수력으로 수운을 발굴 할 수 있습니까?
상황 : 거의 평평한 땅의 넓은 공간 위에 매우 큰 저수지가 있습니다. 저수지 바닥에서 땅은 10,000 분의 1의 매우 완만 한 기울기로 떨어집니다. 높은 저수지에있는 물의 배출량은 일련의 수문을 통해 제어 할 수있어 초당 0 ~ 1000 입방 미터의 물 흐름을 아래의 평평한 땅으로 전달합니다.
사람들은 저수지 바닥에서 400km 떨어진 강으로 물을 공급하기 위해 평평한 땅을 가로 질러 운하를 만들고 싶어합니다. 흐름 중 어느 것이이를 수행하는 가장 쉬운 방법이며 가능성이있는 어려움은 무엇입니까?
- 그들은 물을 들여 오기 전에 400km 전체를 파 내야합니다.
- 그들은 단지 물을 내놓을 수 있으며 강으로가는 길을 찾고 자체 채널을 파낼 것입니다.
- 그들은 넓고 얕은 가이드 채널을 파서 흐르는 물이
- 좁은 깊은 가이드 채널을 파고 흐름이 측면을 침식하도록해야합니다.
일정한 유량 또는 펄스 유량을 사용하는 것이 더 좋을까요? #
명확하게 편집
땅은 일반적으로 모래, 양토 또는 점토와 같은 느슨한 물질이며 대부분 균질합니다. 표면은 건조하지만 지하 수면을 파 내면서 점점 축축 해집니다. 큰 차이가 있다면 그 이유를 설명하십시오.
저수지가 수문에서 선택한 유속으로 무한정 일정한 물의 흐름을 제공 할만큼 충분히 크다고 가정합니다. 물은 원하는 속도로 흐를 수 있으며 수문을 통과 할 때 깊은 급류 또는 넓고 얕은 하천으로 유입 될 수 있습니다. 저수지의 기초는 손상되지 않습니다 (범위 외).
이것을 생각하는 또 다른 방법은 시작 상황이 주어지면 물이 자체 채널을 파낼 수 있습니까? 그렇다면 그것을 장려하기 위해 흐름을 구성하는 것이 가장 좋습니다.
답변
"매우 큰 저수지가 거의 평평한 땅의 넓은 공간 위에 올려 져 있습니다. 저수지 바닥에서 땅은 10,000 분의 1의 매우 완만 한 기울기로 떨어집니다. [...] 사람들은 건설을 원합니다. 저수지 바닥에서 400km 떨어진 강으로 물을 공급하기 위해 평평한 땅을 가로 지르는 운하. "
우선, 그들은 운하로 흐르는 물의 hidraulic head를 제어 할 수 있도록 큰 보상 저수지 를 파야합니다 . 수원이 수로보다 수백 미터 위에있는 것을 절대 원하지 않습니다. 물은 펜 스톡에 의해 고압으로 직접 전달됩니다 . 그들이 원하는 것은 다음과 같습니다.
\-------------------/ \ - - Upper - - - / control valve ___ constant level of water \ - reservoir - / || | \ - - - - - - /____||___\--------------v--/--||----------------------- \ - - - - - __penstock___ compensation ____||_________canal_________ \---------/ || \ reservoir / || \-----------/ outflow sluice10,000 분의 1은 작은 기울기입니다. 물은 천천히 흐를 것입니다. 1,000m³ / 초의 차변을 제공하려면 매우 큰 운하가 필요합니다.
비교를 위해 아스완에서 바다까지의 나일강 하류의 평균 경사는 13,300 분의 1입니다. 평균 해산 속도는 약 2800m³ / 초이며 강의 폭은 2.8km (1.7 마일), 깊이는 약 10m입니다. 그들의 운하는 폭이 약 1km (0.6 마일)가 될 것입니다. 그것은 매우 넓은 운하입니다.
작은 경사면을 흐르는 강은 통제되지 않는 한 예측할 수없이 코스를 이동하는 경향이 있습니다. 사람들은 운하를 유지하기 위해 상당한 자원과 인력을 지출해야합니다.
큰 강은 강력한 침식 력입니다. 그들은 보상 저수지에서 바다로 일정한 기울기를 통해 자유롭게 흐르도록 설득 할 수 없습니다. 이것은 최소 행동 원칙의 결과입니다 . 그들이 물을 자유롭게 흐르게하면, 그것은 근원에서 깊은 계곡을 파 내고 입쪽으로 매우 넓은 계곡을 파는 경향이 있습니다. 그들은 이것을 원하지 않으므로 운하의 경로를 댐이나 위어로 구분 된 섹션으로 설계해야합니다.
이제 질문에 제시된 네 가지 옵션에 대해 설명합니다.
옵션 1, 물을 넣기 전에 운하를 파십시오 : 그들이하고있는 일을 알고 있다면 안정적인 운하를 만들 수 있습니다. 그들은 물을 넣기 전에 모든 것을 파낼 필요가 없습니다 . 그들은 한 부분을 파고, 물이 그 안으로 흐르게 한 다음 다른 부분을 파는 등의 작업을 할 수 있습니다.
옵션 2, 3 및 4는 모두 강이 자신에게 맞는 방향으로 코스를 자르도록 내버려 둡니다. 그러면 운하가 아닌 자연 강이됩니다. 그들은 보상 저수지의 출구에서 강의 초기 부분에 대해 옵션 1 을 채택 해야 할 것입니다. 그렇지 않으면 강이 작업을 침식시킬 것입니다. 이러한 옵션은 물이 흐르도록 할 때 평야가 인구가 많지 않으면 강이 안정되도록 한 다음 주민들을 끌어들일 수 있습니다. 그러나 그들이 강의 흐름을 예측할 수 있기를 원하거나 자연 강의 가변 경사 프로파일을 채택하는 것을 허용하지 않으려는 경우 이러한 옵션은 권장되지 않습니다.
@AlexP의 대답은 환상적이었습니다. 나는 그것을 찬성했다. 당신도 그래야합니다. 하지만 대안이있을 수 있습니다 ....
유압 채굴 기법 사용
수압 채광은 고압의 물 분사를 사용하여 암석 물질을 제거하거나 퇴적물을 이동시키는 채굴의 한 형태입니다. ( 소스 , 또한 아래 이미지)
많은 압력이 가해 지도록 물을 종단 (바다)까지 가져 오는 파이프를 설치 한 다음 운하를 앞뒤로 깎아서 침전물을 바다로 (천천히) 씻어냅니다. 해당 지역의 광물 매장지에 따라이 방법은 사금 채굴 기술 (수문을 사용하여 무거운 광물을 추출)과 결합하여 해당 광물을 추출하고 (불신앙의 관점에서) 프로젝트 비용을 지불 할 수 있습니다.
TL : DR
한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 40 미터 만 떨어지고지면이 상대적으로 평평하고 장애물이없고 초당 1000m3의 흐름을 따라가는 것이 최선의 선택이라는 사실을 감안할 때 채널을 침식하는 것도 잊어 버리고, 파일럿 채널을 파는 것도 잊고, 실제로 파낸 채널을 조용히 잊고, 쌍둥이 400km를 짓는 것뿐 일 수 있습니다. 긴 5m. 물을 흘려 보내기 위해 높은 제방.
넓은 채널을 사용하면 훨씬 적은 재료를 이동하게 될 수 있습니다. 제방 벽은 채널의 치수 근처에 없습니다.
에너지의 차이 때문에 물이 흐릅니다. 잠재적 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다. 위치 에너지가 높을수록 운동 에너지와 그에 따른 흐름이 커집니다. 10 톤의 물이 수로를 통해 흐릅니다. 무엇보다도 먼저 10 톤의 물에 충분한 에너지가 가해져 움직일 수 있기 때문입니다 (가속화). 400km의 마찰을 통해 10 톤의 물이 이동하도록 유지합니다. 채널의 경우 처음에는 많은 관성과 마찰을 극복 할 수있는 충분한 에너지의 조합이 필요합니다. 40m의 낙하. 400km에서. 초당 1000 입방 미터로 거칠고 바위가 많은 구불 구불 한 수로를 통해 10 톤의 물을 이동시키기 위해 많은 잠재 에너지를 공급하지 않습니다. 물은 머리 끝의 둑을 넘쳐 땅으로 사라지거나 증발하거나 웅덩이에서 정체 될 때까지 평야 위로 넘쳐 나올 것입니다.
둑이 더 부드럽고 직선적이며 마찰이 적을수록 동일한 치수의 수로에서 더 많은 물이 흐를 수 있습니다.
로마 수도관은 봉인 된 파이프 였기 때문에 성공적이었습니다. 따라서 수로를 가압 할 수있었습니다. 물은 높은 소스 압력에서 파이프를 통해 '밀어 나올'수 있으므로 압력 에너지는 소스에서보다 코스를 따라 훨씬 더 많이 억제되고 소멸 될 수 있습니다. 강으로 시도하면 물은 수원의 압력으로 팽창하여 홍수를 통해 빠르게 소실됩니다.
침식은 물에 침식 된 물질을 실제로 어느 정도 멀리 운반하기에 충분한 에너지가있을 때만 발생합니다. 물에 모래 입자의 관성을 극복하기에 충분한 에너지가 없으면 모래 입자는 아무데도 가지 않습니다. 전체 채널에 오류가 발생하려면 이동해야하는 해당 채널의 모든 재료 (전체 질량)의 관성을 극복 할 수있는 충분한 에너지가 필요합니다. 당신은 단지 10 톤의 물을 옮기는 것이 아니라 10 톤의 물과 10 톤의 지구를 옮기는 것입니다 (숫자는 단지 설명을위한 것입니다).
그 400km에 걸쳐 물을 얻으려면. 전체 거리를 확보 할 수있을만큼 소스에 많은 에너지를 축적해야합니다. 이제 오류를 일으키려면 물과 지구를 400km만큼 이동시킬 수있는 충분한 에너지를 원천에 공급해야합니다. 강은 포물선 모양을 사용하여이를 수행합니다. 처음에는 가파르고 끝은 더 얕습니다. 롤러 코스터 트랙이나 슬라이드처럼. 가파른 경사를 내려가는 속도를 높이고 에너지를 축적 한 다음 해안을 따라갑니다. 가파른 낙하에있는 10 톤의 물은 이제 400km를 가로 질러 자신과 지구 10 톤을 이동하기에 충분한 에너지를 축적했습니다. 바라건대 표면의. 그 과정에서 추가되는 에너지는 거의 없을 것입니다.
저수지 상단에서 10 톤의 물이 이동하여 경사면으로 떨어지게하여 속도를 높이고 싶습니다. 그러나 단순히 땅에 충돌하는 것을 원하지는 않습니다. 그것은 절벽에서 편도 여행과 같습니다. 지면에 큰 반점이 있고 큰 구멍이 있지만 측면 움직임은 많지 않습니다. 하단에 포물선 채널이 필요합니다. 벡터를 바꿀 것입니다. 수직 운동에서 수평 운동으로. 한 번의 빅뱅으로 에너지가 소멸되는 것을 원하지 않고 다운 스트림으로 전달되기를 원합니다.
따라서 소스에서 많은 엔지니어링을 원합니다. 저수지의 경사면 아래에 포물선 모양으로 만들어진 수로. 우연에 맡길 수없는 디자인. 자연은 'splat'옵션 인 폭포를 선호하는 것 같습니다. 바로 아래로.
헤드 엔드에서 엔지니어링을 얻고 바닥에서 흐름을 부채질하는 대신 한 방향으로 방향을 지정하는 엔지니어링을 사용하면 10 톤의 물이 10 톤의 토양을 운반하기에 충분한 에너지를 가지고 있는지 결정할 수 있습니다. 또는 질량이 실제로 무엇이든. 10 톤 이상이면 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다. 10 톤 미만이면 많은 에너지가 필요하지 않습니다. 이는 공학적 계산입니다. 이동해야하는 재료의 양, 이동해야하는 거리, 마찰을 극복하기 위해 먼저 가속 (관성)하는 데 필요한 에너지입니다. 실제 물질이 알려지기 전까지는 헤드 엔드가 얼마나 높은지 (중력으로 인한 잠재적 에너지), 그리고 물이 얼마나 많이 움직이는 지 알 수 없습니다.
한 가지는 확실합니다. 물이 강에 도달하려면 지시가 필요합니다. 물이 따라갈 수있는 자연적인 길이 있습니까, 아니면 땅이 거의 평평합니까? 땅이 평평할수록 물이 더 많이 퍼져서 에너지를 매우 넓은 지역에 분산시킵니다. 팬에서 면적은 원천으로부터의 거리로 제곱되므로 물은 원천에서 멀어 질 때 물질을 운반하는 능력을 매우 빠르게 상실합니다.
자연적인 직선 코스가 없다면 물은 '지시'되어야합니다. 예, 파일럿 채널을 파서 할 수 있지만 제방을 건설하여 할 수도 있습니다. 어느 쪽을 선택하든 당신이 파고있는 재료와 제방 건설에 적합한 재료의 가용성에 따라 달라집니다. 지면이 평평하고 단단하며 강하고 연속적인 기반암이지만 더 세밀한 채움이 근처에 풍부하다면 제방을 만드는 것이 최선의 선택 일 것입니다. 땅은 평평하므로 제방 벽은 땅과 평행합니다. 또는 땅을 파기 쉽거나 폭발물이나 파워 빔이 많이있는 경우 채널을 발굴하는 것이 좋습니다. 단단한 암석에서 같은 암석을 잘라내어 이동하는 것보다 큰 암석을 이동하는 것이 훨씬 쉽습니다.
이제 끝을 고려해야합니다. 이 채널은 무엇으로 유입됩니까? 강, 수영장, 호수 또는 바다? 이 끝점의 표면은 헤드 끝보다 40 미터 만 낮다는 것을 기억하십시오. 조력? 바람에 의한 파도? 홍수? 물이 수로 위로 밀려 나가는 것이 허용됩니까? 마지막에 물의 흐름은 얼마나 깊습니까? 깊이가 10 미터에 불과한 강이라면 수로의 깊이는 10 미터를 넘을 수 없으며 역류 가능성이 있습니다. 해안이 얕은 경우 파낸 수로는 해안에서 멀리 파 내야합니다. 수로가 깊을수록 더 멀리 파야합니다. 물의 흐름은 모든 침전물과 더불어 초당 1000 입방 미터의 물을 수용 할 수 있습니까? 물 밖으로 침전되는 모든 침전물에 대해 걱정할 필요가 있습니까? 하나의 거대한 강 삼각주로 끝날 것입니까? 아니면 목적지에서 침전물을 제거하기에 충분한 물 이동이 있습니까?
제방을 사용하는 경우 수로를 파는 대신 물 흐름의 바닥 (지상 높이)은 여전히 강 표면 수준보다 높습니다. 채널 물은 INTO가 아닌 기존 물 흐름의 상단으로 흐릅니다. 해안선이 얼마나 얕은지는 중요하지 않으며 추가 물 흐름을 여전히 추가 할 수 있습니다.