انرژي آب

چرخهاي آبي
مصرف آب به عنوان دومين منبع انرژي (بعد از آتش) براي بشر محسوب مي‎شود. از اين‎رو چرخهاي آبي در تاريخ توسعه و مصرف انرژي، نقش مهمي ايفا مي‎كنند. چرخهاي آبي دستگاه‎هاي مكانيكي ساده‎اي هستند كه ما مي‎توانيم براي درك برخي مفاهيم هم و كليدي از آنها ياري جوئيم.

انرژي جنبشي
براي درك و روشن شدن، مطلب را با مثال ساده‎اي آغاز مي‎كنيم. اگر در حال عبور از نهر ابي باشيم، اين حس در ما ايجاد مي‎شود كه آب در جهت خلاف پاهاي ما به شدت عبور مي‎كند. در نهرهايي كه جريان آب در آنها تند باشد بايد مراقب باشيم كه شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همين‎طور كشش و فشار امواج را هنگام گذر از كنار دريا حس مي‎كنيم. گاهي اوقات هنگام نزديك شدن امواج،‌ مي‎توانيم سريع پاهايمان را كنار بكشيم، يقيناً اگر در زير يك آبشار باشيم، فشار

آب را روي بدنمان احساس مي‎كنيم. اگر اندكي اين چرخ را در نحري كه آب در آن جريان دارد،‌ داخل كنيم. جريان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار مي‎آورد، درست همانند زماني كه ما داخل آب هستيم شويم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط يك پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ مي‎شود. اگر محور چرخ را به يك دستگاه وصل كنيم قادر به انجام كار مفيد، نظير آسيا كردن غلات مي‎باشيم. پايه و اساس چرخ
آبي، درك مفهوم فوق مي‎باشد.
حال، مشاهده‎اي مرتبط در اين زمينه را در نظر مجسم سازيد: زماني كه داخل يك استخر يا حوض مخصوص شنا ايستاده‎ايم و يا در حال گذشتن از آن هستيم، هيچ نگران اين قضيه نيستيم كه جريان آب موجب عدم تعادل و نهايتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبي هم صدق مي‎كند.

 

قرار دادن چرخ آبي در استخر شنا، مانع حركت چرخ مي‎شود. به تفاوتي بين شرايط فعلي و ا اينكه خيلي كند مي‎باشد. تنها آب جريا (متحرك) باعث هل دادن و به حركت درآوردن ما و همين‎طور باعث چرخاندن، چرخ آبي مي‎شود. به حركت درآمدن ما و چرخ آبي، بيانگر انجام كار مي‎باشد. تنها آب جاري،‌ توان انجام كار را دارد. مطلب فوق مبين اين مسئله است كه آب جاري (آبي كه داراي حركت باشد) داراي نوع انرژي مي‎باشد. همان‎طوري كه قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبي را به يك دستگاه مكانيكي وصل كنيم، دستگاه قادر به انجام كار نظير: آسيا كردن فلات يا اره كردن چوب مي‎باشد. تعميم عبارت فوق بيان اين مطلب است كه:
«انرژي جنبشي، باعث انجام كار مي‎شود.»

انرژي پتانسيل
حال روش مقرون به صرف نيز، استفاده از يك چرخ آبي را در نظر مجسم سازيد،‌با در نظر گرفتن مزيت آبشار و انرژي جنبشي آبي كه از آن سرازير مي‎شود، چرخ‎هاي چرخ‎دنده مي‎چرخد و كار انجام مي‎گيرد. حجمي از آب را درست در نقطه ‎A در نظر بگيريد، آيا آن مقدار از اب قادر به انجام كار مي‎باشد؟ خير؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژي جنبشي مي‎باشد. البته بايد بر اين مسئله واقف باشيم كه آب در نقطه ‎A انرژي جنبشي ندارد اما پتانسيل كسب انرژي جنبشي

را دارد. براي درك مطلب فوق مي‎توانيم بگوئيم كه آب در نقطه ‎A داراي انرژي پتانسيل مي‎باشد. چه عاملي باعث سرازير شدن آب مي‎گردد؟ نيروي جاذبه زمين، آب را به مركز زمين مي‎كشد، بايد گفت كه آب در نقطه «A» انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد. انرژي پتانسيل جاذبه، نيتولي مي‎باشد كه باعث كشيده شدن اشياء به طرف مركز ثقل مي‎شود.
حال سه نكته ديگر را به آن اضافه مي‎نمائيم. اولاً: انرژي پتانسيل بالقوه انرژي جنبشي مي‎باشد يا (انرژي پتانيل قابل تبديل به انرژي جنبشي مي‎باشد). ثانياً‌ در نقطه ‎B آب به پره‎هاي چرخ آبي ضربه مي‎زند و موجب انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً حركت چرخ كه همان انجام كار مي‎باشد مي‎شود. در واقع نقطه ‎B مكاني فعال است. تصور كنيد كه براي حجم آب در نقطه ‎C چه روي

مي‎دهد؟ ممكن است اين‎طور در ذهن تداعي شود كه انرژي پتانسيل در نقطه ‎C به آخر مي‎رسد. اما قضيه فوق كاملاً درست نيست زيرا عملاً به آبشاري ديگر كه در حال سرازير شدن در نهر است برخورد مي‎كند، پس آب در نقطه ‎C، هنوز انرژي پتانسيل جاذبه را دارا مي‎باشد،‌ در واقع آب

همشيه، قدري انرژي پتانسيل جاذبه را دارا مي‎باشد مگر آنكه نقطه ‎C مركز ثقل زمين باشد.
بيشترين و بالاترين ميزان انرژي پتانسيل در نقطة ‎A مي‎باشد. آب هنگام سرازير شدن از آبشار قدري از انرژي پتانسيلش، به انرژي جنبشي تبديل مي‎شود و انرژي جنبشي آب در حال سرازير شدن از آبشار، قادر به انجام كارو چرخاندن چرخ آبي مي‎باشد.

تغيير خودبخود و نمودار انرژي
از مشاهدات و دانسته‎هاي خود بر اين مسئله واقف هستيم كه اشياء همواره در حال سقوط مي‎باشند. اين مسئله شامل حال ما هم مي‎شود به عنوان مثال: هنگام سكندري خودرن و افتادن. هر شيئي متحرك، خودبخود از انرژي پتانسيل جاذبه بالا به سمت نيروي پتانسيل جاذبه پايين، سقوط مي‎كند همچنين مي‎دانيم كه اشياء، خودبخود به سمت بالا نمي‎روند. (گاهي اوقات، ممكن است در سينما يا تلويزيون، هنگامي كه فيلم به عقب برمي‎گردد، شاهد اين مسئله باشيم كه اشخاص يا اشياء به طرف بالا مي‎روند. اين مسئله جنبه فكاهي دارد و كاملاً برخلاف تجارب همول و قابل انتظار مي‎باشد. براي هر رويداد طبيعي يك مسير معقول و غيرمعقول وجود دارد. سيب از درخت مي‎افتد، اما دوباره به سمت شاخه برنمي‎گردد. ذرات شكر در قهوه حل مي‎شوند آنها دوباره در فنجان شكل نمي‎گيرند.
بنابراين، اشياء از پتانسيل جاذبه بالا به پتانسيل جاذبه پايين حركت مي‎كنند هنگام استفاده از چرخ آبي، اگر تغيير انرژي از پتانسيل بالا به پتانسيل پايين باشد مي‎توانيم انرژي جنبشي را از آن استخراج نمائيم.
در واقع مي‎توانيم سيستم را (آب، آبشار و چرخ آبي) در ‌نموداري ساده تعريف نمائيم نمودار فوق، تا حدودي، مشابه نموداري مي‎باشد كه پيش از اين در نمودار (۵۰۵) براي سيستمي ديگر (يك اتم كربن، ۴ اتم هيدروژن و چهار اتم اكسيژن) معرفي نموديم و از آن مي‎توانيم انرژي، استخراج نمائيم در مورد تغييرات شيميايي فوق، از سيستمي با انرژي پتانسيل شيميائي بالا كه همسان با سيستم انرژي پتانسيل جاذبه بالا مي‎باشد، صحبت مي‎شود. در واقع اين دو تودار به قدري شبيه به هم هستند كه مي‎توانيم از آنها نمودار انرژي واحدي ترسيم نمائيم. كه هر دو سيستم در آن كاربرد دارد. نمودار فوق به منظور شرح و توصيف يك سري از سيستمهاي مشابه استفاده مي‎شود.
مفهوم كليدي نمودار فوق مطلب زير مي‎باشد:
«زماني كه سيستم به دستخوش يك سري تغييرات خودبخود از پتانسيل جاذبه بالا به پتانسيل جاذبه پايين مي‎شود ما مي‎توانيم انرژي (يا كار) را از آن استخراج نمائيم.

انواع چرخ آبي
ساده‎ترين و اساسي‎ترين طراحي در چرخهاي آبي، چرخ آبي ‎undershot (چرخ آبي كه آب از زير آن مي‎گذرد و موجب چرخيدن چرخ مي‎شود) مي‎باشد. ابتدائي‎ترين طراحي، چرخ پره‎دار ساده‎اي بود كه داخل نهر يا رودخانه قرار داشت. چرخ آبي فوق در مناطقي همچون دانمارك شمالي و چين قرار داشت و از آن براي آسيا كردن برنج استفاده مي‎شد. اين چرخ آبي در مخروبه‎هاي پمپي ‎(Pompei) كه شهري مدفون در زير گدازه‎هاي آتشفشان بود، پيدا شد. همچنين، چرخ قوماً عملاً داراي يك

سري مشكلات بود. كاري كه به وسيله اين چرخ آبي انجام مي‎گرفت، ‌نشأت گرفته از انرژي جنبشي آب و شدت جريان آب بود. تغييرات فصلي، موثر در جريان آب رودخانه و نتيجتاً كار و نيروي انجام گرفته تسوط چرخ بود. نوسانات فصلي، در ميزان ذخيرة آب خيلي مؤثر بودند. در آب و هواي داغ و در زمان خشكسالي، سطح آب رودخانه، به قدري پايين بود كه آب كافي براي چرخاندن چرخ وجود

نداشت. هنگام سيل، به قدري آب رودخانه بالا مي‎آمد كه تمام چرخ در آب فرو مي‎رفت. علي‎رغم تمام نقايص، چرخ فوق ‎- ‎undershot‎- براي مدتها، در سراسر دنيا قابل استفاده بود. سهولت، سادگي و همين‎طور كم هزينه بودن آن باعث استفاده طولاني و مستمر از اين چرخ شد. در چرخ آبي، خصو

صاً چرخ آبي پره‎داري كه آب براي چرخاندن آن، از زير چرخ مي‎گذرد، ميزان قابل ملاحظه‎اي از انرژي، هنگام ضربه زدن آب به پره‎هاي چرخ، به هدر مي‎رود. تا سال ۱۸۰۰، هيچ تغيير و تحولي در طراحي چرخ آبي بوجود نيامد. بازنگري و تغيير در طراحي چرخ، كاملاً ساده و اسان بود: شكل پره‎ها تغيير كرد. در طرخح پيشرفته كه چرخ آبي پاسلت ‎Povcelet undershot wheel يا به طور ساده‎تر چرخ پانسلت ناميده مي‎شد، پره‎ها يا پدال‎هاي چرخ طوري طراحي شده بودند كه تلاطم آب، موجب اتلاف حداقل ميزان انرژي مي‎شد. انحناي پدال‎ها، موجب سرعت چرخش چرخ و انتقال انرژي جنبشي به آن براي چرخش چرخ مي‎شد. آب با سرعت تقريباً صفر،‌ باعث انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً چرخش چرخ مي‎شود. چرخ پانسلت ‏‎-‎Poncelet‏‎- هفتاد الي هشتاد و پنج درصد در انتقال انرژي جنبشي آب به كار مؤثر بود. اما چرخ يا پره‎هاي مسطح بيست الي بيست و پنج درصد در اين انتقال مؤثر بود. در چرخ ‎overshot، آب از بالاي چرخ به پايين سرازير مي‎شود. نمودار (۸۰۸). در مواردي كه جريان آب رودخانه، كند باشد، چرخ ‎overshot به ‎undershot ارجحيت دارد. در واقع چرخ ‎overshot در هرنري كه مجهز به سد باشد، قابل استفاده مي‎باشد. در چنين نهري، همواره ميزان ثابتي از آب را در طول سال خواهيم داشت. در فصول گرم و خشك سال، هميشه، ذخيره آب را در نهر داريم و در فصل سرما نيز آب مازاد از مجراي سد، مي‎گذرد. تاريخچه چرخ ‎overshot به قرن سوم بعد از ميلاد بازمي‎گردد و تصاويري از آن بر ديواره‎هاي گورستان دوم باستان حك شده است. چرخ ‎overshot عمود بر يك محور افقي مي‎باشد. تيغه‎هاي چرخ طوري طراحي شده‎اند كه آن را به دو بخش مجزا تقسيم مي‎كنند. آب از بالا، داخل يان دو بخش (سطل) مجزا مي‎ريزد.

د چرخ فوق، تنها جزئي از كار در اثر برخورد آب با تيغه‎ها، صورت مي‎گيرد و قسمت اعظم آن از شدت جريان آب سرازير شده از سطلها مي‎باشد كه موجب چرخش چرخ مي‎شود. ميزان كارآئي و بازدهي چرخ فوق شصت و پنج الي هشتاد درصد مي‎باشد. با نصب سد كه چرخ در مكاني پايين‎تر از آن كه به منظور سرازير شدن آب از بالا بر آن شود، قرار مي‎گيرد. اين مجرا به عنوان گذرگاه اصلي ‎- مبدأ ‎- ‎head race‎- شناخته مي‎شود. مجراي ديگري نيز در اينجا لازم مي‎باشد كه موجب جاري شدن آب به سطح پايين‎تر (انرژي پتانسيل جاذبه زمين) مي‎شود. آبي كه از گذرگاه مبدأ اصلي به داخل سطل مي‎ريزد، موجب چرخاندن چرخ در آن زمان مي‎شود.

چرخهاي آبي در جهان باستان

چرخ آبي، دستگاهي است كه استخراج انرژي از يك سيستم را ميسر مي‎سازد. به عنوان مثال آب در حال سرازير شدن كه از انرژي پتانسيل بالا به انرژي پانسيل پايين منتقل مي‎شود. اگر دستگاهي را به محور چرخ آبي متصل كنيم، مي‎توانيم از انرژي جنبشي براي انجام كار استفاده نمائيم.
در واقع چرخ آبي اولين دستگاهي بود كه عملاً بشر را از اتكاء به ماهيچه‎هايش يا به بيگاري گرفتن حيوانات براي انجام كار، رها نمود. اطلاعي از زمان و مكان پيدايش چرخهاي آبي در دست نيست و حتي اطلاعي از اينكه چه شخصي باعث پيشرفت و توسعه آن شد، نيست. حدوداً ۳۰۰ سال قبل از ميلاد، مصارف ديگري از چرخ آبي مي‎شد. آنها،‌ با طناب به سطلهايي براي بالا آوردن آب وصل مي‎شدند كه از آن براي مصارف خانگي و يا آبياري زمينهاي كشاورزي استفاده مي‎شد. اين،

ساده‎ترين و ابتدائي‎ترين كاربرد چرخ آبي بود، ‎Noria، چرخ پره‎دار ساده‎اي بود كه با جريان آب رودخانه، حركت مي‎كرد و به شتر در مديترانه رواج داشت. ‎Noria چندان عمري نداشت زيرا بلافاصله چرخ ديگري كه در پايين به شرح آن مي‎پردازيم، بوجود آمد. علت پيدايش اين چرخ جديد،‌ به خاطر نياز ‎Noria به ذخيره زياد آب بوده است. براي آسيا كردن غلات و استخراج روغن از زيتون، كاربرد داشتند. اين چرخها، معروف به چرخهاي افقي مي‎باشند و ميله عمودي نصب شده بر روي آن، مستقيماً سبب حركت سنگ آسيا مي‎شود. چرخهاي افقي هم مشكلات و معضلاتي را با خود به همراه داشتند. از جمله آن كه بايد مجهز به نوعي مجرا يا كانال باشند كه موجب انتقال آب

 

به يك طرف چرخ و نهايتاً چرخاندن چرخ شود. از اين‎رو، چرخهاي افقي در نهرها كه شدت جريان آب در آن شد مي‎باشد (نظير نواحي كوهستاني شمال تركيه و يونان) كارآيي داشتند. لازم به ذكر است كه سرعت سنگ آسيا، دقيقاً برابر سرعت چرخ آبي و سرعت چرخ آبي هم بسته به سرعت جريان آب مي‎باشد.