مفاهیم کلیدی: فیزیک، نیروی باد، ایرودینامیک
مشاهده علمی ۱۶۸
مقدمه:
آیا تا به حال توربین بادی دیده‌اید؟ توربین‌های بادی برج‌هایی بزرگ با تیغه‌هایی در قسمت بالایی خود هستند که توسط باد می‌چرخند. این توربین‌ها یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر هستند. آنها از حرکت تیغه‌ها که توسط باد ایجاد می‌شود برق تولید می‌کنند. اما برای عملکرد بهتر توربین‌های بادی مهندسین محیط زیست وظیفه دارند مکانی مناسب برای قرار دادن آنها پیدا کنند تا توربین‌ها در معرض باد مداوم قرار بگیرند. در این فعالیت علمی شما نقش یک مهندس محیط زیست را بازی می‌کنید و بررسی خواهید کرد که آیا قرار دادن توربین‌های بادی در مجاورت ساختمان‌های بلند ایده‌ای مناسب است یا خیر.
پیش‌زمینه:
آیا تا به حال به جریان آب در رودخانه دقت کرده‌اید؟ اگر هیچ مانعی در مسیر وجود نداشته باشد احتمالاً آب در خطی مستقیم و بسیار آرام حرکت می‌کند. این جریان لمینار (آرام) است. چنانچه جسمی مانند سنگ یا شاخه در مسیر آب باشد، آب به چرخش و جست و خیز درمی‌آید و جریان توربولنت (آشفته) به وجود می‌آید. حرکت‌های چرخشی آب گردابه نام دارند.
همین اتفاق هنگامی که باد در اطراف یک سازه‌ی بلند مانند ساختمان یا درخت می‌وزد رخ می‌دهد. این یک عامل بسیار مهم در هنگام قرار دادن توربین‌های بادی در مناطق مختلف است، زیرا بیشترین برق تولیدی از این توربین‌ها حاصل از وزش باد ثابت در یک جهت است. جریان ناپیوسته و توربولنت برق خروجی را کاهش می‌دهد و حتی می‌تواند به توربین‌ها آسیب بزند. در این فعالیت علمی شما با استفاده از جعبه‌های مقوایی به عنوان ساختمان نحوه‌ی تأثیر آنها بر باد خروجی از یک پنکه را بررسی می‌کنید.
البته دیدن جریان توربولنت در هوا بسیار دشوارتر از دیدن جریان توربولنت آب است. گاهی دانشمندان آزمایش‌هایی کنترل شده با استفاده از دودهای رنگی انجام می‌دهند تا بتوانند جریان هوا را مشاهده و بررسی کنند. در این فعالیت علمی شما با استفاده از یک نوار پارچه‌ای متصل به یک چوب یا میله جریان هوا را بررسی خواهید کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
پنکه
یک چوب یا میله با طول چند فوت
یک نوار پارچه‌ای با طول چند اینچ
جعبه‌ی مقوایی (ابعاد این جعبه بستگی به ابعاد پنکه دارد. هر چه پنکه بزرگتر باشد، جعبه‌ای که استفاده می‌کنید هم باید بزرگتر باشد. همچنین ممکن است لازم باشد چیزی در داخل جعبه قرار دهید تا وزن آن بیشتر شود و در جای خود باقی بماند.)
آماده‌سازی:
جعبه‌ی مقوایی را در فاصله‌ی چند فوتی از پنکه طوری قرار دهید که پنکه درست رو به آن باشد.
نوار پارچه‌ای را به سر چوب یا میله گره بزنید.
روش کار:
پنکه را روشن کنید.
اگر مستقیم روبه‌روی جریان باد پنکه نایستید بدن شما دخالتی در جریان نخواهد داشت. در این حالت با میله نوار پارچه‌ای را در ضلعی از جعبه که رو به پنکه است نگه دارید. نوار پارچه‌ای در چه جهتی حرکت می‌کند؟ آیا حرکت آن پیوسته است؟ به نظرتان این حرکت نشان از جریان لمینار دارد یا جریان توربولنت؟
حال نوار پارچه‌ای را روی ضلعی از جعبه که دور از جریان باد پنکه است نگه دارید. (میله باید بسیار نزدیک به جعبه باشد.) اکنون چه اتفاقی برای نوار پارچه‌ای می‌افتد؟ جریان هوا در این ناحیه توربولنت است یا لمینار؟
به تدریج نوار پارچه‌ای را در قسمتی از جعبه که دور از جریان باد پنکه است از جعبه دور کنید. با دور شدن نوار پارچه‌ای از جعبه چه اتفاقی می‌افتد؟ این مشاهدات چه چیزی را در مورد جریان هوا در این ناحیه بیان می‌کند؟
با این مشاهدات چه نتیجه‌ای در مورد جریان هوا در اطراف سازه‌های بلند می‌گیرید؟ این مسئله چه تأثیری بر انتخاب محل مناسب برای قرار دادن توربین‌های بادی می‌گذارد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
بررسی کنید که با تغییر سرعت باد پنکه نتایج چگونه عوض می‌شوند.
همین فعالیت را با جعبه‌هایی در ابعاد مختلف انجام دهید. نتایج چه تغییری می‌کنند؟
این فعالیت را با اجسامی با شکل‌های مختلف و حتی نامنظم مانند وسایل خانه و گیاهان خانگی انجام دهید. نتایج چه تغییری می‌کنند؟
میله و نوار پارچه‌ای متصل به آن را در یک روز که باد می‌وزد به خارج از خانه ببرید. جهت وزش باد را تعیین کنید و اجسامی بزرگ مانند ساختمان یا درخت برای آزمایش جریان هوا انتخاب کنید. اگر نوار پارچه‌ای را در نزدیکی گوشه‌ای از یک ساختمان یا پشت یک درخت نگه دارید چه اتفاقی می‌افتد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
هنگامی که نوار پارچه‌ای را در مقابل جریان باد (جلوی جعبه) نگه می‌دارید، نوار به صورت پیوسته و در یک جهت حرکت می-کند. دلیل آن است که جریان هوای این ناحیه لمینار (یا مستقیم) است. با این حال هنگامی که نوار پارچه‌ای را پشت جعبه نگه می‌دارید نوار در تمام جهات (حتی به عقب) حرکت می‌کند. دلیل این اتفاق آن است که سازه‌ی میانی (جعبه) جریان مستقیم و لمینار را قطع می‌کند و آشفتگی (توربولنسی) ایجاد می‌کند. هر چه فاصله‌ی نوار را از جعبه بیشتر کنید و آن را عقب ببرید، حرکت آن مجدداً آرام، پیوسته و مستقیم می‌شود، زیرا جریان هوا پس از توربولنت شدن در عبور از جعبه به تدریج به حالت اولیه‌ی خود (لمینار) برمی‌گردد. این مسئله هنگام کار گذاشتن توربین‌های بادی بسیار مهم است، زیرا این توربین‌ها نباید در نزدیکی ساختمان‌های بزرگ باشند. ساختمان‌ها تولید توربولنسی می‌کنند که عملکرد توربین‌های بادی را دچار اغتشاش می‌کند.
منبع:
Wild Winds
منابع مفید:
توربین بادی چگونه کار می‌کند؟
توربین‌های هیدروالکتریک
توربین‌های الکترومکانیکی
بادبادن‌ها را بکشید!
دمیدن در باد
ناوبری هواپیما در باد
فیزیک چنبره‌های گردابی
بادنما
ساخت هلیکوپتر کاغذی
توربین بادی-ویکیپدیا
آشفتگی-ویکیپدیا
جریان آرام-ویکیپدیا
HyperPhysics
HyperPhysics: Turbulent Flow
Wind Turbines