113. Енергія води. Частина 1

Урок №113. Енергія води. Частина 1

---

Мета уроку: формувати в учнів уявлення про використання різних механізмів, які працюють за рахунок енергії води; зрозуміти практичне застосування енергії води в минулому; формувати екологічне мислення щодо використання природних ресурсів.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• 7. Відновлювальна енергетика.
• 12. Відповідальне споживання.
• 13. Боротьба зі зміною клімату.

Ключові слова: вода, енергія, водний млин, водяна лісопильня, водяна кузня (водяний молот), колесо Сегнера.

План уроку:

1. Мотиваційна частина.
2. Використання енергії води.
   • 2.1. Енергія води.
   • 2.2. Способи застосування енергії води.
   • 2.3. Колесо Сегнера.
3. Попрактикуймо самостійно.
4. Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителя:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість — до 3 хв.

Найдавніші джерела, у яких згадується механізм, що працює від води, походять від стародавніх греків і датуються приблизно 4000-м роком до нашої ери. 

Коли і як вперше була використана енергія води?

---

Посилання на відео:

---

Дружня порада вчителю

На цьому уроці ми не будемо обговорювати гідроелектростанції, спочатку ми почнемо з того, як люди використовували енергію води в давнину і як це вплинуло на розвиток суспільства в цілому.

Потрібно допомогти учням розібратися з принципом роботи механізмів, які працюють за рахунок енергії води, та з факторами, що впливають на продуктивність їхньої роботи.
Обговорити, які відбуваються перетворення енергії під час роботи.
Важливо розібратися з причинами використання людьми енергії води, як будівництво цих механізмів впливає на соціальне життя людей та навколишню природу.

2.1. Енергія води

Воду, як і її енергію, людство використовує дуже давно. Воду можна пити, вона живить рибу, яку можна їсти, у ній можна митися, а купання може бути дуже релаксивним.
Це очевидні способи використання, але дуже рано люди зрозуміли, що воду також можна використовувати для отримання енергії. Перші машини, які використовували енергію з води, були простими водяними колесами, які допомагали виконувати важку роботу.

На рисунку зображені дерев’яні водяні колеса, що працюють на Хуанхе в місті Ланьчжоу, Китай. Діаметром від 10 до 20 метрів вони використовуються для перекачування зрошувальної води (рис. 1).

З часом енергія води почала приводити в рух водяний млин (а), водяні лісопильні (б), водяний молот (в) (рис. 2).

З анімацією роботи цих пристроїв, можна познайомитися за посиланням:

• https://ua.mozaweb.com/Extra-3D_sceni-Vodyanij_mlin-38653

Дай відповіді на запитання:

1. Що спільного між усіма цими механізмами?
2. Яку механічну енергію має вода перед тим, як вона потрапляє на колесо?
   Які перетворення енергії відбуваються в процесі роботи цих пристроїв?
3. Які фактори впливають на продуктивність цих механізмів?
   Яким чином продуктивність механізмів можна підвищити?

---

2.2. Способи застосування енергії води

Водяні лісопильні

У Карпатах у XIX столітті активно використовували водяні лісопильні (тартаки). Одна з найбільших працювала в Яремчі, де річковий потік рухав леза пилки.

1. На якій річці була побудована ця лісопильня?
2. Чому саме на заході України були розповсюджені тартаки?
3. Уяви, що тобі потрібно відновити стару водяну лісопильню, але річка, на якій вона працювала, стала менш повноводною.
   Які зміни потрібно внести в конструкцію, щоб вона продовжувала ефективно працювати?
4. Якби сьогодні в Карпатах будували водяні лісопильні, які екологічні наслідки це могло б мати?
   Як можна зробити таке виробництво більш екологічним?

Водяні млини

На території Україні в XIX-XX століттях було побудовано багато водяних млинів. Один із них, млин графа Потоцького, розміщується на мальовничій річці Південний Буг у селі Сокілець Немирівської громади. Він збудований німецькими майстрами у 1899 році на замовлення графа Костянтина Потоцького (рис. 3).

1. Чому для будівництва млина запросили німецьких майстрів?
2. Чому саме в XIX столітті будівництво водяних млинів стало особливо популярним в Україні?
3. Як млин графа Потоцького вплинув на економічний розвиток регіону?

Водяна кузня (водяний молот)

Гамора — єдина в Україні водяна кузня, що досі функціонує і є історичною пам’яткою XVIII століття. Розташована на річці Лисичанка в селі Лисичово Іршавського району Закарпатської області (рис. 4).

4. Які технічні переваги давала водяна система порівняно з іншими джерелами енергії, такими як ручна праця або вітряні млини?
5. Яким чином забезпечується стабільна робота водяної кузні при різному рівні води в річці?
6. Відшукай приклади (по 3 шт.) водних млинів, лісопилень, водяних молотів  на території України та познач їхнє приблизне розташування на карті (табл. 1, рис. 5).

Табл. 1

Використання енергії води	Приклади на території України
Водяний млин
Лісопильня
Водяний молот

Водяні колеса належать до однієї з двох категорій, які визначаються площиною обертання колеса:

• горизонтальний, тобто колесо, що обертається навколо вертикальної осі (рис. 7).

• вертикальний, тобто колесо, що обертається навколо горизонтальної осі (рис. 8).

7. Чому, на твою думку, у більшості випадків використовувалося вертикальне колесо?

Вертикальні водяні колеса можна класифікувати на чотири типи.
Переглянь таблицю, але вона заповнена неправильно. 

8. Самостійно встанови відповідність між назвою, схематичним зображенням та характеристиками (табл. 2).

Табл. 2

	Назва		Схематичне зображення		Характеристика
1	Нижньобійне чи підливне	А		С	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода вдаряє по колесі приблизно посередині, зазвичай між 1/4 і 3/4 висоти. Рушійні поверхні — черпаки — їхня форма покликана забезпечити плавне надходження води. Вода — значний обсяг, середня висота падіння. ККД — 50-60 %
2	Середньобійне	Б		D	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода б’є поблизу верху колеса за валом, таким чином, що воно обертається в напрямку течії. Рушійні поверхні — черпаки. Вода — малий обсяг, значна висота падіння. ККД — 80-90 %
3	Задньобійне	В		E	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода б’є поблизу верху колеса перед валом, таким чином, що воно обертається в напрямку, зворотному течії. Рушійні поверхні — черпаки. Вода — малий обсяг, значна висота падіння.
4	Верхньобійне (наливне)	Г		F	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода вдаряє зверху вниз по нижній чверті колеса. Рушійні поверхні — лопаті — плоскі до XVIII ст., пізніше вигнуті. Вода — великий обсяг, мала висота падіння. ККД — близько 20 % до XVIII ст., пізніше 50-60 %

Відповіді до завдання в табл. 2:
1-В-F
2-Г-C
3-А-E
4-Б-D

---

2.3. Колесо Сегнера

Янош Сегнер (німецький фізик і винахідником) був першим, хто придумав елементарну концепцію турбіни. У 1747 році він почав публікувати свої перші праці в галузі гідравліки та теорії турбін. Ймовірно, найвідомішим його винаходом у цій галузі є так зване колесо Сегнера (1750) (рис. 9).

Уся конструкція, в основному, є циліндричною посудиною, наповненою водою, з кількома трубками внизу, що тягнуться радіально назовні, з соплами на кінцях, що зігнуті в одному напрямку. Хоча ця машина ніколи не знайшла широкого використання, це був важливий еволюційний крок на шляху до всіх більш сучасних типів турбін. Сегнер, ймовірно, також був першим, хто використав зігнуту трубу для вимірювання швидкості води.

1. Поясніть принцип роботи колеса Сегнера. 
2. Від чого може залежати швидкість його обертання?
3. Чим принцип роботи колеса Сегнера подібний, а чим відмінний до пристрою, який зображений на рис. 10?

Геронова куля — прототип парової турбіни, побудованої у I столітті, автор Герон Александрійський (рис. 11).

4. Поясни, у чому схожість, а в чому відмінність в конструкції та в принципі роботи кулі Герона та колеса Сегнера.

---

Дружня порада вчителю

Це завдання може бути як індивідуальним, так і груповим. Воно розраховане за часом, звичайно, не на урок — це проєкт, для реалізації якого потрібно підготувати не тільки матеріали, а й технічно реалізувати модель.

Ми багато дізналися про використання енергії води.
Створіть модель колеса Сегнера.

Рівень А: запропонуйте список матеріалів, які потрібні для виготовлення моделі.
Рівень В: + опишіть план виготовлення моделі.
Рівень С: + створіть модель, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки роботи моделі.

---

Продовжіть речення:
Я думаю, енергію води ще можна використати для…

---

Урок №113. Енергія води. Частина 1

---

Мета уроку: формувати в учнів уявлення про використання різних механізмів, які працюють за рахунок енергії води; зрозуміти практичне застосування енергії води в минулому; формувати екологічне мислення щодо використання природних ресурсів.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• 7. Відновлювальна енергетика.
• 12. Відповідальне споживання.
• 13. Боротьба зі зміною клімату.

Ключові слова: вода, енергія, водний млин, водяна лісопильня, водяна кузня (водяний молот), колесо Сегнера.

План уроку:

1. Мотиваційна частина.
2. Використання енергії води.
   • 2.1. Енергія води.
   • 2.2. Способи застосування енергії води.
   • 2.3. Колесо Сегнера.
3. Попрактикуймо самостійно.
4. Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

---

Коли і як вперше була використана енергія води?

---

Посилання на відео:

---

2.1. Енергія води

Воду, як і її енергію, людство використовує дуже давно. Воду можна пити, вона живить рибу, яку можна їсти, у ній можна митися, а купання може бути дуже релаксивним.
Це очевидні способи використання, але дуже рано люди зрозуміли, що воду також можна використовувати для отримання енергії. Перші машини, які використовували енергію з води, були простими водяними колесами, які допомагали виконувати важку роботу.

На рисунку зображені дерев’яні водяні колеса, що працюють на Хуанхе в місті Ланьчжоу, Китай. Діаметром від 10 до 20 метрів вони використовуються для перекачування зрошувальної води (рис. 1).

З часом енергія води почала приводити в рух водяний млин (а), водяні лісопильні (б), водяний молот (в) (рис. 2).

З анімацією роботи цих пристроїв, можна познайомитися за посиланням:

• https://ua.mozaweb.com/Extra-3D_sceni-Vodyanij_mlin-38653

Дай відповіді на запитання:

1. Що спільного між усіма цими механізмами?
2. Яку механічну енергію має вода перед тим, як вона потрапляє на колесо?
   Які перетворення енергії відбуваються в процесі роботи цих пристроїв?
3. Які фактори впливають на продуктивність цих механізмів?
   Яким чином продуктивність механізмів можна підвищити?

---

2.2. Способи застосування енергії води

Водяні лісопильні

У Карпатах у XIX столітті активно використовували водяні лісопильні (тартаки). Одна з найбільших працювала в Яремчі, де річковий потік рухав леза пилки.

1. На якій річці була побудована ця лісопильня?
2. Чому саме на заході України були розповсюджені тартаки?
3. Уяви, що тобі потрібно відновити стару водяну лісопильню, але річка, на якій вона працювала, стала менш повноводною.
   Які зміни потрібно внести в конструкцію, щоб вона продовжувала ефективно працювати?
4. Якби сьогодні в Карпатах будували водяні лісопильні, які екологічні наслідки це могло б мати?
   Як можна зробити таке виробництво більш екологічним?

Водяні млини

На території Україні в XIX-XX століттях було побудовано багато водяних млинів. Один із них, млин графа Потоцького, розміщується на мальовничій річці Південний Буг у селі Сокілець Немирівської громади. Він збудований німецькими майстрами у 1899 році на замовлення графа Костянтина Потоцького (рис. 3).

1. Чому для будівництва млина запросили німецьких майстрів?
2. Чому саме в XIX столітті будівництво водяних млинів стало особливо популярним в Україні?
3. Як млин графа Потоцького вплинув на економічний розвиток регіону?

Водяна кузня (водяний молот)

Гамора — єдина в Україні водяна кузня, що досі функціонує і є історичною пам’яткою XVIII століття. Розташована на річці Лисичанка в селі Лисичово Іршавського району Закарпатської області (рис. 4).

4. Які технічні переваги давала водяна система порівняно з іншими джерелами енергії, такими як ручна праця або вітряні млини?
5. Яким чином забезпечується стабільна робота водяної кузні при різному рівні води в річці?
6. Відшукай приклади (по 3 шт.) водних млинів, лісопилень, водяних молотів  на території України та познач їхнє приблизне розташування на карті (табл. 1, рис. 5).

Табл. 1

Використання енергії води	Приклади на території України
Водяний млин
Лісопильня
Водяний молот

Водяні колеса належать до однієї з двох категорій, які визначаються площиною обертання колеса:

• горизонтальний, тобто колесо, що обертається навколо вертикальної осі (рис. 7).

• вертикальний, тобто колесо, що обертається навколо горизонтальної осі (рис. 8).

7. Чому, на твою думку, у більшості випадків використовувалося вертикальне колесо?

Вертикальні водяні колеса можна класифікувати на чотири типи.
Переглянь таблицю, але вона заповнена неправильно.

8. Самостійно встанови відповідність між назвою, схематичним зображенням та характеристиками (табл. 2).

Табл. 2

	Назва		Схематичне зображення		Характеристика
1	Нижньобійне, чи підливне	А		С	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода вдаряє по колесі приблизно посередині, зазвичай між 1/4 і 3/4 висоти. Рушійні поверхні — черпаки — їхня форма покликана забезпечити плавне надходження води. Вода — значний обсяг, середня висота падіння. ККД — 50-60 %
2	Середньобійне	Б		D	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода б’є поблизу верху колеса за валом, таким чином, що воно обертається в напрямку течії. Рушійні поверхні — черпаки. Вода — малий обсяг, значна висота падіння. ККД — 80-90 %
3	Задньобійне	В		E	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода б’є поблизу верху колеса перед валом, таким чином, що воно обертається в напрямку, зворотному течії. Рушійні поверхні — черпаки. Вода — малий обсяг, значна висота падіння
4	Верхньобійне (наливне)	Г		F	Вертикальне колесо з горизонтальним валом. Вода вдаряє зверху вниз по нижній чверті колеса. Рушійні поверхні — лопаті — плоскі до XVIII ст., пізніше вигнуті. Вода — великий обсяг, мала висота падіння. ККД — близько 20 % до XVIII ст., пізніше 50-60 %

---

2.3. Колесо Сегнера

Янош Сегнер (німецький фізик і винахідником) був першим, хто придумав елементарну концепцію турбіни. У 1747 році він почав публікувати свої перші праці в галузі гідравліки та теорії турбін. Ймовірно, найвідомішим його винаходом у цій галузі є так зване колесо Сегнера (1750) (рис. 9).

Уся конструкція, в основному, є циліндричною посудиною, наповненою водою, з кількома трубками внизу, що тягнуться радіально назовні, з соплами на кінцях, що зігнуті в одному напрямку. Хоча ця машина ніколи не знайшла широкого використання, це був важливий еволюційний крок на шляху до всіх більш сучасних типів турбін. Сегнер, ймовірно, також був першим, хто використав зігнуту трубу для вимірювання швидкості води.

1. Поясніть принцип роботи колеса Сегнера. 
2. Від чого може залежати швидкість його обертання?
3. Чим принцип роботи колеса Сегнера подібний, а чим відмінний до пристрою, який зображений на рис. 10?

Геронова куля — прототип парової турбіни, побудованої у I столітті, автор Герон Александрійський (рис. 11).

4. Поясни, у чому схожість, а в чому відмінність в конструкції та в принципі роботи кулі Герона та колеса Сегнера.

---

Ми багато дізналися про використання енергії води.
Створіть модель колеса Сегнера.

Рівень А: запропонуйте список матеріалів, які потрібні для виготовлення моделі.
Рівень В: + опишіть план виготовлення моделі.
Рівень С: + створіть модель, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки роботи моделі.

---

Продовжте речення:
Я думаю, енергію води ще можна використати для…

---