Moc koła wodnego zależy zarówno od prądu (ilości dostarczanej wody) i głowy (pionowa kropla wody, gdy kręci kołem).Tak więc analogia wody ma DWIE zmienne, które mnożą się razem, aby utworzyć moc: prąd, mierzący np. przepływ wody w Niagarze, i pionowy spadek (jak wysokość wodospadu Niagara).

Prąd to NIE to samo, co moc w rzece, ponieważ długie odcinki poruszająca się woda w kanale nie rozprasza energii tak bardzo jak wodospad. Usytuowanie elektrowni wodnej w Niagara Falls ma sens. Analogicznie do elektryczności, drut może dostarczać prąd przy niskim napięciu spadek (i ma niewielkie rozpraszanie mocy), ale rezystor, który ma to samo prąd zostanie rozgrzany (ma znaczny spadek napięcia między zaciskami).

Oto prosty sposób na wyjaśnienie tego.

Siła jest zawsze iloczynem zmiennej wysiłku i zmiennej przepływu.W układach hydraulicznych zmienną wysiłkową jest ciśnienie, a zmienną przepływu jest natężenie przepływu.

W przypadku przepływu w kanałach otwartych zmienna wysiłku jest zazwyczaj bardzo mała (ale nie zerowa), a zmienna przepływu jest bardzo duża.BTW wymiana mocy, która zachodzi przy niewielkim wysiłku i dużym przepływie, reprezentuje reżim o niskiej impedancji.

W twoim przykładzie wody moc nie może być równa prądowi, ponieważ mają różne jednostki (moc to energia na jednostkę czasu, podczas gdy prąd byłby czymś w rodzaju liczby cząstek przechodzących przez powierzchnię w jednostce czasu).

... im więcej wody przepływa w jednostce czasu, tym więcej energii trafia do koła w jednostce czasu

Zauważyłeś tutaj poprzez swoją analogię, że moc jest proporcjonalna do prądu (na przykład, im większa siła przykładasz do obiektu, tym większe jest jego przyspieszenie, ale to nie znaczy, że siła i przyspieszenie są równe). W elemencie obwodu ta proporcjonalność jest napięciem, ponieważ mówi, ile energii jest skojarzone z „jednostką prądu”. Potrzebowałbyś podobnego sposobu, aby przekonwertować prąd wodny na moc generowaną przez ten prąd (chociaż może to być uproszczony model generowania energii za pomocą koła wodnego).

Należy również pamiętać, że jest to analogia, a wszystkie analogie mają niedoskonałości. W analogii z wodą moc jest wytwarzana przez wodę faktycznie pchającą koło. W obwodach $ P = IV $ jest dużo bardziej ogólny i dotyczy wszelkich ładunków podlegających potencjalnej różnicy.

Jednym z wyzwań związanych z używaniem analogii, takich jak analogia wody, jest upewnienie się, że używasz odpowiednich obiektów, z których będziesz czerpać analogię. Wiele odpowiedzi wskazuje, że moc hydrauliczna zależy od objętości i ciśnienia. To prawda, jeśli Twoje koło wodne wygląda mniej więcej tak:

To jest rysunek przedstawiający, jak wygląda nowoczesna turbina hydroelektryczna. Zaprojektowano je tak, aby były w stanie efektywnie pobierać energię z dużych objętości wody przy dużych spadkach ciśnienia, takich jak spadek ciśnienia z dna jeziora do ciśnienia atmosferycznego. W takich przypadkach analogia z wodą działa dość dobrze, zgodnie z oczekiwaniami.

Jednak kiedy myślę o „kole wodnym”, mam inny obraz. Wyobrażam sobie coś znacznie starszego:

Działają one inaczej i prowadzą do wniosku, który wyciągnąłeś, że koła wodne generują energię wyłącznie z prądu. Powodem, dla którego wyciągasz taki wniosek, jest to, że ten rodzaj koła wodnego marnuje jakąkolwiek moc z ciśnienia lub prędkości. Jedynym potencjałem, z którego skutecznie generuje energię, jest energia grawitacyjna wody z dużej wysokości na małą wysokość. Gdybyś rozpylił wodę pod wysokim ciśnieniem na jedno z tych kół wodnych, większość energii zostałaby zmarnowana, gdy woda rozpryskuje się z ostrzy. Część energii rzeczywiście zostałaby przekazana do koła, ale byłoby to ogromnie marnotrawstwem.

Koło wodne jest najbardziej wydajne w obsłudze przypadków, w których ogromna większość energii wody jest magazynowana jako grawitacyjna energia potencjalna - energia pochodząca z wysokich poziomów. A najlepiej konwertować wodę, która znajduje się dokładnie na wysokości koła. Jeśli spuścisz wodę z góry nad koło, obróci się, ale większość energii zostanie zmarnowana na pluskanie i chlupotanie.

Zatem traktowalibyśmy to koło wodne jako urządzenie "stałego napięcia", w naszej analogii elektrycznej. Ustawienie wokół koła gwarantuje, że większość potencjału wody to jej stała wysokość, na jakiej wpływa do koła. Wszelka energia powyżej tego poziomu jest marnowana jako ciepło. I rzeczywiście, jeśli spojrzysz na matematykę, kiedy twoje napięcie jest stałe, twoja moc jest rzeczywiście proporcjonalna do prądu. To szczególny przypadek, w którym to prawda.

Rzeczywiście mamy urządzenia, które działają w ten sposób, ale aby to zrobić, musisz wejść do świata półprzewodników. Diody to małe złącza półprzewodnikowe, które umożliwiają przepływ prądu tylko w jedną stronę. Spróbuj przepłynąć pod nią, a one są jak zawór zwrotny, który zatrzymuje przepływ wody.

Cóż, prawie jak zawór zwrotny. Działają jak zawór zwrotny do pewnego punktu zwanego „napięciem przebicia”. Jeśli podasz napięcie wyższe niż to na diodę w niewłaściwym kierunku, zacznie przepuszczać prąd. Będzie rozpraszać energię pochodzącą z prądu roboczego przy tym spadku napięcia w postaci ciepła.

Więc to, co najbardziej przypomina staromodne koło wodne, to silnik z diodą o odwróconym polaryzacji. Jakikolwiek potencjał wody wykraczający poza grawitacyjną energię potencjalną, którą może obsłużyć koło, jest tracony z powodu rozpryskiwania i chlupania. Jakikolwiek potencjał z wyższych napięć przyłożonych do diody i obwodu silnika jest tracony na ciepło, gdy prąd przepływa przez diodę. Pozostały potencjał grawitacyjny wody pomnożony przez objętość wody przepuszczonej przez koło określa, ile mocy mechanicznej generuje koło wodne. Napięcie na tym silniku (po ograniczeniu go przez diodę) pomnożone przez prąd przepływający przez silnik to ilość mocy mechanicznej, którą silnik generuje. Analogia jest taka, że ​​potrzebujesz bardziej złożonego obwodu do modelowania urządzenia sprzed 6000 lat!

Nawiasem mówiąc, faktycznie projektujemy takie obwody.W nowoczesnych obwodach często mamy „diody Zenera”, które mają starannie dostrojone napięcie przebicia, aby stanowiło „odniesienie napięcia”, i mamy regulatory napięcia, które są zaprojektowane tak, aby opierać się przepływowi energii elektrycznej tylko na tyle, aby zapewnić określone napięcie na pozostałychobwodu.

Przepływ wody i prądu, a także inne analogie „mechaniczne” (opór rury w funkcji oporu elektrycznego, napięcie w funkcji ciśnienia itp.) są przydatne do wprowadzania koncepcji obwodów elektrycznych na poziomie podstawowym. Dzieje się tak, ponieważ koncepcje mechaniczne są łatwiejsze do wizualizacji, podczas gdy koncepcje elektryczne są bardziej abstrakcyjne. Analogie mogą zajść tylko tak daleko bez głębszego zrozumienia.

Prąd nie jest równy mocy elektrycznej, a przepływ wody nie równa się mocy mechanicznej.

Prąd elektryczny ( $ \ frac {Coul} {s} $ ) razy (w fazie) napięcie ( $ \ frac {J} {Coul} $ ) równa się mocy ( $ \ frac {J} {s} $ = waty).

Bieżący przepływ ( $ \ frac {m ^ 3} {s} $ ) razy ciśnienie ( $ \ frac { N} {m ^ 2} $ ) równa się mocy ( $ \ frac {J} {s} $ = waty). Ciśnienie wody w kole wodnym może pochodzić od wody spadającej z wysokości nad kołem (energia potencjalna) lub nawet z węża skierowanego poziomo, w zależności od orientacji koła wodnego.

Aby uzupełnić analogię między prądem i przepływem wody w odniesieniu do mocy elektrycznej i mechanicznej, potrzebna jest dodatkowo analogia między napięciem (potencjałem elektrycznym) a ciśnieniem (potencjałem mechanicznym).

Mam nadzieję, że to pomoże.

Osoba, która to powiedziała, jest błędna.Current nie przesuwa.Popycha napięcie lub ciśnienie.Bieżące to, ile faktycznie przepływa.

Moc użyteczna to siła pchania (napięcie, ciśnienie) pomnożona przez prąd (ampery, CFM).

Oczywiście bez pchnięcia nie masz żadnej mocy.Ale bez przepływu nie masz też mocy.

Podczas wytwarzania wody ciśnienie jest również równoznaczne z wysokością, zwaną „głową”.

Na przykład zasilacz do komputera PC jest bardzo podobny do wody płynącej z rzeki - nie ma dużego ciśnienia, ale ma duży przepływ.

Bardzo wysoka, ale tama o niskim przepływie, taka jak Oroville, jest bardzo podobna do światła LED na linii 240 V - duże ciśnienie, niewielki przepływ.Nie potrzeba dużo przepływu.

Analogia do wody naprawdę ładnie się sprawdza, jeśli weźmie się pod uwagę koło wodne lub inny system hydroelektryczny.

Ale to, czego brakuje, to to, że wytwarzana moc nie zależy tylko od ilości przepływającej wody - zależy również od prędkości, z jaką to robi.(ma to sens dla systemu wodnego, ponieważ energia kinetyczna zależy od prędkości i masy)

Aby uczynić tę analogię lepszą, zamiast myśleć o prędkości przepływu, zastanów się, jak daleko spadł, aby ją osiągnąć.W tym momencie masz objętość wody na sekundę - prąd - i masz utratę wysokości, która jest dosłownie potencjalną różnicą.

Chciałbym umieścić to, co powiedzieli już inni, w równaniach:

Rzeka ma masowe natężenie przepływu $ \ dot m $ (kg / s) („prąd”). Woda płynie z prędkością $ v $ (m / s). Moc to energia kinetyczna przenoszona w jednostce czasu:

$$ \ dot W = \ frac {\ dot m v ^ 2} {2} $$ i zauważ, że ma to właściwe jednostki watów. Jeśli przyjmiemy, że „napięcie” wynosi $ v ^ 2/2 $ , otrzymamy $$ \ text {(moc)} = \ text {(prąd)} \ times \ text {(napięcie)} $$

Zauważ, że masowe natężenie przepływu nie jest wystarczające, aby zapewnić dużą moc. Gdy rzeka jest szeroka, prędkość jest mała. Jeśli chcesz, aby koło wodne działało szybko, zbuduj je przy wąskim przejściu.

Odmiana

Rzeka płynie ze stałym natężeniem przepływu $ \ dot m $ , szerokość rzeki jest stała na całej długości, ale rzeka musi przepływać przez wodospad, spadki według odległości $ \ Delta h $ . Prędkość w górnej części wodospadu wynosi $ v_1 $ , a na dole $ v_2 $ . Według bilansu energetycznego $$ \ frac {v_2 ^ 2-v_1 ^ 2} {2} = g \ Delta h $$ Moc , która jest dla nas dostępna, to $$ \ dot W = \ dot m \ frac {v_2 ^ 2-v_1 ^ 2} {2} $$ Musimy odjąć $ v_1 ^ 2 $ , ponieważ po uderzeniu w koło rzeka musi nadal płynąć ze stałą prędkością, w przeciwnym razie zostanie zalana. W połączeniu z bilansem energetycznym: $$ \ dot W = \ dot m g \ Delta h $$ Tutaj mamy teraz analogię jeden do jednego z prądem elektrycznym: $ \ dot m $ to prąd, a $ g \ Delta h $ to napięcie. Zwiększ napięcie, a ten sam prąd da więcej mocy.

Moc jest definiowana jako praca wykonana w jednostce czasu.Zatem masa wody przemieszczająca się z jednego potencjału do innego niższego potencjału może działać, gdy uderzy w koło.Ile pracy na jednostkę czasu?To zależy od tego, ile masy spada razy wysokość razy stała grawitacji g, a wszystko to podzielone przez czas.Z drugiej strony prąd wody to po prostu całkowita objętość lub masa, która przepływa w jednostce czasu.Jasne, jest to związane z wykonaną pracą lub mocą, ale to nie to samo.Jeśli zdefiniujesz grawitacyjną różnicę potencjałów jako gH, a przepływ wody jako dm / dt, to aby mieć moc, musisz mieć aktualne razy ta różnica potencjałów: gHdm / dt ... W przewodniku praca jest również wykonywana, a energia na jednostkę ładunku lub różnicę potencjałów jest podana przez U (napięcie), a prąd przez dQ / dt, więc wydaje mi się, że wszystko jest takie samo ...