اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه دوم

اهداف:

مشاهده محل آزمایش

آموزش مفاهیم اولیه با طرح چند آزمایش

برآوردهای اولیه برای ساخت وسایل آزمایش

مشاهده چند پدیده مکانیکی جالب.

وسایل مورد نیاز:

 متر

چوب 1/5 متری (مانند دسته جارو)

طناب (20-20 متر)

یک تکه چوب 20×20cm

2-1 محل آزمایش ( کنار رودخانه)
بهتر است قبل از انجام آزمایش، رودخانه مناسبی را در نظر بگیرید تا در روز آزمایش، وقت صرف پیدا نمودن رودخانه نشود. رودخانه مورد نظر باید دارای شرایط زیر باشد:
1- تا حد امکان به محل زندگی تان نزدیک باشد تا به راحتی قابل دسترس باشد.
2- آنچنان پر آب و عمیق نباشد تا هنگام عبور از آن جانتان به خطر بیافتد.
3- سعی شود عرض آن از حدود 5 متر  بیش‌تر نباشد (در مقطع آزمایش)
4- کف رودخانه خاکی باشد نه سیمانی، تا بتوان پدیده های فرسایش را مشاهده کرد.

پس از انتخاب رودخانه، باید بخش مناسبی از رودخانه را برای انجام آزمایشات انتخاب نمود. بهتر است مسیر رودخانه در این طول 100 الی 200 متر و تا حد امکان صاف و بدون انحنا باشد.

2-2  آموزش مفاهیم اولیه با طرح چند آزمایش
پس از یافتن محل مورد نظر ، برای اندازه گیری مشخصه های رودخانه مثل دبی، سرعت، سطح مقطع ... به آنجا بروید. عرض و عمق رودخانه را در محل مورد نظر به صورت تقریبی اندازه گیری نمایید. برای این کار، به وسیله طناب، عرض رودخانه را اندازه بگیرید وسپس طول طناب را اندازه گیری کنید. برای اندازه گیری عمق تقریبی به وسیله چوب آماده شده، در عرض رودخانه راه بروید و عمق را در نقاط مختلف اندازه گیری کنید. بیش‌ترین عمق را با متر اندازه گیری کرده و یادداشت نمایید.

نحوه اندازه گیری عمق به وسیله چوب

برای راحتی کار، می توانید طنابی را در طرفین رودخانه مهار کنید و اندازه گیری عمق را در راستای آن انجام دهید. توجه کنید که در این بخش، لزومی به اندازه گیری دقیق عمق نداریم.

حال در مسیر رودخانه راه بروید و در مورد برخی موارد فکر کنید. مثل دبی، دبی آب عبوری از رودخانه را تخمین بزنید و در برگه ای یادداشت نمایند. می توان برای بدست آوردن دبی، سرعت آب را در اندازه مقطع جریان ضرب نمایند. برای ساده تر شدن مطلب از شکل زیر استفاده کنید:

مقطع عبور جریان

اگر مقطع عبور جریان را به شکل فوق در نظر بگیریم و سرعت عبور جریان را مثلا 1 متر بر ثانیه فرض کنیم، یعنی حجم آب هاشور زده، در هر ثانیه 1 متر به جلو می رود و در نتیجه در هر ثانیه، حجم آبی معادل حجم هاشور خورده که برابر 3 متر مکعب است، از کانال عبور می‌کند، در نتیجه دبی برابر است با 3 متر مکعب بر ثانیه که حاصلضرب مقطع عبور جریان در سرعت جریان است. به سادگی می توان نتیجه گرفت که رابطه فوق برای مقاطع دیگر نیز صادق است.
از دیگر نکات، می توانید به تغییر سرعت جریان در امتداد عمق رودخانه اشاره کنید. ابتدا از آنها بخواهید که چوب آماده شده را عمود بر راستای جریان قرار دهند و از آنها بخواهید چوب را به جاهایی که جریان سرعت کمتری دارد ببرند و بگویند نیرویی که آب به چوب وارد می کند چه تغییری می کند.

نحوه قرار دادن چوب در مسیر آب

ملاحظه خواهید کرد که هر چه سرعت آب بیش‌تر باشد، نیروی وارده به چوب بیش‌تر می شود، لذا این نیرو می تواند معیاری برای اندازه گیری سرعت آب باشد.
حال چوب مورد نظر را در راستای عمق جریان بالا و پایین نمایید. این آزمایش باید به گونه ای باشد که خود شما درامتداد جریان وارده بر چوب قرار نگیرید. تغییرات نیرو را احساس می کنید؟ آیا نیروی وارده بر چوب در سطح جریان بیش‌تر است یا در عمق؟

نحوه انجام آزمایش

ملاحظه خواهید نمود که نیروی وارده به چوب در سطح آب بیش‌تر است در نتیجه سرعت جریان در سطح آن بیش‌تر از عمق است. برای توضیح این پدیده که دلیل آن ایجاد لایه های مرزی است، می‌توان به وجود اصطکاک اشاره کرد. در کف رودخانه به علت وجود پستی و بلندی ها، آب با کف رودخانه برخورد می کند و در اثر این نیروی اصطکاک، سرعت جریان در کف رودخانه کم می شود، ولی هر چه به سمت سطح جریان برویم، این نیروی اصطکاک کم‌تر می شود، زیرا جریان آب نمی تواند نیرو را به خوبی انتقال دهد، در نتیجه میزان نیروی بازدارنده اصطکاک کم می شود و سرعت جریان افزایش می یابد.

از دیگر نکات مهم در این آزمایش می توان به فرسایش و خوردگی کف رودخانه اشاره نمود. با رفتن به درون رودخانه، شن و ماسه و گل و لایی که در رودخانه در حال جریان است را حس می کنید. در صورتی که این رودخانه، آب مورد نیاز یک سد را تامین نماید، این گل و لای، در انتهای مسیر جریان به داخل مخزن ذخیره سد می روند و در آنجا جمع می شوند. این پدیده در دراز مدت، عمق مخزن سد را کم می کند و باعث می شود که حجم آب دخیره شده در پشت آن کاهش یابد، همان گونه که در واقعیت نیز مشکلات زیادی برای سدها در اثر این پدیده به وجود می آید. این گل و لای پس از مدتی در کف مخزن سد آنچنان سخت می شوند که جمع آوری آنها تقریبا غیر ممکن می شود.

از موارد دیگر، گردابه‌ها می‌باشند. با کمی دقت در مسیر جریان، خصوصاً در نزدیکی موانع، شاهد پدید آمدن جریان های گردابه ای خواهید بود. شکل این گردابه ها را در زیر ملاحظه می نمایید. حال برگ یا جسم دیگری در محل به وجود آمدن گردابه ها بیندازید. ملاحظه خواهید نمود که این جسم حرکات نا منظم و سریعی انجام می دهد. علت آن این است که گردابه ها، عامل اصلی برهم خوردن نظم جریان و در نتیجه ایجاد خوردگی در کف رودخانه می باشند.

پدید آمدن گردابه ها

از دیگر نکات آموزنده، تغییر سرعت جریان در انحناهای مسیر جریان می باشد. در یک پیچ رودخانه، سرعت جریان در عرض رودخانه تغییر می کند و در دیواره خارجی سرعت بیشتر از دیواره داخلی می باشد.

فرسایش دیواره ها

در نتیجه، به دلیل شدت بالای جریان در دیواره خارجی، در این دیواره خوردگی پدید می آید، هم چنین چون آب در دیواره داخلی سرعت کم‌تری دارد، رسوبات و گل و لای موجود در آب می توانند در نزدیکی دیواره داخلی ته نشین شوند و در نتیجه انحنای رودخانه پس از گذشت چند سال مانند شکل زیر تغییر می کند.

_ این پدیده را با همان معیار نیروی وارده بر چوب، بررسی نمایید و تحقیق کنید در یک مقطع انحنادار رودخانه، سرعت در کدام دیواره بیشتر است.

تکلیف: پاسخ سئوال فوق و سئوال مطرح شده زیر را برای ما ارسال نمایید.

_ علاوه بر تخمین دبی آب عبوری، میزان برقی را که می توان از رودخانه مورد نظر گرفت در صورتی که عمق مخزن سر، 100 متر باشد را تخمین زده و یادداشت نمایید.

محل بازدید/ اردو/ خرید: برای این جلسه کافی است از رودخانه های نزدیک محل زندگی تان بازدید نمایید و رودخانه مناسبی را مطابق شرایطی که در بخش اول همین درس ذکر شده، برای روز آزمایش انتخاب نمایید.

منابع مطالعه: --------------------------

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان

تنظیم: یگانه داودی

اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه اول
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه دوم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه سوم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه چهارم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه پنجم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه ششم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه هفتم
اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه هشتم