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 می‌دانستید می‌توان با استفاده از آب برق تولید کرد؟ فعالیت سرگرم‌کننده‌ی زیر را انجام دهید تا در مورد نیروی هیدروالکتریک (برق‌آبی) بیشتر بیاموزید.

پیش‌زمینه:

به دلیل وجود گرانش، تمام اشیا و مواد با بالا رفتن از سطح زمین دارای انرژی پتانسیل می‌شوند. با سقوط این اجسام به سمت زمین انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی یا حرکتی تبدیل می‌شود. در مورد آب می‌توان 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، می‌تواند تولید برق کند. برق تولید شده از آب در حال سقوط نیروی هیدروالکتریک (برق‌آبی) نام دارد. (هیدرو به معنای آب است.)

اما چگونه می‌توان به طور بهینه از انرژی آب در حال سقوط بهره‌برداری 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 گزینه‌ی مناسبی برای تولید نیروی هیدروالکتریکی نیست زیرا آب در مساحت بسیار بزرگی گسترده است و بارش باران در زمان‌های غیر قابل پیش‌بینی اتفاق می‌افتد. 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 می‌شوند. در نتیجه ساخت نیروگاه‌های نه چندان زیبا در این مناطق کار خوشایندی در نظر مردم نیست. یکی از راه‌ حل‌ها برای این مسئله ساخت سد است، سازه‌هایی عظیم که جریان آب یک رودخانه را می‌بندند. این کار باعث می شود دریاچه‌ای 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 بهینه‌ی برق با این روش، توربین باید در کجا قرار بگیرد.

توجه داشته باشید که اگر چه نیروی هیدروالکتریکی نوعی انرژی تجدیدپذیر محسوب می‌شود، برخی اثرات زیست محیطی نیز به همراه دارد. دریاچه‌های بزرگی که در پشت سد تشکیل می‌شوند ممکن است زیستگاه‌های طبیعی حیوانات را از بین ببرند؛ مسدود کردن رودخانه‌ها بدین معناست که بسیاری از موجودات از جمله ماهی‌ها نخواهند توانست از جایی به جای دیگر نقل مکان کنند؛ همچنین شکسته شدن یک سد سبب ایجاد سیل‌های خطرناک و آسیب به جان انسان‌ها و حیوانات می‌شود. اگر علاقه‌مندید در این مورد بیشتر بدانید می‌توانید تحقیقات بیشتری در مورد مزایا و مضرات تولید انرژی هیدروالکتریکی انجام دهید.

مواد و وسایل مورد نیاز:

بطری شیر یا بطری نوشابه‌ی 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 اندازه‌گیری (اختیاری)

آماده‌سازی:

 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 لبه‌ی ظرف، سوراخ دوم در وسط و سوراخ سوم در نزدیکی کف ظرف. اطمینان حاصل کنید که سوراخ‌ها چند سانتیمتر از لحاظ افقی با هم فاصله داشته باشند. (سوراخ‌ها نباید روی یک خط عمودی و هم راستا باشند.)

 با استفاده از نوار چسب روی سوراخ‌ها را بپوشانید.

 داخل ظرف آب بریزید. دقت کنید که سطح آب باید بالاتر از سوراخ بالایی باشد. قبل از شروع آزمایش چسب‌ها باید جلوی خروج آب از سوراخ‌ها را بگیرند.

 ظرف را روی یک سطح مرتفع مانند چهارپایه، صندلی یا نردبان در محلی قرار دهید که بتوانید آب را روی زمین بریزید. 

 آماده‌ی برداشتن سریع نوارچسب‌ها شوید. به نظرتان با برداشتن چسب‌ها چه اتفاقی می‌افتد؟ آب چگونه از سوراخ‌ها بیرون خواهد آمد؟ رفتار آب خارج شده از سه سوراخ یکسان خواهد بود یا متفاوت؟

 با دقت سه نوار چسب را از روی سوراخ‌ها جدا کنید. حال از نزدیک رفتار آب را زیر نظر قرار دهید. چه اتفاقی می‌افتد؟ جریان های آب در کجا به زمین برخورد می‌کنند؟

 خروج آب از سوراخ‌ها را همچنان زیر نظر بگیرید. آیا با گذشت زمان و خالی‌تر شدن ظرف، محل به زمین خوردن جریان آب خارج شده از سه سوراخ تغییر می‌کند یا ثابت باقی می‌ماند؟

 تصور کنید ظرف شیر یک سد است و آب داخل آن در واقع دریاچه‌ای است که در اثر ساخت سد در پشت آن تشکیل شده است. برای تولید بیشترین میزان الکتریسیته از آب، توربین را در کجا قرار می‌دهید؟

آزمایش‌های تکمیلی:

با استفاده از یک متر اندازه‌گیری، میزان جهش آب از سوراخ‌ها بر روی زمین را اندازه بگیرید. با افزایش یا کاهش ارتفاع ظرف نسبت به زمین این فواصل چگونه تغییر می‌کنند؟ این فاصله‌ها برای سه سوراخ چگونه هستند؟

 این فعالیت علمی را با استفاده از ظرف‌هایی با اشکال هندسی مختلف انجام دهید. سوراخ‌هایی که در این ظروف ایجاد می‌کنید 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 فاصله‌ای که آب از ظرف می‌گیرد دارد؟

 برای ایجاد سوراخ‌ها از میخ‌هایی با اندازه‌های متفاوت استفاده کنید. (همچنین می‌توانید از یک بزرگتر بخواهید سوراخ‌ها را با دریل برقی برایتان ایجاد کند.) آیا ابعاد سوراخ‌ها تأثیری بر میزان جهش جریان آب و یا سرعت خالی شدن ظرف دارد؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:

در این فعالیت علمی باید مشاهده کنید که آب خارج شده از پایین‌ترین سوراخ مسافت طولانی‌تری را می‌جهد و پس از آن آب خروجی از سوراخ وسطی و آب خروجی از سوراخ بالایی قرار می‌گیرند. دلیل این موضوع فشار هیدروستاتیک (فشار وارد بر عمقی خاص توسط آب) بسیار زیاد در کف ظرف است که سبب می‌شود 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 سوراخ‌ها 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 می‌شود و به پایین می‌رسد. با تخلیه‌ی آب از ظرف، فشار خروج آن از سوراخ‌ها کمتر می‌شود. دلیل آن است که فشار هیدروستاتیک توسط تفاوت ارتفاع بین موقعیت هر سوراخ و سطح آب تعیین می‌شود و با تخلیه‌ی آب سطح آب پایین و پایین‌تر می‌رود.

منبع:

Dam Design (SA)

منابع مفید:

توربین بادی چگونه کار می کند؟

توربین های هیدروالکتریک

برخورد بادکنک با سطح

انرژی تجدید پذیر

Locks and Dams

HydroPower (National Geographic)