مفاهیم کلیدی: نیرو، اصطکاک، تقارن، نیروی باد
مشاهده علمی ۱۹۷
مقدمه:
آیا تا به حال با فرفره‌ی اسباب بازی کار کرده‌اید یا نمونه‌های واقعی آن مانند آسیاب بادی یا توربین بادی را دیده‌اید؟ آیا می دانید دلیل شکل خاص این توربین‌ها (دارای چند تیغه به صورت متقارن) چیست؟ اگر توربین‌ها یک تیغه داشته باشند چه می شود؟ اگر تیغه‌ها در شکل و اندازه‌های مختلف باشند چه اتفاقی می‌افتد؟ فعالیت سرگرم کننده‌ی زیر را انجام دهید تا بتوانید به این سوالات پاسخ دهید.
پیش‌زمینه:
تیغه‌های چرخان در طیف وسیعی از ماشین‌ها استفاده می‌شوند. بعضی از تیغه‌ها به منظور بهره برداری از انرژی هوا ساخته می شوند، مانند آسیاب‌ها و توربین‌های بادی. باد سبب چرخش این تیغه‌ها می‌شود و سپس انرژی حرکتی این تیغه‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل یا باعث چرخش دنده‌ها می‌شود. تیغه‌هایی نیز وجود دارند که با استفاده از یک موتور به هوا فشار وارد می‌کنند (و گاهی آن را حرکت می‌دهند، مانند پنکه) و یا اجسامی را از درون آن عبور می‌دهند (مانند ملخ هواپیما).
نکته‌ی مشترک تمام این تیغه‌ها آن است که به صورت متقارن نصب می‌شوند، بدین معنا که به صورت متعادل در اطراف مرکز قرار می‌گیرند. ممکن است دو تیغه در مقابل هم یا چهار تیغه به صورت ضربدر با زاویه‌ی نود درجه از هم قرار بگیرند. حتی می-توان تعداد فرد تیغه را به صورت متقارن نصب کرد (مثلاً سه تیغه با فاصله‌ی ۱۲۰ درجه از هم). تقارن در چیدمان تیغه‌ها چه اهمیتی دارد؟ چرا هیچ گاه آسیاب‌هایی با یک تیغه یا دو تیغه در یک سمت نمی‌بینیم؟ با انجام فعالیت علمی زیر می‌توانید دلیل این موضوع را متوجه شوید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حداقل یک عدد فرفره (که بتوانید تیغه‌های آن را جدا کنید.)
سشوار
قیچی
کمک و نظارت یک بزرگتر
آماده‌سازی:
تمام وسایل مورد نیاز خود را در محلی جمع کنید که بتوانید در آنجا سشوار را به پریز برق بزنید. از بزرگتر خود بخواهید سشوار را حدود یک متر دورتر از جایی که شما با فرفره می‌ایستید نگه دارد.
روش کار:
سشوار را روشن کنید.
فرفره را با فاصله‌ی یک متر از سشوار نگه دارید. حال فرفره را به آرامی به سشوار نزدیک کنید تا شروع به چرخش کند. فرفره چقدر باید به سشوار نزدیک شود تا چرخش خود را شروع کند؟
حال از بزرگتر خود بخواهید با قیچی یکی از تیغه‌های فرفره را تا جایی که می‌تواند نزدیک به مرکز فرفره ببُرد. با این کار فرفره نامتقارن می‌شود زیرا فواصل میان تیغه‌های باقی مانده با هم برابر نیستند.
مجدداً فرفره را با فاصله‌ی یک متر در مقابل سشوار نگه دارید و آن را به آرامی نزدیک کنید تا شروع به چرخش کند. این بار فرفره چقدر باید به سشوار نزدیک شود تا چرخش خود را شروع کند؟
با قیچی یک تیغه‌ی دیگر از فرفره ببرید. بسته به اینکه فرفره‌ی شما در ابتدا چند تیغه داشته است، تصمیم گیری بر عهده‌ی شماست که هر بار کدام تیغه را ببرید و اینکه با بریدن کدام تیغه فرفره متقارن یا نامتقارن می‌شود. برای مثال فرض کنید فرفره ای که استفاده می‌کنید در ابتدا چهار تیغه داشته است. پس از بریدن یک تیغه، فرفره دارای سه تیغه‌ی نامتقارن با فواصل نامنظم می‌شود. اگر پس از این مرحله تیغه‌ای در کنار تیغه‌ی بریده شده‌ی قبلی را ببرید، فرفره نامتقارن و با دو تیغه با فواصل نامنظم باقی می‌ماند. می‌توانید به جای این کار تیغه‌ی دومی را در مقابل تیغه‌ی بریده شده‌ی اول حذف کنید تا به این ترتیب فرفره با دو تیغه در دو سمت مقابلِ هم مجدداً متقارن شود. اگر بیش از یک فرفره در اختیار دارید، می‌توانید ترکیب‌های مختلف را روی آنها امتحان کنید.
بار دیگر فرفره را در فاصله‌ی یک متری از سشوار بگیرید و به مرور فاصله را کم کنید تا فرفره شروع به چرخش کند. فرفره در چه فاصله‌ای از سشوار چرخش خود را شروع می‌کند؟
کار را تا جایی ادامه دهید که فرفره تنها یک تیغه داشته باشد.
آیا تعداد تیغه‌ها بر چگونگی چرخش فرفره تأثیر می‌گذارد؟ آیا در بعضی حالت‌ها لازم است فرفره را به سشوار نزدیک‌تر کنید؟
آیا چگونگی چرخش فرفره به متقارن یا نامتقارن بودن تیغه‌ها بستگی دارد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
با استفاده از خط‌کش یا متر اندازه‌گیری میزان فاصله‌ی لازم میان فرفره و سشوار را برای شروع چرخش فرفره در هر مرتبه محاسبه کنید. پس از اتمام کار می‌توانید نموداری از نتایج به دست آمده به این شکل رسم کنید: فاصله‌ی میان فرفره تا سشوار بر حسب تعداد تیغه‌های فرفره
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که چرخش فرفره هنگامی که تعداد بیشتری تیغه به صورت متقارن وجود دارند آسان‌تر است. با حذف تیغه‌ها مشاهده می‌کنید که برای به چرخش درآوردن فرفره باید فاصله‌ی آن تا سشوار کمتر شود. این مسئله در شرایطی که تیغه‌ها نامتقارن باشند بیشتر قابل درک است. نامتقارن بودن تیغه‌ها باعث تلو تلو خوردن و ایجاد اصطکاک بیشتر بر روی محور فرفره (میله‌ای که پشتیبان تیغه‌هاست) می‌شود. هر چه اصطکاک بیشتر شود، به چرخش درآمدن تیغه‌ها دشوارتر می‌شود. در نتیجه باد باید شدیدتر باشد، یعنی فاصله‌ی فرفره تا سشوار کمتر شود. به نظر شما این موضوع چه تأثیری بر طراحی توربین‌های بادی و ملخ‌های هواپیما توسط مهندسان دارد؟
منبع:
scientific American
منابع مفید:
هواپیمای کاغذی
جریان اغتشاش اطراف سازه های بزرگ
موشک کاغذی
مقاومت هوا
توربین های بادی چگونه کار می کنند؟
توربین های هیدروالکتریک
توربین های الکترومکانیکی
ناوبری هواپیما در باد
بادبان ها را بکشید
تقارن - ویکی پدیا
توربین بادی - ویکی پدیا
Strong Wind Science
Wild Winds