لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 45
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 نقطة 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 ذخیرة 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.
چرخ افقی گاهی اوقات با نام Norse wheel شناخته میشود. و اولین دستگاه قابل استفاده در منزل بود. در آن زمان غلات با آسیاهای دستی آرد میشدند. زنان مجبور به انجام این کار بودند و زمان زیادی از وقت آنها بدین کار سپری میشد. این دستگاه شرایط فوق را تغییر داد. مسئله فوق ممکن است از دو دیدگاه، چندان جالب نباشد. اما مسئلهای برای ماشینی شدن کارها و رهایی از کار پرزحمت آسیا کردن غلات با دست شد و همین مسئله موجب نگرانی اختلافگرایان از اوقات فراغت زنان شد، استرابو - Strabo- به توصیف و شرح قدیمیترین چرخ آبی پرداخت. این چرخ در کابریا cabria از سواحل جنوبی دریای سیاه، پیدا شد. اولین اثر ادبی که به مدح و ستایش از سد پرداخت، در یونان اتفاق افتاد. «از آسیاب کردن دست بردارید. از ینانی که در سدها عرق میریزید. بانگ خروش، نویدبخش روزی آزاد برای شماست و به آب فرمان داده شده که جور کار دست شما زنان را بکشد. آب باعث حرکت چرخ و محور آن برای حرکت چرخدنده و سنگ آسیا میشود.»
استرابو ـ strabo- اولین جغرافیدان دنیا بود. کتاب جغرافی آن به خاطر جدیدترین اطلاعات مربوط به کشورهای و مردمش - یونان و روم - مشهور میباشد.
Pompey، یکی از بزرگترین ژنرالها و رهبران سیاسی در روم بود. همزمان با جولیو، سزار وی، یکی از رهبرانی بود که در سالهای 50 - الی 60 قبل از میلاد بر روم حکمرانی کرد. وی مغلوب سزار شد و روم را به مقصد مصر ترک نمود و در سال 48 قبل از میلاد در آنجا به قتل رسید.
در چین باستان، چرخهای آبی به دنبالههایی برای تأمین حجم زیادی از هوا در کورههای آهنگری، مرتبط میشدند. این برای اولین بار در Nanjn واقع در شرق مرکز چین روی داد. این تغییر و تحول به توشیح- Tushih- رئیس قبیله مذکور که علاقمند به ریختهگری برای ساختن وسایل کشاورزی بود، نسبت داده میشود. توچین، چرخهای آبی تا زمان استفاده از Trip hammer - که برای خرد کردن سنگ هدن و یا شکل دادن آهن استفاده میشد، قابل استفاده بودند.
Trip hammer، چکش سنگین و تقریباً بزرگی است که نمیتوان آن را در دست گرفت و برای شکستن سنگ هدن و شکل دادن فنرات به شکل دلخواه و مطلوب استفاده میشود. دستگاهی مکانیکی مانند چرخ آبی یا موتور بخار، موجب بالا رفتن چکش میشود. وقتی که چکش به میزان خیلی بالا میرود. با یک trip (اصطلاحی برای دستگاه هنگام آزاد شدن) به طرف پایین سقوط میکند. در حین چرخش چرخ، چکش دوباره بالا میرود بر trip دوباره اتفاق میافتد و این چرخه همینطور ادامه مییابد.
نوع دیگری از چرخ از سطلهایی که از آن آویزان یا متصل به لبههای چرخ پرهدار میباشد، استفاده میکند. از دستگاه فوق، همچنین برای کشیدن آب برای مصارف خانگی و آبیاری زمینهای کشاورزی استفاده میشد. چرخ فوق در هند و خاورمیانه کاربرد زیادی داشت. Noria، امروزه هنوز در برخی از مناطق دنیا استفاده میشود. آنها، خصوصاً در مصر و افریقا، رایج میباشند.
ویتروویوس - VITUVIUS - و اختراع چرخ دنده
مهندس، نویسنده و معمار رومانیائی - مارکس ویتروویوس پولیو، اولین مخترع
دستگاه مولد انرژی، به توصیف و شرح چرخ آبی در قالب کتاب پرداخت. Vitruvius در کتابش با عنوان De architectura، طراحی و کاربرد چرخ فوق را کاملاً توصیف میکند، این کتاب برای اولین بار در سده بیست و هفت بعد از میلاد منتشر و هنوز هم بعد از گذشت دو هزار سال، در دسترس میباشد. وی مدعی است ایستگاههایی که وی به توصیف آنها پرداخته، هنوز هم در دسترس میباشند و اختراعشان را به مهندسین یونانی نسبت می‌دهد. ابتدائیترین شکل این چرخ، در سده میلادی، برای به حرکت درآوردن آسیا و آرد کردن غلات استفاده میشد. همچنین برای استخراج روغن از زیتون نیز کاربردداشت. چرخهای آبی، برای به حرکت درآوردن هر ماشینی، طراحی نشدهاند. ویتروویوس به معرفی و توصیف چرخ عمومی میپردازد که داخل نهر قرار دارد و آب از زیر آن میگذرد، با وجود چرخ فوق،نیاز به چرخ دنده برای اتصال محور چرخ به محور سنگ، احساس میشود، وقتی این کار صورت میگیرد،دیگر نیازی به چرخش هم جهت سنگ اسیا و چرخ آبی نیست. با انتخاب صحیح اندازه چرخ دنده، قادر به حرکت سریعتر و یا کندتر سنگ آسیا، نسبت به چرخ میباشیم.
پیشرفت چرخ دنده و تغییر سرعت چرخ، اولین و اساسیترین موفقیت در طراحی دستگاه بود. این تغییر و تحول مربوط به 2100 سال پیش میشود. از دیدگاه ما، مربوط به سالها پیش میشود، اما،نقطه نظرات مختلف، بشر، در طول این سالها، در تغییر و تحول آن شرکت داشته است. اگرچه امروزه، چرخ undershot مجهز به سیستم چرخ دنده، ممکن است خیلی ابتدائی و ساده به نظر رسد. اما لازم است به علت
پیشرفتهائی که در تاریخ بشر داشته، قدردان آن باشیم.
چرخهای آبی در قرون وسطی
ما به ویترویوس به خاطر کتاب جامع و کامل وی مدیون هستیم، اما توسعه و پیشرفت شما در روم و ینان نبود بلکه در شمال و غرب اروپا نیز مشهود بود. برای درک قضیه فوق، زبانشناسی لازم است: اغلب امکان موجود برای توصیف تکنولوژی، برگرفته از زبانهای آلمانی و سیلتیک بود. اثری از هیچ کله لاتین یا یونانی در آن نبود. آثار باقیمانده از آسیابهای آبی در قرون دوم و سوم بعد از میلاد در باتلاقهای دانمارک کشف شده است. اولین اثر، مربوط به آسیا در نیمه دوم قرن سوم، حوالی تارا رویت شده است.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود مقاله کامل درباره انرژی آب
