مقدمه:
يكي  از عجيب ترين كشفيات انسان دسترسي به فضا است كه پيچيدگي و مشكلات خاص خود را دارد. راه يابي به فضا پيچيده است، چرا كه بايد با بسياري از مشكلات روبرو شد. مثلا:

- وجود خلا در فضا

- مشكلات گرما و حرارت

- مشكل ورود مجدد به زمين

- مكانيك مدارها

- ذرات و باقي مانده هاي فضا

- تابش هاي كيهاني و خورشيدي

- طراحي امكانات براي ثابت نگه داشتن اشيا در بي وزني

ولي بزرگترين مشكل ايجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپيما از زمين است كه براي درك اين موضوع بايد به بررسي طرز كار موتورهاي موشك پرداخت.

در يك ديدگاه ساده، مي توان موتورهاي موشك را به آساني و با هزينه اي نسبتا كم طراحي كرد و حتي آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهيم مسئله را در سطح كلان بررسي كنيم با مشكلات و پيچيدگي هاي بسياري مواجه هستيم و اين موتورهاي موشك (و به خصوص سيستم سوخت آن ها) آنقدر پيچيده است كه تا به حال تنها سه كشور توانسته اند با استفاده از اين فناوري انسان را در مدار زمين قرار دهند.

در اين مقاله ما موتورهاي موشك هاي فضايي را مورد بررسي قرار مي دهيم تا با طرز كار و پيچيدگي هاي آن ها آشنا شويم.

نكات پايه اي:

عموما وقتي كسي درباره موتورها فكر مي كند، خود به خود مطالبي درباره چرخش برايش تداعي مي شود.براي مثال حركت متناوب پيستون در موتور بنزيني كه انرژي چرخشي براي به حركت در آوردن چرخ ها را توليد مي كند. و يا موتور الكتريكي كه با توليد ميدان الكتريكي كه با توليد ميدان مغناطيسي نيروي چرخشي براي پنكه يا سي دي رام توليد مي كنند. موتور بخار هم به طور مشابه كار مي كنند.

ولي موتور موشك از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشك ها موتورهاي واكنشي هستند.اساس كار موتور موشك برپايه ي قانون معروف نيوتون است كه مي گويد: "براي هر كنش واكنشي وجود دارد به مقدار مساوي ولي درجهت مخالف آن". موتور موشك نيز جرم را در يك جهت پرتاب مي كند و از واكنش آن در جهت مخالف سود مي برد.

البته تصور اين اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واكنش) ممكن است در ابتدا كمي عجيب به نظر بيايد، چرا كه در عمل بسيار متفاوت مي نماياند. انفجار، صدا و فشار چيزهايي است كه در ظاهر باعث حركت موشك مي شود و نه "پرتاب جرم".

بگذاريد تا با بيان چند مثال تصويري بهتر از واقعيت را روشن كنم:

● اگر تا به حال با اسلحه ي(به خصوص سايز بزرگ آن) shotgun شليك كرده باشيد،  متوجه مي شويد كه ضربه ي بسيار قوي اي، با نيروي بسيار زياد به شانه شما وارد مي كند.

يك اسلحه مقدار 1 انس فلز را به يك جهت و با سرعت 700 مايل در ساعت شليك مي كند و در واكنش شما را به عقب حركت مي دهد.

● اگر تا به حال شير آتش نشاني را ديده باشيد، متوجه مي شويد كه براي نگه داشتن آن بايد نيروي بسيار زيادي را صرف كنيد (اگر دقت كرده باشيد گاهي 2 يا 3 آتش نشان يك شير را نگه مي دارند) كه در اين جا شير آتش نشاني مثل موتور موشك عمل مي كند.

شير آتش نشاني، آب را در يك جهت پرتاب ميكند و آتش نشان ها از نيرو و وزن خود استفاده مي كنند تا در برابر واكنش  آن مقاومت كنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شير رها شود، شير به اين طرف و آن طرف پرتاب مي شود.

حال اگر آتش نشان ها روي يك اسكيت برد ايستاده باشند شير آتش فشاني آن ها را با سرعت زيادي به عقب مي راند.

● اگر يك بادكنك را باد كنيد و آن را رها كنيد، بادكنك  به پرواز در مي آيد، تا وقتي كه هواي داخل آن به طور كامل خالي شود. پس مي توان گفت كه شما يكم موتور موشك ساخته ايد. در اين جا چيزي كه به بيرون پرتاب مي شود مولكول هاي هواي درون بادكنك هستند.

بسياري از مردم فكر مي كنند كه مولكول هاي هوا اهميتي ندارند، در حالي كه اينطور نيست. هنگامي كه شما به آن ها اجازه مي دهيد تا از دريچه بادكنك به بيرون پرتاب شوند، بر اثر واكنش به وجود آمده بادكنك به جهت مخالف پرتاب مي شود.

در ادامه براي درك بهتر موضوع، به مثالي دقيق تر اشاره مي كنم:

● سناريوي توپ بيسبال در فضا:

شرايط زير را تصور كنيد،

مثلا شما لباس فضانوردان را پوشيده ايد و در فضا در كنار فضاپيما معلق مانده ايد و  چندين توپ بيسبال در دست داريد. حال اگر شما توپ بيسبال را پرتاب كنيد، واكنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حركت مي دهد.

سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگي دارد. همانطور كه مي دانيم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نيرو است، يعني:

F=m.a

همچنين ميدانيم كه هر نيرويي كه شما به توپ وارد كنيد، توپ نيز نيرويي مساوي ولي در جهت مخالف به بدن شما وارد ميكند كه همان واكنش است. پس مي توان گفت:

m.a=m.a

حال فرض مي كنيم كه توپ بيسبال 1 كيلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضايي هم 100 كيلوگرم باشد. پس با اين حساب اگر شما توپ بيسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب كنيد. يعني شما با دست خود به يك توپ بيسبال 1 كيلو گرمي، شتابي وارد كرده ايد كه سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واكنش آن روي بدن شما تاثير مي گذارد، ولي وزن بدن شما 100 برابر توپ بيسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بيسبال (يا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حركت مي كند.

حال اگر شما مي خواهيد از توپ بيسبال خود قدرت بيش تري بگيريد، شما دو انتخاب داريد: افزايش جرم يا افزايش شتاب وارده

شما مي توانيد يا يك توپ سنگين تر پرتاب كنيد و يا اينكه شما مي توانيد توپ بيسبال را سريع تر پرتاب كنيد (شتاب آن را افزايش دهيد)، و اين دو تنها كارهايي است كه مي توانيد انجام دهيد.

يك موتور موشك نيز به طور كلي جرم را در قالب گازهاي پرفشار پرتاب مي كند؛ موتور گاز را در يك جهت به بيرون پرتاب مي كند تا از واكنش آن در جهت مخالف سود ببرد. اين جرم از مقدار سوختي كه در موتور موشك مي سوزد بدست مي آيد.

عمليات سوختن به سوخت شتاب مي دهد تا از دهانه خروجي موشك با سرعت زياد بيرون بيايد.

وقتي سوخت جامد يا مايع مي سوزد و به گاز تبديل مي شود، جرم آن تغيير نمي كند بلكه تغيير در حجم آن است. يعني اگر شما مقدار يك كيلو سوخت مايع موشك را بسوزانيد مقدار يك كيلو جرم با حجمي بيشتر، از دهانه خروجي موشك با دماي بالا و سرعت زياد خارج مي شود. عمليات سوختن، جرم را شتاب مي دهد.
بياييد تا بيش تر درباره ي نيروي پرتاب بدانيم:

نيروي پرتاب:

قدرت موتور يك موشك را نيروي پرتاب آن مي گويند. نيروي پرتاب در آمريكا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سيستم متريك با واحد نيوتون شناخته شده است (هر 4.45 نيوتون نيروي پرتاب برابر است با 1 پوند نيروي پرتاب).

هر يك پوند نيروي پرتاب (4.45 نيوتون) مقدار نيروي است كه مي تواند يك شي 1 پوندي (453.59 گرم) را در حالت ساكن مخالف نيروي جاذبه زمين نگه دارد.

بنابر اين در روي زمين شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانيه (32 فوت در ثانيه در ثانيه) است.

منبع: http://www.howstuffworks.com

قانون صفرم ترموديناميك

قانون صفرم ترموديناميك بيان مي‌كند كه اگر دو سيستم با سيستم سومي در حال تعادل گرمايي باشند، با يكديگر در حال تعادلند.

قانون اول ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك كه به عنوان قانون بقاي كار و انرژي نيز شناخته مي‌شود، مي‌گويد كه حالت تعادل ماكروسكوپي يك سيستم با كميتي به نام انرژي دروني (U) بيان مي‌شود. انرژي دروني داراي خاصيتي است كه براي يك سيستم منزوي (ايزوله) داريم:

اگر به سيستم اجازهٔ برهم‌كنش با محيط داده شود، سيستم از حالت ماكروسكوپي اوليهٔ خود به حالت ماكروسكوپي ديگري منتقل مي‌شود كه تغيير انرژي دروني را براي اين تحول (فرآيند) مي‌توان به شكل زير نشان داد:

كه در اين فرمول W، كار ماكروسكوپي انجام شده توسط سيستم در برابر نيروي خارجي و Q مقدار گرماي جذب شده توسط سيستم در طي اين فرآيند است.

نمادگذاري

شميي و فيزيك

چون در شيمي و فيزيك سيستم مورد توجه است، گرما و كاري كه به سيمتم داده مي‌شود مورد نظر ماست و انرژي دروني را Q+W در نظر مي‌گيريم.(سيستم را بسته,در حالت سكون و در غياب ميداانها در نظر ميگيريم)

,

where

dU يك افزايش بي‌اندازه كوچك در انرژي دروني سيستم است.,

δQ يك مقدار بي‌اندازه كوچك از گرما كه به سيستم افزوده مي‌شود,

δW يك كار بي‌اندازه كوچك كه بر روي سيستم انجام مي‌شود و

δ نماد ديفرانسيل است.

---

 
قانون دوم ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك تنها بياني از تئوري كار و انرژي يا قانون بقاي انرژي است. يك آونگ ساده يا يك آونگ ايده‌آل براي هميشه به نوسان ادامه مي‌دهد. فيلمي از يك آونگ كه به جلو و عقب نوسان مي‌كند را در نظر بگيريد. اگر ما فيلم را برعكس نشان بدهيم، نخواهيم توانست آن را از حالت عادي تشخيص بدهيم.

اما برداري (نشانگري) براي زمان وجود دارد. دامنهٔ نوسان آونگ به تدريج كوجكتر مي‌شود. اگر توپي را از ارتفاع خاصي رها كنيد، در هر بار برخورد توپ با زمين، كمتر از دفعهٔ قبل بالا خواهد آمد. فيلمي از اين توپ در دنياي واقعي، هنگام پخش برعكس، متفاوت ديده خواهدشد. قطعات يخ در داخل فنجان چاي ذوب مي‌شوند در حالي كه چاي سردتر مي‌شود.

هيچ تناقضي با قانون اول ترموديناميك نخواهد داشت اگر ما ببينيم كه در داخل يك فنجان چاي قطعات يخ تشكيل شده و چاي گرمتر شود. اين با قانون بقاي انرژي سازگار است اما «ما هيچگاه چنين چيزي را نمي‌بينيم». قانون دوم ترموديناميك توضيح مي‌دهد كه چرا چنين چيزي اتفاق نمي‌افتد.

ساخت يك موتور گرمايي سيكلي (چرخه‌اي) كه جر جذب گرما از منبع و انجام كار مساوي با گرماي چذب شده تأثير ديگري بر محيط نداشته باشد، غير ممكن است.

يا مي‌توان گفت كه: ساخت ماشين گرمايي با بازدهي ۱۰۰ درصد غيرممكن است.

بيان كلازيوس

ساخت يك موتور سيكلي كه تأثيري جز انتقال مداوم گرما از دماي سرد به دماي گرم نداشته باشد، غير ممكن است.

ارتباط اين دو بيان

اين دو بيان قانون دوم ترموديناميك معادل (هم‌ارز) هستند. اگر بتوان يكي از آنها را نقض كرد، ديگري نيز نقض مي‌شود.

قانون سوم ترموديناميك

قانون سوم ترموديناميك مي‌گويد هنگامي كه انرژي يك سيستم به حداقل مقدار خود ميل مي‌كند، انتروپي سيستم به مقدار قابل چشم‌پوشي مي‌رسد. يا بطور نمادين: هنگامي كه

،

از رابطهٔ بين انرژي دروني و دما، رابطهٔ بالا را مي‌توان به صورت زير نوشت:

هنگامي كه ،

اما در هنگام كاربرد اين قانون بايد توجه داشت كه در اين دما () سيستم در حال تعادل است يا نه. زيرا با پايين آمدن دما، سرعت رسيدن به تعادل خيلي زياد مي‌شود.

 منبع: دانشنامه ويكي پديا

منبع : دانشنامه رشد

اگر از كسي سوال كنيد كه از واگن در حال حركت چگونه بايد پريد؟ چنين جوابي خواهيد شنيد: رو به جلو. اما اگر از او بخواهيد كه درباره پاسخ خود توضيح دهد، او با اعتماد كامل شروع به استدلال مي‌كند و اگر شما حرف او را قطع نكنيد، خودش به زودي سكوت اختيار مي‌كند، زيرا بنابر قوانين سرعت نسبي واقعا او بايد به عقب بپرد.

هنگام پريدن چه اتفاقي مي‌افتد؟

به عقب نپريد!

پريدن از واگن با يك ساك

روشن است كه آنچه گفته شد براي اجسام بي‌جان صادق نيست و خطر شكستن يك بطري وقتي از يك واگن در حال حركت به جلو ، به عقب پرتاب شود، كمتر از حالتي است كه بطري به جلو (در جهت حركت واگن) پرتاب شود.

پس چنانچه لازم باشد به دليلي از واگن بپريد و بخواهيد قبلا باري را كه با خود داريد پرتاب كنيد، بايد بار را به عقب پرتاب كنيد و خودتان به جلو بپريد.

ايجاد شده توسط: حسين خادم

منبع: دانشنامه رشد

انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديد پذير، بطور گسترده ولي پراكنده در دسترس مي‌باشد. تابش نامساوي خورشيد در عرض‌هاي مختلف جغرافيايي به سطح ناهموار زمين باعث تغيير دما و فشار شده و در نتيجه باد ايجاد مي‌شود. به علاوه اتمسفر كره زمين به دليل چرخش، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي‌دهد كه باعث ايجاد باد مي‌شود. انرژي باد طبيعتي نوساني و متناوب داشته و وزش دائمي ندارد.

از انرژي هاي بادي جهت توليد الكتريسيته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي توان استفاده نمود. استفاده از انرژي بادي در توربين هاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي شوند از نوع توربين هاي سريع محور افقي مي باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره ها زياد مي شود.

توربينهاي بادي چگونه كار مي كنند ؟

توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي نمايند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده و در نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود. توربين هاي بادي بر اساس يك اصل ساده كار مي كنند. انرژي باد دو يا سه پره اي را كه بدور روتور توربين بادي قرار گرفته اند را بچرخش در مي آورد. روتور به يك شفت مركزي متصل مي باشد كه با چرخش آن ژنراتور نيز به چرخش در آمده و الكتريسيته توليد مي شود.
توربين هاي بادي بر روي برج هاي بلندي نصب شده اند تا بيشترين انرژي ممكن را دريافت كنند بلندي اين برج ها به 30 تا 40 متر بالاتر از سطح زمين مي رسند. توربين هاي بادي در باد هايي با سرعت كم يا زياد و در طوفان ها كاملا مفيد مي باشند
همچنين مي توانيد براي درك بهتر چگونكي عملكرد يك توربين بادي به انيميشني كه به همين منظور تهيه شده توجه كنيد تا با چگونگي چرخش پره ها٬ شفت و انتقال نيروي مكانيكي به ژنراتور و در كل نحوه عملكرد يك توربين بادي آشنا شويد.

براي ديدن انيميشن اينجا كليك كنيد

توربينهاي بادي مدرن به دو شاخه اصلي مي‌شوند :

1- توربينهاي با محور افقي (كه در شكل زير نمونه اي از اين نوع توربين ها را مشاهده مي كنيد)
2- توربينهاي با محور عمودي

مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود، و يا مي‌توان آنها را به يك ” شبكه قدرت تسهيلاتي “ وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتائيك تركيب كرد. عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتباطات استفاده مي‌كنند ، هرچند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند مقياس كاربردي انرژي باد، معمولا ً‌تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند.

داخل توربين بادي به چه صورت مي باشد:

1- باد سنج (Anemometer): اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.

2- پره ها (Blades) : بيشتر توربين ها داراي دو يا سه پره مي باشند. وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود.

3- ترمز (Brake) : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬ الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.

4- كنترولر (Controller) : كنترولر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 mph ميرسد ما شين را٬ راه اندازي مي كنند و وقتي سرعت از 65 mph بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت ميگيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 mph مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.

5- گيربكس (Gear box) : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و آنها از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزاميست. هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.

6- ژنراتور (Generator) : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.

7- شفت با سرعت بالا (High-speed shaft) : كه وظيفه آن به حركت در اوردن ژنراتور مي باشد.

8- شفت با سرعت پايين (Low-speed shaft) : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.

9- روتور (Rotor) : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.

10- برج (Tower) : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.

11- جهت باد (Wind direction) : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه توربين هاي معمولي فقط جهت وزش باد به پره هاي آن بايد از روبرو باشد.

12- باد نما (Wind vane) : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد.

13- درايو انحراف (Yaw drive) : وسيله ايست كه وضعيت توربين را هنگاميكه باد در خلاف جهت مي وزد كنترول مي كند و زماني استفاده مي شود كه قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گيرد اما زماني كه باد در جهت توربين مي وزد نيازي به استفاده از اين وسيله نمي باشد.

14- موتور انحراف (Yaw motor) : براي به حركت در آوردن درايو انحراف مورد استفاده قرار مي گيرد.

اميدوارم با مطالعه اين مقاله چگونگي عملكرد توربين هاي بادي بيش از پيش براي شما دوستان و كاربران محترم روشن شده باشد.

با تشکر از :

manufacturengineers.blogfa.com

از طريق ياهو مسنجر :
 
  

از طريق ايميل :

تماس با ما بدون وارد شدن به ايميلتان