Vì sao động năng gió đi qua một khung trong mỗi giây tăng theo lập phương tốc độ ở mô hình đơn giản?

Giải thích nguyên lý

Động năng mỗi kilôgam không khí tăng theo bình phương tốc độ. Đồng thời gió nhanh hơn đưa nhiều khối lượng đi qua cùng một tiết diện trong mỗi giây. Hai yếu tố nhân lại làm thông lượng động năng tăng theo v³ khi mật độ và diện tích giữ nguyên. Đây là năng lượng dòng khí tới, chưa phải công suất điện thu được từ turbine.

Ví dụ tính từng bước

Không khí có mật độ 1,20 kg/m³ đi đều qua khung 1 m². Ở v = 2 m/s, mỗi giây 2,40 kg đi qua, mỗi kg có động năng 2 J nên thông lượng 4,80 W. Ở v = 4 m/s, khối lượng mỗi giây 4,80 kg và động năng mỗi kg 8 J, cho 38,40 W. Tốc độ gấp hai cho thông lượng gấp tám, không chỉ gấp bốn.

Điểm dễ hiểu sai

Không coi turbine lấy được toàn bộ thông lượng này. Nếu dòng khí bị thay đổi bởi máy, cần mô hình khai thác riêng; không suy công suất của một thiết bị thật chỉ từ con số này.

Tự kiểm tra

Kiểm bằng P dòng = ρAv × v²/2, đơn vị kg/s nhân J/kg bằng W.

Điều kiện áp dụng

Dòng đều vuông góc khung, ρ và diện tích không đổi, chỉ xét động năng tịnh tiến của không khí trước khi gặp máy, không dùng định luật turbine nâng cao.

Đọc hình minh họa

Hai ống dòng qua cùng khung 1 m², lớp không khí đi trong một giây dài 2 m và 4 m; khối lượng dòng và động năng mỗi kg được ghép đúng. Các mũi tên chỉ đại lượng theo nhãn; hình định tính không dùng để đo tỉ lệ lực hoặc độ dài. Các đồ thị đọc theo số liệu và đơn vị hai trục.

Học tiếp

Công của lực bằng Fs cos alpha khi nào Định lí động năng liên hệ tổng công ra sao