آموزش: توربين بادي چگونه کار مي‌کند؟

مفاهیم کلیدی:
 انرژی، توان، نیرو، ماشین‌ها
مقدمه:
آیا تا به حال در خلاف جهت وزش یک باد شدید دوچرخه سواری کرده‌اید؟ این کار باید خیلی سخت باشد. اما اگر باد موافق جهت حرکت شما بوزد چطور؟ در این صورت به راحتی می‌توانید دوچرخه سواری کنید. در این فعالیت علمی شما با نحوه‌ی عملکرد ماشین‌های بادی از جمله توربین‌ها تحت وزش باد آشنا خواهید شد.

پیش‌زمینه:
توربین‌های بادی ماشین‌هایی هستند که انرژی باد را به انرژی مکانیکی یا الکتریکی تبدیل می‌کنند. آسیاب‌های بادی یک مثال از توربین‌های بادی هستند که انرژی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

 هلند کشوری است که آسیاب‌های بادی زیادی دارد و برای قرن‌ها از آنها جهت آسیاب کردن غلات، زه‌کشی و بریدن چوب استفاده کرده است. مزرعه‌های بادی نیز مکان‌هایی هستند که در آنها توربین‌های بادی، انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در کالیفرنیا تعداد بسیار زیادی از این مزارع وجود دارد که مستقیماً متصل به شبکه‌ی برق هستند و 5 درصد از برق مورد نیاز ایالت را تولید می‌کنند.

توربین بادی یک قسمت چرخان تیغه‌دار دارد که به یک میله متصل است. وقتی که باد به تیغه‌ها برخورد می‌کند قسمت چرخان ماشین به حرکت درمی‌آید و در نتیجه میله‌ی متصل به آن نیز شروع به چرخش می‌کند. از چرخش میله می‌توان برای انجام کارهای مختلف و تولید انرژی مکانیکی و الکتریکی استفاده کرد. هرچه باد شدیدتری به تیغه‌ها برخورد کند، میله سریع‌تر می‌چرخد و انرژی تولیدی بیشتر خواهد بود. 

 
مواد و وسایل لازم:
 یک فرفره‌ی کوچک (می‌توانید خودتان آن را با استفاده از کاغذ، مداد یا خودکار، یک میله‌ی چوبی و قیچی بسازید.)
 سشوار (اختیاری)

آماده‌سازی:
 اگر فرفره ندارید، همین حالا با انجام مراحل زیر یک فرفره برای خودتان بسازید. 
 یک کاغذ را به شکل یک مربع به ابعاد 8.5 در 8.5 اینچ ببرید. 
 مربع را روی یکی از قطرهای آن تا کنید و دوباره آن را باز کنید. حالا آن را روی قطر دیگر مربع تا کنید و دوباره آن را باز کنید. حالا مربع شما باید خط تایی به شکل X روی خود داشته باشد. 
 حالا روی قطرها (تاخوردگی‌ها) به اندازه‌ی 2 اینچ از مرکز مربع با یک مداد یا خودکار علامت بزنید.
 با یک میله‌ی نوک تیز چهار سوراخ در نزدیکی چهار گوشه‌ی مربع و در سمت راست خط تا ایجاد کنید. به تصویر زیر نگاه کنید تا بهتر متوجه شوید. یک سوراخ نیز در وسط مربع ایجاد کنید.

 با یک قیچی، از گوشه‌های مربع روی خط تا برش بزنید تا به نقطه‌هایی که علامت زدید برسید. 
 در آخر، سوراخ‌های گوشه‌های مربع را بلند کنید و آنها را به ترتیب به سمت داخل و میله‌ی وسطی تا کنید به طوری که تمام سوراخ‌ها در مرکز مربع روی هم قرار بگیرید. حالا یک فرفره‌ی دست‌ساز دارید.

 
روش کار:
 اگر بخواهید، می‌توانید از یک سشوار به جای فوت کردن برای ایجاد باد استفاده کنید. دقت کنید که شدت باد سشوار کم باشد و فاصله‌ی آن با فرفره را ثابت نگه دارید.

 فرفره را در مقابل صورت خود قرار دهید و آن را فوت کنید. فرض کنید فرفره یک توربین بادی است و زمانی که در این جهت می‌چرخد انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. پره‌های فرفره در چه جهتی می‌چرخند؟ در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن؟ آیا سریع می‌چرخند؟
 فرفره را 90 درجه به راست بچرخانید به طوری که جلوی آن به سمت راست شما باشد. حالا صورت شما در مقابل قسمتی از فرفره قرار دارد در حالت قبل در سمت چپ شما قرار داشت. حالا به سمت قسمت بالایی فرفره فوت کنید. سعی کنید با قدرت یکسان در تمام مرحله‌ها فوت کنید و فاصله‌تان با فرفره را نیز ثابت نگه دارید. پره‌ها به کدام سمت می‌چرخند؟ جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن؟ سرعت چرخش آنها در مقایسه با حالت قبل چگونه است؟
 فرفره را در همان حالت نگه دارید و حالا قسمت پایین آن را فوت کنید. سعی کنید مثل حالتهای قبل به آن فوت کنید. پره‌ها در کدام جهت و با چه سرعتی می‌چرخند؟ در مقایسه با حالتهای قبل چه تغییری مشاهده می‌کنید؟ 
 حالا فرفره را طوری بچرخانید که روبروی آن در جهت چپ شما قرار بگیرد و صورت شما به سمت پهلوی فرفره قرار داشته باشد. به طور مشابهی که در مراحل قبل انجام دادید، قسمت بالایی فرفره را فوت کنید. سپس قسمت پایینی آن را فوت کنید. پره‌ها هر بار در چه جهتی و با چه سرعتی می‌چرخند؟

 به طور کلی، جهت برخورد باد با فرفره چه تأثیری روی نحوه‌ی چرخش پره‌ها دارد؟ اگر فرفره یک توربین بادی باشد که با وزش باد انرژی الکتریکی تولید کند، با وزش باد از چه جهتی بیشترین میزان انرژی الکتریکی را تولید می‌کند؟

آزمایش‌های تکمیلی:
 این آزمایش را با استفاده از فرفره‌های مختلف تکرار کنید. آیا نتایج مربوط به تمام فرفره‌ها یکسان است؟
 اگر به دنبال فعالیت علمی جالب‌تری هستید، می‌توانید میزان توان فرفره را زمانی که به آن در جهت‌های مختلف فوت می‌کنید اندازه‌گیری کنید. برای این کار، باید پره‌های فرفره را به یک میله‌ی چوبی متصل کنید تا با چرخیدن پره‌ها میله‌ی چوبی نیز بچرخد. میله را از داخل یک قوطی مقوایی رد کنید تا از جای خود تکان نخورد. در انتهای میله یک تکه نخ کوچک گره بزنید و به آن وزنه‌ای کوچک مثل گیره‌ی کاغذ آویزان کنید. زمانی که فرفره را فوت می‌کنید، با چرخش میله وزنه باید بلند شود.

مشاهده و نتیجه‌گیری:
زمانی که مستقیم به فرفره فوت کردید، آیا پره‌ها در جهت خلاف عقربه‌های ساعت چرخیدند؟ 
تیغه‌ی بیشتر فرفره‌ها طوری ساخته شده‌اند که زمانی که باد از مقابل به آنها برخورد می‌کند، در جهت خلاف عقربه‌های ساعت می‌چرخند. دلیل این اتفاق این است که پره‌ها باد ورودی را می‌گیرند که این باد پره‌ها را به سمت خلاف عقربه‌های ساعت هل می‌دهد. می‌توانید چند فرفره‌ی مختلف را نگاه کنید تا متوجه این ساختار شوید. زمانی که باد به داخل فضای پره‌ها وارد شود. پره‌ها به خوبی می‌چرخند. در نتیجه، اگر یک فرفره با ساختار معمولی دارید، آن را طوری نگه دارید که جلوی آن در سمت راست شما قرار بگیرد و از پهلو به آن فوت کنید. اگر به قسمت پایینی فرفره فوت کنید، پره‌ها در جهت خلاف عقربه‌های ساعت و با سرعت بسیار بالا خواهند چرخید. در حالی که اگر به قسمت بالایی آن فوت کنید، پره‌ها در جهت عقربه‌های ساعت و با سرعت کم می‌چرخند. به طور مشابه، اگر جلوی فرفره به سمت چپ شما باشد و بغل فرفره در مقابل شما باشد. اگر قسمت بالای فرفره را فوت کنید پره‌ها در جهت خلاف عقربه‌های ساعت و با سرعت بسیار بالا خواهد چرخید. درحالی‌که اگر قسمت پایین را فوت کنید پره‌ها با سرعت کم در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند.

رشد