1049 "Vannhjul"

"Vannhjul"

Vi utforsker energien i vann. Vi lager et vannhjul ved hjelp av medbrakte materialer og bruker rennende vann til å drive vannhjulet.

Aktiviteter:
Bygge vannhjul
Bygge strikkmotorbåt
Utforske kvernen i Bodøsjøen
Male korn til mel

Modulen er ikke pilotert.

4.1 Faglig tema
Energi er evnen til å utføre arbeid.
Det er viktig å legge vekt på at energi ikke blir brukt opp eller ødelagt, men at energi er absorbert, noen ganger for å gjøre arbeid, lagret eller frigjort som varme. En må være oppmerksom på at noe av energien blir ”tapt” i form av friksjon, varme eller liknende, virkningsgraden er ikke 100 %. Noen ganger får vi energi, andre ganger taper vi energi. (Eks. når en skyver en bil).
Hvis en tenker på energi som penger kan det gjøre det lettere å forstå for ungene. Energi kan bli lagret som objekter (som penger i banken). Etter en tid vil disse pengene bli brukt og levert til noen andre som igjen lagrer eller bruker dem, men de blir ikke borte.
 
Vannhjulet får energi av både endring i retning på vannet og reduksjon av farten på det. Siden retningen på farten endres i en rotasjonsbevegelse er det en akselerasjon og dermed også en kraft.  Tenk på et bøyelig rør som transporterer vann, det vil helst være rett. Kraften som medfører dette kommer for det meste fra at vannet endrer retning siden vannet tilnærmet holder samme fart gjennom røret.
 
 Bevaringsloven for energi sier at energien er den samme før og etter. Vannet har stillingsenergi hvis det står i en dam og bevegelsesenergi hvis det renner ned en bekk. Når det treffer vannhjulet går noe av denne energien over til vannhjulet som bevegelsesenergi og noe går tapt i lagrene som friksjon(varme), men siden vannhjulet ikke er 100 % effektivt og stopper alt vannet vil resten av energien fortsette ned bekken.
 
 
Dobler en fallet eller mengden på vannet dobler en energien forutsatt at alt vannet treffer vannhjulet.
Dobler en radius på vannhjulet øker momentet på vannhjulets aksling med 2 og omdreiingshastigheten reduseres med 2.
 
Effekten (P) blir imidlertid den samme uansett hvor langt ut på vannhjulet vannet treffer pga. at hjulet går rundt.
 

4.2 Faglig bakgrunnsinformasjon -for aktiviteten(e) og åpne spørsmål
Daglig er vi til enhver tid omgitt av energi i form av elektrisitet uten at vi tenker noe særlig over det. Vi dusjer i varmt vann, oppholder oss i behagelig romtemperatur og benytter oss av en rekke elektriske hjelpemidler som PC, TV, radioer, kjøkkenmaskiner, vaskemaskiner og mye mer.
Dette er eksempler på goder som har vært og er en del av livet til dagens unge. For dem har det alltid vært en selvfølgelighet. De har sjelden eller aldri behov for å finne andre energikilder – ikke engang på hytta. Gjennom dette opplegget ønsker vi å fremme deres lyst til å lære om vår teknologiske arv ved å skape engasjement og diskusjon. De får kunnskaper om sammenhengen mellom vann og energi og om hvordan vannkraft er blitt utnyttet opp gjennom tidene. En bør diskutere de lettelser i livsforholdene og løft i levevilkårene den har gitt, men en må også ta opp ulemper og farer med disse nyvinningene.

LITT OM VANNHJULETS HISTORIE
 
En regner med at vannhjulet ble oppfunnet iallfall 200 år før Kristi fødsel antagelig i Kina. På grunn av billig slavearbeidskraft ble det lite brukt andre steder de første århundrene. I Frankrike (nær Arles) hadde de imidlertid ca. år 400 bygd ei stor kornmølle med hele 16 vannhjul. I Norge var det vikingene som først tok vannhjulet i bruk – det også til maling av korn.  Menneskene ble tidlig klar over hvilken kraft som lå i det rennende vannet. Melet skulle males, og allerede i den tidlige vikingtiden ble det malt med kvernkaller.  En kvernkall er et primitivt vannhjul på en vertikal aksel med kvernsteinen på toppen. Neste skritt i utviklingen var større møller drevet av vannhjul på en horisontal aksel. I følge skriftlige kilder var disse i bruk på 1200-tallet, men mest sannsynlig ble de tatt i bruk mye tidligere. Etter hvert ble vannhjulet tatt i bruk til andre arbeidsoppgaver som for eksempel sagbruk for å produsere planker og bord.
 
Det første kjente vannhjuldrevne sagbruk er fra Tyskland i 1337.

 
 
Utover i 1850-årene økte produksjonen på sagbrukene, og det var særlig planker av forskjellige dimensjoner som ble produsert. Tømmeret ble skåret på et stort antall oppgangssager av forskjellig type som ble drevet av vannkraft. Materialer fra de norske skogene ble en stor eksportartikkel.  Byer og tettsteder vokste fram rundt sagbrukene. Etter hvert overtok dampdrevne sagbruk, men fremdeles var vannet drivkraften.
 
På alle de store innsjøene ble det satt i drift dampbåter som kunne trekke store tømmerflåter. På Mjøsa ble hjuldamperne Ferdesmannen og Skibladner sjøsatt i 1856. Skibladner er fortsatt i drift som turistbåt om sommeren.
 
Det moderne syn på vannkraften finner vi uttrykt allerede i et gavebrev av 1312 på Borregård fra Håkon V til hans svigersønn. Kongen ber ham om å "la fossen bygge opp til sin nytte".
 
Fra omkring 1530 ble vannhjulet også brukt i gruvevirksomheten til å drive heiser og knuseverk, og for å pumpe vann eller dra blåsebelger i smeltehyttene. Landets gruveindustri ble avhengig av vannkraften, og dyktige hjulmakere som kunne lage gode vannhjul og temme vannet var en nødvendighet.
 
Etter hvert ble vannkraften tatt i bruk i tresliperier, cellulose- og papirfabrikker og i annen industri. Denne bruken av vannkraft illustrerer en utvikling mot et mer industrialisert samfunn. Vannhjulet fikk større utbredelse etter hvert som industripreget virksomhet vokste fram. Det ga kraft til et utall operasjoner som drift av ulike maskiner, treskeverk, heiser, pumper og knusere.
 
Før elektrisitetens tid måtte fabrikkenes arbeidsmaskiner koples mekanisk til turbinen, og kraften måtte brukes på stedet. På grunn av dette ble førte til at industri ble anlagt ved selve kraftkildene.
 
Erfaringene og kunnskapene Norge hadde tilegnet seg ved flittig og omfattende bruk av vannkraften gjennom mange hundre år, var en viktig årsak til at Norge så raskt tok vannkraften i bruk til elektrisitetsproduksjon. Den første dynamoen ble laget i Tyskland i 1866, og i 1877 ble det første elektrisitetsverket bygget i Norge. Det var ganske lite, og forsynte Lisleby Brug med lys. Allerede i 1885 ble elektrisitet tatt i bruk som drivkraft for industri her til lands. I 1891 ble Hammerfest den første byen i verden som tok i bruk elektrisk gatebelysning. Mange byer og bedrifter fulgte nå etter med bygging av vannkraftverk.
 
Fra 1900 og fram til 1940 ble det bygget mer enn 2000 kraftverk her i landet, og stort sett alle lå nær det behovet for kraft var tilstede. I denne perioden var det konsentrerte fall i vassdragenes nedre del som ble utnyttet, og kraftverkene var elvekraftverk. For å kunne utnytte innsjøer som kilde til vannkraft ble de lagt i rør og ført ned til kraftverkene. Dette startet tidlig på 1900-tallet.
 
I mellomkrigstiden var prisen på kull så lav at det var vanskelig for elektrisiteten å konkurrere som varmekilde, men brenselmangel under 2. verdenskrig førte til en avgjørende endring. Selv om det hadde vært noe utbygging av vannkraftverk under krigen, var produksjonen ikke blitt noe særlig større. Etter krigen var hovedmålet gjenoppbygging av landet, og da kom kraftutbyggingen til å spille en sentral rolle. Den kraftkrevende industrien fikk et oppsving, behovet for kraft økte dramatisk og store utbygginger ble satt i gang.

Den tekniske utviklingen gjorde det mulig å transportere elektrisiteten i store mengder over store avstander, og i 1949 ble landets første 220 kV ledning tatt i bruk mellom Hol i Hallingdal og Oslo. I dag benyttes det opp til 400 kV ledninger.
 
De store utbyggingene fortsatte utover 70- og 80-tallet, og det ble etter hvert vanlig å etablere store vannmagasiner i fjellet. Disse flerårsmagasinene ble etablert for å kunne produsere nok elektrisitet selv i kalde og nedbørsfattige år. Vannet blir samlet høyt til fjells før det etter lagring i magasinene føres gjennom tunneler ned mot kraftstasjonene som oftest har utløp i en innsjø eller havet. Kraftverket selv ligger inne i fjellet.
 
På 90-tallet har vannkraftutbyggingen nesten stoppet opp. Det har sammenheng med at de mest lønnsomme prosjektene er bygget ut, at behovet for kraft på grunn av en rekke milde vintrer synes å være dekket, og at energiloven har åpnet for konkurranse innen sektoren. Nå er det stort sett ombygginger og moderniseringer av eldre verk som finner sted.

STRIKKMOTORBÅT
Når båten beveger seg på vannet, har den energi. Hvor har denne energien kommet fra?
 

Et sted det kan jobbes med verktøy og materialer for å lage vannhjulet. Bekk med litt fall for å teste konstruksjonen. Gjerne også en dam til strikkmotorbåtene.

10-12 år

20

8.1 Utstyr
Dette trenger du:
• Aksling, en trekloss på 48 mm x 48 mm, 8,5 cm lang
• Skovler, 4 trestykker 11 mm x 73 mm, 15 cm lange
• Stativ, 2 trestykker 11 mm x 73 mm, 20 cm lange
• Bunnplate til stativ, 1 trestykke 19 mm x 140 mm, 50 cm lang
• 12 mm tykk finerplate til å skjære ut mannen, armen med øksa og svinghjulet
• 6 mm tykk gjengestav, 14 cm lang
• 3 stk. 6 mm skiver
• 3 stk. 6mm muttere
• 1 stk. 4 mm x 35 mm skrue med 2 muttere
• Ståltråd til overføring av krafta, ca. 30 cm lang
• Treskruer slik at det hele kan demonteres og brukes på nytt (3.5mm x 30 mm er passende)
• Hoggstabbe, kloss ca 7.5 cm lang
• Noen meter plastslange, helst større enn en hageslange.

Alternativt, hvis en vil ha et skovelhjul med 8 skovler:
• Aksling 48 mm x 48 mm, 8 cm lang høvlet til en åttekant
• Skovler, 8 stykker 12 mm x 70 mm, 15 cm lange med ene enden saget i 45º vinkel


Verktøy
• Sag
• Løvsag
• Høvel (til skovelhjul med 8 skovler)
• Bor, 5 mm for akslingen, 6 mm for opphenget av hjulet, en passende for treskruene og en passende til ståltråden.
• Skrumeisel
• Skrunøkkel
• Tang

Strikkmotorbåt:
• en plankebit
• en sag
• en kniv
• en kraftig strikk (syltestrikk)
• en ispinne

8.2 Materiell
Lage en båt med strikkmotor:
• Skjær til plankebiten så den får form som en båt.
• Bak på båten må du skjære ut et stykke som gir plass til
propellen.
• Sett et strikk rundt åpningen bak på båten.
• Tre ispinnen inn i strikken. Den må kunne rotere i åpningen.
Kanskje må du kutte pinnen litt for at den skal få plass.
• Tvinn pinnen med strikken rundt mange ganger.
• Sett båten på vannet før du slipper ispinnen.
Tegninger: STRIKKMOTORBÅT.docx

Denne aktiviteten er hentet fra heftet
”NATURFAG TEMA Energi i hverdagen” fra Cappelen forlag.
Tekst: Berit Bungum, NTNU og og Anders Isnes, Naturfagsenteret
Illustrasjon: Bjørn Nordheim

Hvis du skjærer en tykk skive av en stor potet, kan du enkelt lage et vannhjul. Klipp til passe store biter av kartong og stikk dem skrått inn i potetskiven. Gjennom senter på skiven, stikker du en strikkepinne. Nå er det bare å finne en bekk for å teste vannhjulet.

9.1 Oppmøtetid og -sted
Kl. 10.00

9.2 Hentetid og -sted
Kl. 16.00

9.3 Utstyr for deltakere

10.1 Krav til veiledere

10.2 Krav til aktiviteten

10.3 Ansvar og forsikring

Høgskolen i Narvik ved Sidsel Naustvoll og FIRST Scandinavia ved Anne Kristiansen