Kodėl sukasi vėjo malūnai?
Trumpas atsakymas: Vėjas stumia mentes ir verčia jas suktis. Mentės yra tokios formos, kad oras judėtų greičiau vienoje pusėje, sukurdamas slėgio skirtumą, kuris sukuria keliamąją jėgą ir suka ratą.
Paprastas paaiškinimas
Ką tai reiškia?
Vėjo malūnai sukasi, nes judantis oras stumia ir traukia jų mentes. Mentės yra lėktuvo sparnų formos, todėl oras vienoje pusėje juda greičiau. Greitesnis oras toje pusėje sukuria mažesnį slėgį, o didesnis slėgis kitoje pusėje stumia mentę.
Šis slėgio skirtumas vadinamas keliamąja jėga. Menės taip pat stumia orą atgal, kai sukasi. Stumiant orą atgal, mentės sukasi į priekį (trečiasis Niutono dėsnis: kiekvienas veiksmas turi lygiavertę ir priešingą atoveikinę reakciją).
Kai kurie vėjo malūnai vietoj keliamosios jėgos naudoja pasipriešinimą (paprastą vėjo stūmimą). Besisukantis velenas gali atlikti darbą, pavyzdžiui, pumpuoti vandenį arba sukti generatorių, kad gamintų elektrą. Inžinieriai projektuoja mentės formą, kampą ir dydį, kad sugautų kuo daugiau vėjo energijos.
Mokslas
Norintiems suprasti tiksliau
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikis/Dėsnis: Bernulio principas ir trečiasis Niutono dėsnis.
Šiuolaikinių vėjo jėgainių (turbinų) mentės veikia kaip sparnai. Kai vėjas teka per mentę, oro greitis vienoje pusėje padidėja, o kitoje sulėtėja. Pagal Bernulio principą, greitesnis oras turi mažesnį slėgį, todėl pusė, kurioje yra greitesnis oras, yra traukiama link mažesnio slėgio.
Ši trauka kartu su slėgiu kitoje pusėje sukuria keliamąją jėgą, kuri suka mentę. Tuo pačiu metu mentė nukreipia orą atgal. Pagal trečiąjį Niutono dėsnį, oro stūmimas atgal sukuria mentei priekinę jėgą, kuri padeda jai suktis.
Kai kurie modeliai labiau remiasi pasipriešinimu (tiesioginiu stūmimu) nei keliamąja jėga, tačiau keliamosios jėgos pagrindu veikiančios mentės paprastai sukasi efektyviau. Vėjo kinetinė energija velene tampa sukimosi mechanine energija. Prie veleno pritvirtintas generatorius paverčia šį sukimąsi elektra, judindamas magnetus šalia vielos ričių.
Kaip mes tai žinome: Inžinieriai matuoja jėgas ir galią vėjo tuneliuose ir ant tikrų turbinų ir lygina rezultatus su fizikiniais modeliais. Lauko bandymai ir prietaisų duomenys rodo, kad mentės sukuria keliamąją jėgą ir generuoja nuspėjamus energijos kiekius .
Pavyzdžiai gamtoje
- Seni olandiški vėjo malūnai, malantys grūdus arba pumpuojantys vandenį
- Šiuolaikinės vėjo turbinos vėjo jėgainių parkuose, gaminančios elektrą
- Mažos ant stogų montuojamos vėjo turbinos, naudojamos namams ar laivams
- Žaisliniai vėjo malūnėliai, kurie sukasi ant pagaliuko vėjyje
- Savonijaus vėjo malūnai (statinės formos), kurie sukasi naudojant pasipriešinimą
Namų Darbai
Pasigaminkite popierinį vėjo malūnėlį
Sauga: Atsargiai naudokite žirkles ir, jei reikia, paprašykite suaugusiojo pagalbos.
Priemonės
- kvadratinis popierius
- pieštukas su trintuku
- smeigtukas
- žirklės
- liniuotė
Žingsniai
- Iškirpkite popieriaus kvadratą (apie 15 cm). Nubrėžkite X linijas nuo kiekvieno kampo link centro, sustodami 2 cm atstumu nuo vidurio.
- Kirpkite išilgai kiekvienos linijos ir sulenkite kas antrą kampą link centro.
- Įsmeikite sulankstytus kampus į centrą ir pritvirtinkite juos smeigtuku per pieštuko trintuką, kad smeigtukas galėtų suktis.
- Laikykite pieštuką ir papūskite į vėjo malūnėlį arba išeikite į lauką vėjuotą dieną stebėti, kaip jis sukasi. Ką rodoma: Kaip judantis oras spaudžia kampuotas mentes, kad objektas suktųsi.
Žodynas
- Bernulio principas: taisyklė, teigianti, kad greičiau judančio oro slėgis yra mažesnis nei lėtesnio oro.
- Keliamoji jėga: jėga, kuri stumia objektą iš aukšto slėgio srities į žemo slėgio sritį, dažnai sukeldama jam kilimą arba posūkį.
- Tempimo jėga: vėjo stūmimo jėga, kuri priešinasi judėjimui arba stumia objektą vėjo kryptimi.
- Turbina: įtaisas su mentėmis, kuris sukasi, kai pro jį teka skystis (pvz., oras ar vanduo).
Atsakymai į klausimus
Ar vėjo malūnams suktis reikia labai stipraus vėjo?
Ne visada – daugelis gali suktis ir esant silpnam vėjui, bet stipresnis vėjas priverčia juos suktis greičiau ir gaminti daugiau energijos.
Kodėl turbinų mentės tokios didelės?
Didesnės mentės prapučia daugiau oro ir gali surinkti daugiau vėjo energijos, todėl jos gamina daugiau energijos.
Ar vėjo malūnai gali veikti naktį?
Taip. Vėjo malūnai veikia, kai pučia vėjas, dieną ar naktį.