Filozofia pojęć technicznych (114). Wir


07-11-2017 20:26:13

Zjawisko wiru zawsze wydawało się dziwne. Trudno je wyjaśnić i opisać bez aparatu matematycznego, który pojawił się dopiero w XIX w., a i dziś nie jest łatwo dostępny na poziomie przedmaturalnym. Wir polega na tym, że jeżeli płyn o pewnej masie wprawimy w ruch okrężny, to układ wektorów sił tego ruchu oraz siły działającej wzdłuż osi obrotu (w przypadku szklanki herbaty – siły grawitacji) nadaje powierzchni cieczy charakterystyczny kształt leja i utrzymuje go w równowadze. Wskutek zasady zachowania momentu pędu prędkość kątowa wiru wzrasta wraz z jego zwężaniem. Zjawisko to można wywołać też na inne sposoby, np. otwierając odpływ w dnie naczynia. Wówczas, zgodnie z prawem Bernoulli'ego, energia ciśnienia zamienia się w energię kinetyczną wypływającego strumienia, ciśnienie wewnątrz masy płynu spada, co „wciąga" warstwy wody ponad otworem i tworzy lej wirujący pod działaniem siły Coriolisa, będącej efektem ruchu wirowego Ziemi: na półkuli północnej w prawo, na południowej w lewo.

Ciekawe, co myślał o tym Archimedes, konstruując swoją śrubę jako pompę wodną, bo jest ona naśladowaniem zasady wiru, z tym że siła wzdłuż jego osi wymuszona jest przez obrót odpowiednio ukształtowanego gwintu śruby i ma zwrot ku górze. Ludzie nie potrzebowali więc znać teorii fizycznej ani matematyki, by wykorzystywać na wiele sposobów zasadę wiru. Posługiwali się raczej intuicją i to był główny napęd wynalazczości przednaukowej. W zależności od tego, od którego końca wykorzystujemy zasadę wiru, otrzymamy turbinę wirową lub przeciwnie – śrubę okrętową, niektóre rodzaje pomp wirowych lub śmigła. Prawie wszystkie turbiny wodne (z wyjątkiem koła wodnego i turbiny Peltona) wykorzystują tę zasadę. Świder czy wkręt posuwa się do przodu w materiale dlatego, że pcha go wzdłużna składowa siły powstającej w wyniku obrotu. Medycy nazywają vortexem (czyli wirem) wstrząsarkę mieszającą preparaty medyczne. Ortodoksi zapewne powiedzą, że wrzucam do jednego worka wiele różnych zjawisk, ale chodzi nie o naukę, lecz o technikę, a ta rozwijała się pod wpływem rozmaitych intuicji i asocjacji nie zawsze naukowych. Gdyby utworzyć ranking naturalnych inspiracji dla techniki, wir z pewnością zająłby jedno z czołowych miejsc.

Temat wiru pojawił się dlatego, iż jeden z poprzednich numerów „PT” zawierał stwierdzenie, że są znacznie lepsze konstrukcje wiatraków energetycznych niż takie, które zdominowały nasz krajobraz. Replikowano, że gdyby istniały, to pojawiłyby się i u nas. Otóż nie jest trudno podać przykłady turbin o pionowej osi obrotu, znacznie mniej głośnych i niegroźnych dla ptactwa. Takie turbiny występują w co najmniej kilkudziesięciu wariantach, a ich generator umieszczony może być na ziemi, więc jest mniej narażony na awarie i nie trzeba się wspinać w celu jego konserwacji. Innowatorzy nie ustają; mamy już o wiele bardziej wyrafinowane koncepty. Jedna z amerykańskich firm pracuje nad systemem Invelox, w którym wiatr wpada do wieży ze szczeliną w formie kielicha tak uformowaną, że wirujący strumień powietrza trafia do rurowego przewodu poziomego, w którym zwężka Venturiego dodatkowo zwiększa prędkość przepływu. W zwężce umieszczono szereg turbin śmigłowych. Napęd turbin jest silniejszy i bardziej ustabilizowany, a dźwięki i drgania generowane przez turbiny skutecznie tłumione.

Jeszcze ciekawszy jest hiszpański projekt Vortex Bladeless. Elektrownią jest tu wieża z włókna szklanego i węglowego bez ruchomych części, o kształcie bejsbolowego kija zamocowanego u podstawy w ten sposób, by przenosić drgania mechaniczne na generator naziemny o specjalnej konstrukcji. Wieża jest targana wiatrem z różnych stron i ugina się niczym źdźbło trawy, ponieważ po stronie zawietrznej wytwarza się fala wirowa o wystarczającej mocy. Wieże o dużej wysokości (do 150 m) umożliwiają nawet przy słabym wietrze przenoszenie energii tej skali, że mogą napędzać generator o mocy rzędu megawatów. Na podobnej zasadzie działają minielektrownie wodne wykorzystujące przepływ turbulentny w strumieniach, gdzie woda porusza „turbiną" w postaci wibrujących „warkoczy". Naturalny ruch wirowy pozostaje inspiracją od zamierzchłych czasów do dziś.

Zygmunt Jazukiewicz

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl