Fontána s otáčivou koulí poháněná sluneční energií

Rotating ball fountain

V kamenném lůžku (vytvořeném přesně podle zakřivení koule) se na vodním proudu lehce otáčí leštěná mramorová koule o průměru 40 cm a vytváří tak úžasný efekt.

Na první pohled bychom mohli soudit, že koule je dutá a lehká. Ve skutečnosti je ale výroba takové dokonalé duté koule technicky nereálná, koule je plná a překvapivě těžká – její hmotnost činí přibližně tři čtvrtě tuny!

Hmotnost získáme jako součin hustoty (pro mramor 2 800 kg.m-3) a objemu koule: m = . V = . 4/3 r3 = 2 800 kg.m-3. 4/3 . 3,14 . (0,4 m)3 = 750 kg.

I tak těžká kamenná koule se ale překvapivě snadno otáčí ve všech směrech, i dítě ji může lehce dlaní zastavit nebo naopak roztočit do vyšších otáček.

Princip činnosti je založen na známém Archimédově zákoně, resp. kombinaci působení hydrostatického a hydrodynamického tlaku proudící vody.

Těleso ponořené do tekutiny (kapaliny nebo plynu) je nadlehčováno silou, rovnající se tíze kapaliny stejnéhoobjemu jako je ponořená část tělesa.

Svou roli hraje také vysoké povrchové napětí vody.

Povrch kapaliny se chová tak, jako by byl tvořen velmi tenkou pružnou vrstvou (jako by elastickou fólií), která se snaží stáhnout povrch kapaliny tak, aby měl při daném objemu kapaliny co nejmenší plochu (povrch tekutiny se vlastně snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií).

Povrchové napětí způsobuje, že některé druhy hmyzu (například vodoměrky) se mohou pohybovat po vodní hladině.

Koule vlastně plave a klouže na tenké vrstvičce vody. Potřebnou vrstvu vody vytváří skryté čerpadlo, které do kulového podložního lůžka přivádí malý proud vody ze spodní nádrže. Vzhledem k relativně velké ploše ponořené části koule, je nezbytný tlak poměrně malý.

Ponořená část koule má plochu tvaru kulového vrchlíku. Plocha Sv kulového vrchlíku se rovná ploše kruhu, jehož poloměr se rovná vzdálenosti (2 + v2) vrcholu vrchlíku od jeho kruhového okraje. Tj. Sv =  (2 + v2) = 2rv.

Poznámka: Plocha S povrchu celé koule je rovna čtyřnásobku plochy jejího největšího kruhu (S = 4r2

Odhadneme-li, že koule je ponořena asi 5 cm (tj. v = 0,05 m),

činí plocha ponořené části Sv = 2rv = 2.3,14.0,4.0,05 = 0,125 m2 = 1250 cm2.

Tlak v obyčejném vodovodním potrubí je přitom obvykle asi 0,25 MPa, tj. 250 000 N/m2 = 250 000 N/10 000 cm2 = 25 N/cm2 (což zhruba odpovídá tíze 2,5 kg/cm2). Tlaková síla 25 N působí na každý z 1250 cm2. Voda, která vyplňuje sotva milimetrovou mezeru, tak dokáže unést tíhu více než 30 000 N (přesně 1250×25 N), tj. kouli vážící více než 3 000 kg = 3 tuny!

Hvězda zvaná Slunce

Slunce (obrovská žhavá koule složená převážně z vodíku) je od Země vzdáleno asi 150 milionů km. Sluneční paprsek urazí tuto vzdálenost za 8 minut a 20 vteřin. V nitru Slunce se za obrovských teplot (13 milionů K) a tlaků (20 miliard MPa) částice vodíku prudce a často sráží a splývají přitom v nové jádro hélia – tak se mění vodík na hélium a uvolňuje se přitom obrovská energie.

Každou sekundu se během této tzv. termonukleární reakce přemění přibližně půl miliardy tun vodíku v hélium. Zároveň se přitom každou vteřinu uvolní energie 3,8.1026 joulů (tj. výkon 3,8.1026 W). Pouhá jedna dvoumiliardtina z této celkové energie vyzářené Sluncem dopadne na naší Zemi (celá třetina této dávky se navíc odrazí zpět do vesmíru), přesto na ní závisí vše živé na Zemi.
Energie všech živých organismů, v pohybu vzduchu, řek a mořských proudů, v myšlence i ve svalech, v úsměvu i mamutích strojích – to jsou ve skutečnosti jen některé příklady různé formy téže energie, uvolněné ve Slunci.

Z množství helia a vodíku bylo vypočteno, že Slunce svítí téměř 5 miliard let a bude svítit ještě 10 miliard let.

Sluneční energie

Na každý čtvereční metr naší krajiny, povrchu střechy, porostu, silnice nebo vodní hladiny dopadá v našich podmínkách za jeden rok průměrně asi 1200 kWh sluneční energie, to je srovnatelné s množstvím energie uvolněné při spálení 250 kg uhlí. Elektrifikovaná domácnost spotřebuje

15-20 MWh, tedy
tolik, kolik dopadne za rok na méně než 20 m2.

Zdroj: http://www.bramac.cz/fileadmin/rootBramac/bramac_czech/Produkte/Bilder/Solar/slunecni_energie.jpg

Velká krychle představuje energii dopadající na zemi za jeden rok. Menší krychle symbolizují dostupné zásoby energie na naší planetě a nejmenší krychle znázorňuje celosvětovou roční potřebu energie.

Byla vyvinuta různá zařízení k využití sluneční energie. Této nejhojnější, nejčistší, nejlevnější („palivo“ je zadarmo) a (v mezích lidských měřítek času) nevyčerpatelné formy energie.

Na naší planetu Zemi dopadá v průměru 89 000 TW (terawattů) sluneční energie, což je mnohotisíckrát více než potřebuje celé lidstvo se svou vyspělou technikou. Budoucnost patří slunci!

Elektřina ze slunečního záření

Přímá přeměna slunečního záření v elektrickou energii se uskutečňuje pomocí tzv. fotovoltaického jevu

Dopadající světelné částice uvolňují z tenkých destiček některých polovodičů (např. křemíku) záporné elektrony, které se tím oddělí od kladných nábojů. Vzniká tak elektrické napětí. Spojíme-li osvětlenou a neosvětlenou stranu destičky drátem, volné elektrony se jím vracejí – získáváme elektrický proud.

Solární článek vyrobený z monokrystalického křemíkového plátku

Spalováním fosilních zdrojů (uhlí, ropa, plyn) využíváme energie naakumulované v minulých geologických dobách fotosyntézou s účinností maximálně 1%. Tyto zdroje se tvořily miliony let, ale naší civilizaci vystačí nejvýše ještě na pár stovek let.

Fosilní paliva musíme vytěžit, zpracovat a dovézt ke spotřebiteli, jejich spálením využíváme sluneční energii s účinností menší než jedno promile. Sluneční kolektory pracují s účinností několika desítek procent celoročně.

Slunce bude ještě nejméně 10 miliard let zahřívat naši planetu na příjemnou teplotu. Na každý čtverečný metr našeho území posílá ročně energetický ekvivalent dvou a půl metráku uhlí. Stojí tedy za to se sluneční energií zabývat.

Zdroj: http://apod.nasa.gov/apod/image/1104/arp273_hst.jpg

Obrázek pořídil Hubblův kosmický dalekohled umístěný na oběžné dráze kolem naší Země.

Kosmická fontána

Vesmírný portrét dvou nádherných galaxií (seskupení stovek miliard hvězd), které se nacházejí daleko za naší Galaxií (Mléčnou dráhou) ve vzdálenosti přes 300 miliónů světelných let. Jejich zborcený vzhled připomínající výtrysk fontány je způsoben gravitačními silami při vzájemných těsných přiblíženích obou hvězdných ostrovů (jádra obou galaxií odděluje astronomicky nahlíženo pouhých 100 000 světelných roků).

Paprsčité hvězdy v popředí tohoto kosmického portrétu jsou uvnitř naší vlastní Mléčné dráhy.