چکیده:
هر نقطه از گیتی که دارای اتمسفر باشد، باد نیز در آن جریان خواهد داشت. به طور ساده می‌توان گفت که باد، هوای در حال جریان است. بادها می‌توانند سهمگین باشند، بدین معنا که از قدرت و نیروی بسیاری برخوردار باشند. به همین دلیل است که بادهای طوفانی می‌توانند سقف خانه‌ها را از جا درآورند. بادهای ضعیف نیز در صورتیکه توسط توربین‌ها مهار ‌شوند می‌توانند برق شهرها و روستاها را تأمین سازند.

تعداد کلمات: 1050   /   تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه
مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

مسابقات برودکام مسترز (Broadcom MASTERS) هر ساله 30 دانش آموز مقطع متوسطه را گرد هم آورده تا به صورت تیمی با یکدیگر به رقابت بپردازند. ( MASTERSبه معنای ریاضیات، علوم کاربردی، فناوری و مهندسی به منظور کشف استعدادهای درخشان است). این برنامه توسط سازمان Society for Science & the Public  بنا نهاده شد. مؤسسه برودکام واقع در کالیفرنیا اسپانسر این رویداد است.

سارا کافمن (Sara Kaufman) 12 ساله شرکت کننده از کوپر سیتی فلوریدا، تجهیزاتی را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده بود که صاحبان خانه ممکن است به منظور حفاظت از سقفهای خانه‌هایشان در طول طوفان مورد استفاده قرار دهند. این پروژه موجب کسب مقام دوم او در بخش ریاضیات به ارزش 2500 دلار شد.

گونه‌ی مخرب نیروی باد
سارا در صحبتهای خود چنین عنوان می‌کند که یک طوفان به راحتی می‌تواند موجب وارد آمدن میلیاردها دلار خسارت به خانه‌ها و کسب و کار شود. بخش اعظم این خسارت به دلیل بروز امواج خروشان یا خیزاب خواهد بود. این وضعیت هنگامی رخ می‌دهد که بادهای قوی، آب اقیانوس را به سمت ساحل رانده و در مناطق ساحلی سیل به راه می‌اندازند. با این حال خسارات فراوانی نیز ناشی از بادهای طوفانی خواهد بود. این بادها می‌توانند درختان را بر روی خانه‌ها فروافکنده و دیوارها را فروریزند. آنها همچنین می‌توانند به سقف خانه‌ها آسیب وارد سازند. طوفان به راحتی می‌تواند موجب وارد آمدن میلیاردها دلار خسارت به خانه‌ها و کسب و کار شود.


گاهی اوقات خسارات وارده کم بوده و باد ممکن است تنها چند تکه از بامپوش یا سفالهای بام را از جا درآورد. سارا توضیح می‌دهد که در مواقع دیگر، بادهای طوفان‌زا می‌توانند تمام سقف خانه را از جا درآورند. در برخی مناطق طوفان خیز، خانه‌های تازه ساز بایستی به نوار یا بستهای مخصوص طوفان مجهز باشند. این بستهای کوچک فلزی به اتصال سقف خانه به دیوارهای آن کمک می‌کنند. اما در خانه‌های قدیمی‌تر واقع در این مناطق معمولاً از این نوع بستها بکار برده نشده است.
 
کارگذاشتن بستهای فلزی پس از ساخته شدن خانه کار دشواری است. به این دلیل که لایه‌های تخته چندلا و بامپوش‌ها ساختار داخلی سقف را می‌پوشانند. در این صورت شما مجبور خواهید بود به منظور کار گذاشتن بستها، سقف را بردارید. و حتی اگر این کار شدنی هم باشد، بسیار گران تمام خواهد شد. بنابراین به گفته‌ی سارا: «من تصمیم گرفتم ببینم آیا می‌توانم وسیله‌ای را طراحی کنم که از خانه‌های بدون بَست در برابر بادهای قوی محافظت کند». او به این نتیجه رسید که وسایل الصاقی او بایستی بتوانند به قسمت بیرونی سقف متصل شوند.

او ابتدا مجبور بود برای این وسایل یا اتصالات ایده‌های طراحی خود را ارائه دهد. این اتصالات بایستی جریان هوا بر روی سقف را دچار وقفه ساخته و نیروی بالا بری باد را کاهش دهند. ساده‌ترین ایده سارا استفاده از تخته یا صفحات بلند و الصاق کردن آن در امتداد گوشه سقف بود. این صفحات بایستی دارای لبه کمی گرد باشند. این امر موجب آرام ساختن جریان هوا می‌شود.

ایده دیگر او آن بود که شکل این اتصالات  را به صورت (سطح متقاطع) درست شبیه به بال هواپیما یا ایرفویل (airfoil) بسازد. او تصریح کرد که این کار می‌تواند جریان هوا را آرام‌تر سازد. هرچند این کار همچنین ممکن است نیروی بالا برنده‌ای درست همانند بال هواپیما ایجاد نماید. که این به نوبه خود به باد در بلند کردن سقف خانه کمک می‌کند.

سومین نظریه سارا افزودن سازه یا ساختارهایی دودکش مانند به گوشه‌های سقف بود. همانند صفحاتی که او طراحی کرد، شکل آنها به صورت (سطح متقاطع) شبیه به بال هواپیما می‌شد. اما به صورت عمودی مانند ستونهای عمودی قرار می‌گرفتند و به تمام لبه‌های سقف متصل نمی‌شدند. مهندسین اغلب از تونل‌های بادی بزرگ جهت تجزیه و تحلیل جریان هوا در اطراف ماکت یا مدل‌های کوچکی از اشیاء مانند ماشین و هواپیما استفاده می‌کنند.

مهندسین اغلب از تونل‌های بادی بزرگ جهت تست و تجزیه و تحلیل جریان هوا در اطراف ماکت یا مدل‌های کوچکی از اشیاء مانند ماشین و هواپیما استفاده می‌کنند. سارا جهت آزمایش کارهای خود، یک تونل بادی با مقیاس کوچک ساخت. تونل بادی او لوله‌ پلاستیکی 5ر1 متری بود که حدود 15 سانتیمتر قطر آن می‌شد. سارا در بخش مرکزی لوله برشی به صورت پنجره ایجاد کرده سپس آن را با پلاستیک شفاف پوشاند به طوریکه بتواند آنچه در طول آزمایشاتش رخ می‌دهد را مشاهده کند. ماکتهایی از خانه‌هایی با مقیاس کوچک در این ناحیه کار گذاشته شدند به طوریکه بعضی از آنها دارای اتصالات و برخی دیگر فاقد این اتصالات بودند.  

سپس یک دستگاه دمنده یا برگ‌روب نیروی باد را فراهم می‌ساخت. به منظور اطمینان از اینکه بادهای شبیه سازی شده آن بدون چرخش از میان ناحیه آزمایش می‌وزند، هر یک از انتهای تونل لوله را یعنی ناحیه موافق جریان باد و نیز انتهای خلاف جریان باد را با لوله‌های بسیار کوچک کوتاهی پر نمود. باریک راه‌های میان لوله‌های کوچک به مستقیم وزیدن جریان و کاهش آشفتگی باد کمک می‌کردند.

دستگاه دمنده‌ای که او از آن استفاده نمود، 40 کیلومتر در ساعت باد تولید می‌کرد. ماکت‌ خانه‌هایی که سارا مورد آزمایش قرار داد در واقع شبیه به قفس یا خانه پرنده بودند که سقف آنها می‌توانست از خانه جدا شود. او 4 مدل متفاوت از آنها را ساخته و مورد آزمایش قرار داد. سارا بر روی سه عدد از خانه‌هایی که خود طراحی کرده بود از اتصالات در سقف‌ها استفاده کرد و به علاوه یک خانه را بدون هیچ‌گونه تغییری در سقف آن مورد آزمایش قرار داد. (این خانه همان خانه کنترل یا معیار در آزمایش او به حساب آمده، بطوریکه نمایانگر یک خانه معمولی بود).
 
سارا آنگاه مدت زمان جدا شدن سقف هر یک از مدلهای خود را در تونل بادیِ مورد آزمایش، محاسبه نمود. در مقایسه با خانه کنترل، تمام سه خانه‌ی دیگری که در آنها اتصالات بکار برده شده بود، در از دست دادن سقف با تأخیر همراه بودند.

از جا کنده شدن سقف خانه کنترل تنها 19ر4 ثانیه به طول انجامید اما استفاده از اتصالات صفحه مانند دارای لبه‌ی گرد شده در خانه دیگر، از بین رفتن سقف را با تأخیر 12ر0 ثانیه‌ای همراه کرد. اتصالاتی که به شکل سطوح متقاطع ایرفویل بودند بهتر عمل کردند. مدت زمان دوام سقف با وجود این اتصالات (در مقایسه با خانه کنترل) 72 درصد طولانی‌تر یعنی با میانگین 22ر7 ثانیه بود. ساختارهای شبیه به دودکش که به گوشه‌های یک خانه اضافه شده بودند بهتر از همه عمل کردند. آنها سقف مدل را به مدت تقریباً 14 ثانیه نگاه داشتند.

سارا می‌گوید که در آینده دوست دارد اتصالاتی با ایرفولهای مختلف امتحان کند. او گمان می‌کند که شکلهای مختلف غیر از آنهایی که او پیش از این امتحان کرد ممکن است حتی بهتر نیز عمل کنند.

برگرفته از سایت Science News for Students