انرژی پتانسیل جاذبه بالا می‎باشد، صحبت می‎شود. در واقع این دو تودار به قدری شبیه به هم هستند که می‎توانیم از آنها نمودار انرژی واحدی ترسیم نمائیم. که هر دو سیستم در آن کاربرد دارد. نمودار فوق به منظور شرح و توصیف یک سری از سیستمهای مشابه استفاده می‎شود.

مفهوم کلیدی نمودار فوق مطلب زیر می‎باشد:

«زمانی که سیستم به دستخوش یک سری تغییرات خودبخود از پتانسیل جاذبه بالا به پتانسیل جاذبه پایین می‎شود ما می‎توانیم انرژی (یا کار) را از آن استخراج نمائیم.

انواع چرخ آبی

ساده‎ترین و اساسی‎ترین طراحی در چرخهای آبی، چرخ آبی ‎undershot (چرخ آبی که آب از زیر آن می‎گذرد و موجب چرخیدن چرخ می‎شود) می‎باشد. ابتدائی‎ترین طراحی، چرخ پره‎دار ساده‎ای بود که داخل نهر یا رودخانه قرار داشت. چرخ آبی فوق در مناطقی همچون دانمارک شمالی و چین قرار داشت و از آن  برای آسیا کردن برنج استفاده می‎شد. این چرخ آبی در مخروبه‎های پمپی ‎(Pompei) که شهری مدفون در زیر گدازه‎های آتشفشان بود، پیدا شد. همچنین، چرخ قوماً عملاً دارای یک سری مشکلات بود. کاری که به وسیله این چرخ آبی انجام می‎گرفت، ‌نشأت گرفته از انرژی جنبشی آب و شدت جریان آب بود. تغییرات فصلی، موثر در جریان آب رودخانه و نتیجتاً کار و نیروی انجام گرفته تسوط چرخ بود. نوسانات فصلی، در میزان ذخیره آب خیلی مؤثر بودند. در آب و هوای داغ و در زمان خشکسالی، سطح آب رودخانه، به قدری پایین بود که آب کافی برای چرخاندن چرخ وجود نداشت. هنگام سیل، به قدری آب رودخانه بالا می‎آمد که تمام چرخ در آب فرو می‎رفت. علی‎رغم تمام نقایص، چرخ فوق ‎- ‎undershot‎- برای مدتها، در سراسر دنیا قابل استفاده بود. سهولت، سادگی و همین‎طور کم هزینه بودن آن باعث استفاده طولانی و مستمر از این چرخ شد. در چرخ آبی، خصوصاً چرخ آبی پره‎داری که آب برای چرخاندن آن، از زیر چرخ می‎گذرد، میزان قابل ملاحظه‎ای از انرژی، هنگام ضربه زدن آب به پره‎های چرخ، به هدر می‎رود. تا سال 1800، هیچ تغییر و تحولی در طراحی چرخ آبی بوجود نیامد. بازنگری و تغییر در طراحی چرخ، کاملاً ساده و اسان بود: شکل پره‎ها تغییر کرد. در طرخح پیشرفته که چرخ آبی پاسلت ‎Povcelet undershot wheel یا به طور ساده‎تر چرخ پانسلت نامیده می‎شد، پره‎ها یا پدال‎های چرخ طوری طراحی شده بودند که تلاطم آب، موجب اتلاف حداقل میزان انرژی می‎شد. انحنای پدال‎ها، موجب سرعت چرخش چرخ و انتقال انرژی جنبشی به آن برای چرخش چرخ می‎شد. آب با سرعت تقریباً صفر،‌ باعث انتقال انرژی جنبشی آب به چرخ و نهایتاً چرخش چرخ می‎شود. چرخ پانسلت ‏‎-‎Poncelet‏‎- هفتاد الی هشتاد و پنج درصد در انتقال انرژی جنبشی آب به کار مؤثر بود. اما چرخ یا پره‎های مسطح بیست الی بیست و پنج درصد در این انتقال مؤثر بود. در چرخ ‎overshot، آب از بالای چرخ به پایین سرازیر می‎شود. نمودار (808). در مواردی که جریان آب رودخانه، کند باشد، چرخ ‎overshot به ‎undershot ارجحیت دارد. در واقع چرخ ‎overshot در هرنری که مجهز به سد باشد، قابل استفاده می‎باشد. در چنین نهری، همواره میزان ثابتی از آب را در طول سال خواهیم داشت. در فصول گرم و خشک سال، همیشه، ذخیره آب را در نهر داریم و در فصل سرما نیز آب مازاد از مجرای سد، می‎گذرد. تاریخچه چرخ ‎overshot به قرن سوم بعد از میلاد بازمی‎گردد و تصاویری از آن بر دیواره‎های گورستان دوم باستان حک شده است. چرخ ‎overshot عمود بر یک محور افقی می‎باشد. تیغه‎های چرخ طوری طراحی شده‎اند که آن را به دو بخش مجزا تقسیم می‎کنند. آب از بالا، داخل یان دو بخش (سطل) مجزا می‎ریزد. در چرخ فوق، تنها جزئی از کار در اثر برخورد آب با تیغه‎ها، صورت می‎گیرد و قسمت اعظم آن از شدت جریان آب سرازیر شده از سطلها می‎باشد که موجب چرخش چرخ می‎شود. میزان کارآئی و بازدهی چرخ فوق شصت و پنج الی هشتاد درصد می‎باشد. با نصب سد که چرخ در مکانی پایین‎تر از آن که به منظور سرازیر شدن آب از بالا بر آن شود، قرار می‎گیرد. این مجرا به عنوان گذرگاه اصلی ‎- مبدأ ‎- ‎head race‎- شناخته می‎شود. مجرای دیگری نیز در اینجا لازم می‎باشد که موجب جاری شدن آب به سطح پایین‎تر (انرژی پتانسیل جاذبه زمین) می‎شود. آبی که از گذرگاه مبدأ اصلی به داخل سطل می‎ریزد، موجب چرخاندن چرخ در آن زمان می‎شود.

چرخهای آبی در جهان باستان

چرخ آبی، دستگاهی است که استخراج انرژی از یک سیستم را میسر می‎سازد. به عنوان مثال آب در حال سرازیر شدن که از انرژی پتانسیل بالا به انرژی پانسیل پایین منتقل می‎شود. اگر دستگاهی را به محور چرخ آبی متصل کنیم، می‎توانیم از انرژی جنبشی برای انجام کار استفاده نمائیم.

در واقع چرخ آبی اولین دستگاهی بود که عملاً بشر را از اتکاء به ماهیچه‎هایش یا به بیگاری گرفتن حیوانات برای انجام کار، رها نمود. اطلاعی از زمان و مکان پیدایش چرخهای آبی در دست نیست و حتی اطلاعی از اینکه چه شخصی باعث پیشرفت و توسعه آن شد، نیست. حدوداً 300 سال قبل از میلاد، مصارف دیگری از چرخ آبی می‎شد. آنها،‌ با طناب به سطلهایی برای بالا آوردن آب وصل می‎شدند که از آن برای مصارف خانگی و یا آبیاری زمینهای کشاورزی استفاده می‎شد. این، ساده‎ترین و ابتدائی‎ترین کاربرد چرخ آبی بود، ‎Noria، چرخ پره‎دار ساده‎ای بود که با جریان آب رودخانه، حرکت می‎کرد و به شتر در مدیترانه رواج داشت. ‎Noria چندان عمری نداشت زیرا بلافاصله چرخ دیگری که در پایین به شرح آن می‎پردازیم، بوجود آمد. علت پیدایش این چرخ جدید،‌ به خاطر نیاز ‎Noria به ذخیره زیاد آب بوده است.

تا سال صد قبل از میلاد، چرخهای آبی در چندین نواحی دنیا از جمله شمال یونان، ترکیه و هند برای آسیا کردن غلات و استخراج روغن از زیتون، کاربرد داشتند. این چرخها، معروف به چرخهای افقی می‎باشند و میله عمودی نصب شده بر روی آن، مستقیماً سبب حرکت سنگ آسیا می‎شود. چرخهای افقی هم مشکلات و معضلاتی را با خود به همراه داشتند. از جمله آن که باید مجهز به نوعی مجرا یا کانال باشند که موجب انتقال آب به یک طرف چرخ و نهایتاً چرخاندن چرخ شود. از این‎رو، چرخهای افقی در نهرها که شدت جریان آب در آن شد می‎باشد (نظیر نواحی کوهستانی شمال ترکیه و یونان) کارآیی داشتند. لازم به ذکر است که سرعت سنگ آسیا، دقیقاً برابر سرعت چرخ آبی و سرعت چرخ آبی هم بسته به سرعت جریان آب می‎باشد.