المفاهيم الأساسية

طاقة الوضع

الطاقة الحركية

الضغط الهيدروستاتيكي

الطاقة الكهرومائية

الجاذبية الأرضية

 

مقدمة

قد لا تفكر طويلًا قبل استخدام المياه للشرب أو للطهي أو للغسيل أو السباحة؛ لكن هل تعلم أن الماء يمكن استخدامه أيضًا لتوليد الكهرباء؟ جرب هذا النشاط الممتع لتتعرف على كيفية توليد الطاقة الكهرومائية.

معلومات أساسية

بفضل الجاذبية، جميع الأشياء والمواد يكون لديها طاقة وضع عند رفعها عن سطح الأرض، وعندما تسقط هذه الأشياء أو المواد على الأرض، تتحول طاقة الوضع بها إلى طاقة حركية. وفي حالة تساقط المياه، يمكننا استخدام هذه الطاقة لتدوير آلة تسمى "التوربين"، تشبه المروحة، وإذا كان ذلك التوربين الدائر متصلًا بمولد كهربائي، فإنه قادر على تحويلها إلى كهرباء. ويُطلق على هذا النوع من الكهرباء المولدة عن طريق تدفق المياه "طاقة كهرومائية" (نسبة إلى الكهرباء والماء).

كيف نتحكم في الطاقة المتولدة من تدفق الماء؟ لتوليد الكثير من الكهرباء، نحتاج إلى الكثير من الماء المتدفق بسرعة شديدة في مكان واحد. وهذا يعني أن الأمطار ليست وسيلة ناجحة لتوليد الطاقة الكهرومائية، وذلك لأن سقوط الأمطار ينتشر على رقعة كبيرة من الأرض ويحدث في أوقات غير متوقعة. على النقيض من ذلك، فإن الشلالات المائية فيها كمية كبيرة من الماء المتدفق في مكان واحد، ولكن نظرًا للجمال الطبيعي الخلاب للشلالات، يُعَد الكثير منها مناظر طبيعية ووجهات للسائحين، ومن ثَم فإن بناء محطات قبيحة المنظر لتوليد الطاقة فوق هذه الشلالات لن يلقى استحسان الناس. يتمثل أحد حلول هذه الإشكالية في بناء السدود، وهي المنشآت الضخمة التي تعوق الأنهار أو المجاري المائية. وهذا يؤدي إلى تكوُّن البحيرات العميقة، أو ما يُعرَف أيضًا باسم الخزانات، ويمكن استخدام بعض هذا الماء في توليد الكهرباء عندما يتدفق عبر السد (بينما يواصل باقي الماء التدفق عبر الشلالات). في هذا النشاط، ستتعرف على المكان المناسب لوضع التوربين لتوليد أكبر قدر من الكهرباء.

لاحظ أنه على الرغم من أن الطاقة الكهرومائية تُعَد نوعًا من أنواع الطاقة المتجددة، فإن لها بعض الآثار البيئية؛ إذ يمكن أن تُدمر البحيرات الكبرى التي تكوِّنها السدود المواطن الطبيعية للحيوانات الموجودة، كما أن إعاقة جريان الأنهار قد تعني أن الكثير من الكائنات الحية كالأسماك لا يعود بإمكانها الانتقال بحرية من مكان لآخر؛ إضافة إلى أن حدوث عطل في أحد السدود قد يؤدي إلى وقوع فيضانات كارثية تودي بأرواح الناس. فإذا كنت مهتمًّا بالأمر، يمكنك إجراء بعض الأبحاث عن تكلفة توليد الطاقة الكهرومائية وفوائدها.

 

أدوات التجربة:

  • إناء لبن أو زجاجة صودا حجم 2 لتر
  • مسمار صغير
  • مياه من الصنبور
  • شريط لاصق
  • كرسي أو مقعد أو سلم نقال
  • حوض استحمام، أو حوض آخر ضخم، أو منطقة خارجية تستطيع أن تسكب الماء فيها
  • شريط قياس (اختياري)

الإعداد للتجربة:

  • اجمع المواد المستخدمة في التجربة في مكان تستطيع أن تسكب الماء فيه على الأرض، مثل منطقة خارج المنزل أو في حوض الاستحمام.

 

خطوات التجربة:

  • استخدم المسمار في ثَقب ثلاثة ثقوب صغيرة بحذر في أحد جوانب إناء اللبن: ثقب بالقرب من أعلى حافة الإناء وواحد في المنتصف وثقب ثالث قريب من الحافة السفلية للإناء. احرص على أن تترك مسافة أفقية بين الثقوب بحيث تبتعد مسافة بضعة سنتيمترات أفقيًّا بين كل ثقب وآخر، (لا ينبغي أن تقع الثقوب على خط رأسي مستقيم).
  • استخدم أجزاء من الشريط اللاصق لسد الثقوب بإحكام.
  • املأ الإناء بالماء، واحرص على أن تتجاوز نسبة الماء فيه الثقب العلوي. تأكد من أن الشريط اللاصق يسد الثقوب بإحكام ويحبس الماء قبل أن تبدأ تجربتك.
  • ضع الإناء على سطح مرتفع مثل المقعد أو السلم النقال في مكان تستطيع فيه أن تسكب الماء على الأرض.
  • استعد لنزع الشريط اللاصق بسرعة. ماذا تظن أنه سيحدث عندما تنزع الشريط اللاصق؟ كيف سيتدفق الماء من الثقوب؟ هل سيكون سلوك الماء المتدفق من الثقوب الثلاثة متشابهًا أم مختلفًا؟
  • انزع الشريط اللاصق بسرعة عن الثقوب الثلاثة، وشاهد ما يحدث عن كثب. ماذا يحدث؟ أين تقع تدفقات الماء على الأرض؟
  • استمر في مراقبة الماء وهو يفرغ من الإناء. هل ما زالت تدفقات الماء تقع على الأرض في نفس المكان أم أنها تتغير بينما يفرغ الإناء من الماء؟
  • تخيل أن إناء اللبن هذا يمثل سدًّا، والماء بداخله هو البحيرة التي كوَّنها هذا السد؛ أين كنت ستضع التوربين لتوليد أكبر كمية من الكهرباء من سقوط الماء؟
  • نشاط إضافي: استخدم شريط قياس على الأرض لتسجيل مسافة تدفق الماء. كيف تتغير هذه المسافة إذا غيرتَ ارتفاع الإناء عن الأرض إلى أعلى أو أسفل. كيف يختلف الأمر بين الثقوب؟
  • نشاط إضافي: جرب تنفيذ هذا النشاط باستخدام أشكال مختلفة من الحاويات ومع وضع الثقوب على ارتفاعات متساوية عن الحافة السفلية. ماذا سيحدث إذا قارنت بين إناء اللبن وزجاجة الصودا؟ هل يؤثر شكل الوعاء على مسافة تدفق الماء؟
  • نشاط إضافي: استخدم مسامير بأحجام مختلفة في ثقب الوعاء (أو اطلب من أحد البالغين مساعدتك في استخدام مثقاب آلي لعمل الثقوب). هل يؤثر حجم الثقب على مسافة تدفق الماء أو سرعة إفراغ الحاوية من الماء؟

الملحوظات والنتائج

ستَلحَظ أن الماء المتدفق من الثقب الواقع أسفل الإناء يتدفق إلى أبعد مسافة، يليه الماء المتدفق من الثقب الأوسط، في حين يتدفق الماء من الثقب الأعلى إلى أقصر مسافة. وهذا بسبب أن الضغط الهيدروستاتيكي (الضغط الذي يمارسه الماء على عمق محدد) يكون أكبر في قاع الإناء، وبالتالي يتسبب في تدفق الماء بسرعة أكبر عبر الثقب الواقع أسفل الإناء. وهذا الماء المتدفق بسرعة كبيرة لديه طاقة حركية أكبر لتشغيل توربين وإنتاج الكهرباء، ومن ثَم فإن أسفل الإناء سيكون أفضل مكان لوضع التوربين.

وبناءً على مكان إحداث الثقب (وإلى أي حد ملأت الإناء)، قد يسيل الماء من الثقب العلوي على شكل قطرات فقط على جدار الإناء ولا يتدفق بعيدًا عنه بشكل أفقي. وعندما يبدأ الماء في الإناء يفرغ، لن يندفع من الثقوب لمسافة بعيدة؛ وذلك لأن الضغط الهيدروستاتيكي يتحدد بالفروق في الارتفاع بين موضع كل ثقب من الثقوب وسطح الماء، وسطح الماء ينخفض أكثر كلما تدفق الماء خارج الإناء.