Творческие задания, страница 194 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Творческие задания

Подготовьте доклады по следующим темам: «Водяные турбины», «Ветряные двигатели».

«Водяные турбины»

Водяная турбина (или гидротурбина) — это лопаточная машина, преобразующая механическую энергию потока воды (кинетическую и потенциальную) во вращательную энергию ротора. Эта энергия затем используется для приведения в действие других механизмов, чаще всего — электрогенераторов на гидроэлектростанциях (ГЭС).

Принцип действия основан на взаимодействии потока воды с лопастями рабочего колеса (ротора) турбины. Вода, проходя через турбину, оказывает давление на лопасти, заставляя их вращаться. В зависимости от того, как используется энергия воды, турбины делятся на активные и реактивные.

Существует несколько основных типов водяных турбин, каждый из которых предназначен для определённых условий (напора и расхода воды):

1. Активные (ковшовые) турбины. Самым известным представителем является турбина Пелтона. В ней струя воды под высоким давлением подаётся через сопло и ударяет в специальные ковши, расположенные по окружности рабочего колеса. Такие турбины эффективны при очень больших напорах (от 300 до 2000 м) и относительно малых расходах воды.

2. Реактивные турбины. В этих турбинах рабочее колесо полностью погружено в воду, и вращение происходит за счёт реакции, возникающей при изменении скорости и давления потока, проходящего между лопастями.

- Турбина Френсиса является наиболее распространённым типом. Она используется в широком диапазоне напоров (от 10 до 700 м) и расходов, что делает её универсальной. Вода в ней поступает на лопасти радиально, а выходит в осевом направлении.

- Поворотно-лопастные (турбины Каплана) и пропеллерные турбины применяются при низких напорах (от 1 до 70 м) и больших расходах воды. Особенностью турбины Каплана является возможность изменять угол наклона лопастей рабочего колеса, что позволяет поддерживать высокий КПД при изменении нагрузки и расхода воды.

Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется по формуле: $P = \eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q \cdot H$ где $\text{P}$ — мощность на валу турбины (Вт), $\eta$ — КПД турбины (обычно 0.85–0.95), $\rho$ — плотность воды (≈1000 кг/м³), $\text{g}$ — ускорение свободного падения (≈9.81 м/с²), $\text{Q}$ — расход воды через турбину (м³/с), $\text{H}$ — напор (высота падения воды, м).

Преимущества: высокий КПД (до 95%), использование возобновляемого источника энергии, низкие эксплуатационные расходы, длительный срок службы.

Недостатки: высокая стоимость строительства, необходимость затопления больших территорий при создании водохранилищ, негативное воздействие на речные экосистемы, зависимость от географического расположения и полноводности рек.

Ответ: Водяные турбины — это эффективные устройства для преобразования энергии водного потока в механическую работу, являющиеся основой гидроэнергетики. Основные типы (Пелтона, Френсиса, Каплана) выбираются в зависимости от напора и расхода воды на конкретной ГЭС.

«Ветряные двигатели»

Ветряной двигатель (или ветрогенератор, ветряная турбина) — это устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения ротора, которая затем может использоваться для выработки электроэнергии (с помощью электрогенератора) или для выполнения механической работы (например, для перекачки воды).

Принцип действия ветрогенератора основан на аэродинамической силе, возникающей при обтекании лопастей потоком воздуха. Лопасти имеют специальный профиль (похожий на крыло самолёта), из-за чего давление воздуха над и под лопастью различается. Эта разница давлений создает подъёмную силу, которая и заставляет ротор вращаться.

Ветряные двигатели классифицируются по ориентации оси вращения относительно направления ветра:

1. Горизонтально-осевые ветрогенераторы (HAWT - Horizontal-Axis Wind Turbine). Это наиболее распространённый тип. Их ось вращения параллельна направлению ветра. Они обладают высоким КПД, но требуют системы ориентации (рыскания) для постоянного направления на ветер. Чаще всего имеют три лопасти.

2. Вертикально-осевые ветрогенераторы (VAWT - Vertical-Axis Wind Turbine). Их ось вращения перпендикулярна направлению ветра и поверхности земли. Главное преимущество — им не нужна система ориентации, так как они работают при любом направлении ветра. Основные разновидности:

- Ротор Дарье: имеет высокий КПД, но низкий стартовый крутящий момент, поэтому для запуска ему может потребоваться внешний привод. Лопасти имеют сложную дугообразную форму.

- Ротор Савониуса: состоит из двух или более полуцилиндрических лопастей. Он имеет более низкий КПД, но высокий стартовый крутящий момент и начинает вращаться даже при слабом ветре.

Теоретическая мощность, которую можно извлечь из ветра, описывается формулой: $P = \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A \cdot v^3$ где $\text{P}$ — мощность ветрового потока (Вт), $\rho$ — плотность воздуха (≈1.225 кг/м³), $\text{A}$ — площадь, ометаемая лопастями (м²), $\text{v}$ — скорость ветра (м/с). Важно отметить, что согласно закону Беца, ветряная турбина теоретически не может преобразовать более 59.3% ($16/27$) кинетической энергии ветра в механическую энергию.

Преимущества: использование чистого, возобновляемого источника энергии, отсутствие выбросов парниковых газов, возможность установки в удалённых районах.

Недостатки: зависимость от погодных условий (непостоянство ветра), визуальное и шумовое загрязнение, необходимость в больших земельных площадях, потенциальная угроза для птиц и летучих мышей.

Ответ: Ветряные двигатели преобразуют энергию ветра в полезную работу, в основном для генерации электричества. Они делятся на горизонтально-осевые (наиболее распространённые и эффективные) и вертикально-осевые, являясь важным элементом современной возобновляемой энергетики.