Die Leistung eines Wasserrads hängt sowohl von der Strömung (der zugeführten Wassermenge) ab. und der Kopf (vertikaler Wassertropfen beim Drehen des Rades).Also, die Die Wasseranalogie hat ZWEI Variablen, die sich miteinander multiplizieren Leistung: Strom, Messung (zum Beispiel) des Wasserflusses in Niagara, und vertikaler Abfall (wie die Höhe der Niagarafälle).

Strom ist NICHT dasselbe wie Strom in einem Fluss, weil lange Strecken von Das Bewegen von Wasser in einem Kanal verbraucht weniger Energie als ein Wasserfall. Der Standort eines Wasserkraftwerks an den Niagarafällen ist sinnvoll. In Analogie zur Elektrizität kann ein Draht Strom mit geringer Spannung liefern fallen (und hat winzige Verlustleistung), aber einen Widerstand, der das gleiche hat Der Strom wird erwärmt (er weist einen erheblichen Spannungsabfall von Klemme zu Klemme auf).

Hier ist eine einfache Möglichkeit, dieses Zeug gerade zu halten.

Leistung ist immer das Produkt einer Aufwandsvariablen und einer Durchflussvariablen.In Hydrauliksystemen ist die Kraftvariable der Druck und die Durchflussvariable die Durchflussmenge.

Für den Durchfluss in offenen Kanälen ist die Aufwandsvariable normalerweise sehr klein (aber nicht Null) und die Durchflussvariable ist sehr groß.Der BTW-Leistungsaustausch, der bei geringem Aufwand und großem Durchfluss auftritt, repräsentiert das niederohmige Regime.

In Ihrem Wasserbeispiel kann Leistung nicht gleich Strom sein, da sie unterschiedliche Einheiten haben (Leistung ist eine Energie pro Zeiteinheit, während Strom so etwas wie eine Anzahl von Partikeln ist, die pro Zeiteinheit durch eine Oberfläche fließen).

... je mehr Wasser pro Zeiteinheit fließt, desto mehr Energie wird pro Zeiteinheit an das Rad abgegeben

Was Sie hier durch Ihre Analogie bemerkt haben, ist, dass die Leistung proportional zum Strom ist (zum Beispiel, je mehr Kraft Sie auf ein Objekt ausüben, desto größer ist seine Beschleunigung, aber das bedeutet nicht, dass Kraft und Beschleunigung sind gleich). In einem Schaltungselement ist diese Proportionalität die Spannung, da sie angibt, wie viel Energie mit einer "Stromeinheit" verbunden ist. Sie benötigen eine ähnliche Methode, um Ihren Wasserstrom in die von diesem Strom erzeugte Leistung umzuwandeln (obwohl dies möglicherweise ein vereinfachtes Modell für die Stromerzeugung mit einem Wasserrad ist).

Sie müssen auch bedenken, dass es sich um eine Analogie handelt und alle Analogien Unvollkommenheiten aufweisen. Bei der Wasseranalogie wird Strom durch Wasser erzeugt, das tatsächlich auf ein Rad drückt. In Schaltkreisen ist $ P = IV $ span> viel allgemeiner und gilt für alle Gebühren, die einer Potentialdifferenz unterliegen.

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Analogien wie der Wasseranalogie besteht darin, sicherzustellen, dass Sie die richtigen Objekte verwenden, aus denen Sie Ihre Analogie ziehen. Viele Antworten hier argumentieren, dass die Hydraulikleistung vom Volumen und Druck abhängt. Dies gilt, wenn Ihr Wasserrad ungefähr so ​​aussieht:

Dies ist eine Zeichnung, wie eine moderne Wasserkraftturbine aussieht. Sie sind so konzipiert, dass sie effizient Strom aus großen Wasservolumen mit großen Druckabfällen wie dem Druckabfall vom Grund eines Sees auf den atmosphärischen Druck beziehen können. In diesen Fällen funktioniert die Wasseranalogie erwartungsgemäß recht gut.

Wenn ich jedoch an ein "Wasserrad" denke, habe ich ein anderes Bild. Ich stelle mir etwas viel Älteres vor:

Diese funktionieren unterschiedlich und führen zu der Schlussfolgerung, dass Wasserräder allein aus Strom Strom erzeugen. Der Grund, warum Sie diese Schlussfolgerung ziehen, ist, dass diese Art von Wasserrad jede Kraft aus Druck oder Geschwindigkeit verschwendet. Das einzige Potenzial, aus dem es effektiv Strom erzeugen kann, ist die Gravitationsenergie des Wassers aus großer bis niedriger Höhe. Wenn Sie Hochdruckwasser auf eines dieser Wasserräder sprühen, wird der größte Teil der Energie verschwendet, wenn das Wasser von den Schaufeln spritzt. Ein Teil der Energie würde zwar auf das Rad übertragen, aber es wäre enorm verschwenderisch.

Das Wasserrad ist am effizientesten bei der Handhabung von Fällen, in denen der größte Teil der Energie des Wassers als potentielle Gravitationsenergie gespeichert wird - Energie, die hoch ist. Und es ist am besten, Wasser umzuwandeln, das sich genau auf der Höhe des Rades befindet. Wenn Sie Wasser von oben über das Rad fallen lassen, dreht es sich, aber der größte Teil der Energie wird beim Spritzen und Schwappen verschwendet.

Daher würden wir dieses Wasserrad in unserer elektrischen Analogie als "Konstantspannungsgerät" behandeln. Die Einstellung um das Rad herum bewirkt, dass das meiste Potenzial des Wassers in seiner festen Höhe beim Eintritt in das Rad liegt. Jede darüber liegende Energie wird als Wärme verschwendet. Wenn Sie sich die Mathematik ansehen und Ihre Spannung konstant ist, ist Ihre Leistung tatsächlich proportional zum Strom. Dies ist der Sonderfall, in dem dies zutrifft.

Wir haben zwar Geräte, die auf diese Weise funktionieren, aber Sie müssen in die Welt der Halbleiter einsteigen, um dies zu tun. Dioden sind kleine Halbleiterübergänge, mit denen der Strom nur in eine Richtung fließt. Versuchen Sie, dagegen zu fließen, und sie sind wie ein Rückschlagventil, das den Wasserfluss stoppt.

Nun, fast wie ein Rückschlagventil. Sie arbeiten wie ein Rückschlagventil bis zu einem Punkt, der als "Durchbruchspannung" bezeichnet wird. Wenn Sie eine höhere Spannung als diese in die falsche Richtung über die Diode legen, beginnt sie, Strom durchzulassen. Es wird jede Energie, die aus dem laufenden Strom über diesen Spannungsabfall kommt, als Wärme abführen.

Das altmodische Wasserrad ähnelt also am meisten einem Motor mit einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode. Jegliches Potential des Wassers, das über die Energie des Gravitationspotentials hinausgeht, die das Rad verarbeiten kann, geht durch Spritzen und Schwappen verloren. Jegliches Potential von höheren Spannungen, die an die Diode und den Motorstromkreis angelegt werden, geht verloren, wenn der Strom durch die Diode fließt. Das verbleibende Gravitationspotential des Wassers multipliziert mit dem durch das Rad gesendeten Wasservolumen gibt an, wie viel mechanische Kraft vom Wasserrad erzeugt wird. Die Spannung an diesem Motor (nachdem die Diode sie begrenzt hat) multipliziert mit dem durch den Motor fließenden Strom gibt an, wie viel mechanische Leistung der Motor erzeugt. Die Analogie gilt: Sie benötigen lediglich eine komplexere Schaltung, um das 6000 Jahre alte Gerät zu modellieren!

Übrigens entwerfen wir tatsächlich solche Schaltungen.In modernen Schaltkreisen haben wir oft "Zenerdioden", deren sorgfältig eingestellte Durchbruchspannung eine "Spannungsreferenz" ist, und wir haben Spannungsregler, die so ausgelegt sind, dass sie dem Stromfluss gerade genug widerstehen, um eine bestimmte Spannung über den verbleibenden zu gewährleistenSchaltung.

Wasser- und Stromfluss sowie andere „mechanische“ Analogien (Rohrwiderstand vs. elektrischer Widerstand, Spannung vs. Druck usw.) sind nützlich, um elektrische Schaltungskonzepte auf elementarer Ebene einzuführen. Dies liegt daran, dass mechanische Konzepte leichter zu visualisieren sind, während elektrische Konzepte abstrakter sind. Die Analogien können nur so weit gehen, ohne ein tieferes Verständnis zu haben.

Strom entspricht nicht der elektrischen Leistung und der Wasserfluss entspricht nicht der mechanischen Leistung.

Elektrischer Strom ( $ \ frac {Coul} {s} $ span>) mal (in Phase) Spannung ( $ \ frac {J} {Coul} $ span>) entspricht der Leistung ( $ \ frac {J} {s} $ span> = Watt).

Aktueller Fluss ( $ \ frac {m ^ 3} {s} $ span>) mal Druck ( $ \ frac { N} {m ^ 2} $ span>) entspricht der Leistung ( $ \ frac {J} {s} $ span> = Watt). Der Wasserdruck für das Wasserrad kann abhängig von der Ausrichtung des Wasserrads von Wasser stammen, das aus einer Höhe über dem Rad abfällt (potenzielle Energie) oder sogar von einem horizontal gerichteten Schlauch.

Um die Analogie zwischen Strom- und Wasserfluss in Bezug auf elektrische und mechanische Leistung zu vervollständigen, benötigen Sie zusätzlich die Analogie zwischen Spannung (elektrisches Potential) und Druck (mechanisches Potential).

Hoffe das hilft.

Die Person, die das gesagt hat, ist falsch.Current drückt nicht.Spannung oder Druck drücken.Strom ist, wie viel tatsächlich fließt.

Die Nutzleistung ist die Kraft des Drucks (Spannung, Druck) multipliziert mit dem Strom (Ampere, CFM).

Offensichtlich haben Sie ohne Druck keine Kraft.Aber ohne Fluss haben Sie auch keine Kraft.

Bei der Wassererzeugung entspricht der Druck auch der Höhe, die als "Kopf" bezeichnet wird.

Zum Beispiel ist ein PC-Netzteil einem Laufwasserkraftwerk sehr ähnlich - nicht viel Druck, aber viel Durchfluss.

Ein sehr großer Damm mit geringem Durchfluss wie Oroville ähnelt einem LED-Licht an einer 240-V-Leitung - viel Druck, wenig Durchfluss.Es wird nicht viel Fluss benötigt.

Die Analogie zu Wasser gilt wirklich sehr gut, wenn Sie ein Wasserrad oder ein anderes Wasserkraftsystem in Betracht ziehen.

Was Sie jedoch vermissen, ist, dass der erzeugte Strom nicht nur von der vorbeiziehenden Wassermenge abhängt, sondern auch von der Geschwindigkeit, mit der er dies tut.(Dies ist für das Hydrosystem sinnvoll, da die kinetische Energie von Geschwindigkeit und Masse abhängt.)

Um die Analogie zu verbessern, anstatt an die Geschwindigkeit des Flusses zu denken, überlegen Sie, wie weit es gefallen ist, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.Zu diesem Zeitpunkt haben Sie ein Wasservolumen pro Sekunde - die Strömung - und Sie haben einen Höhenverlust, der buchstäblich eine Potentialdifferenz darstellt.

Ich möchte das, was andere bereits gesagt haben, in Gleichungen setzen:

Ein Fluss hat einen Massenstrom $ \ dot m $ span> (kg / s) (der "Strom"). Das Wasser fließt mit der Geschwindigkeit $ v $ span> (m / s). Leistung ist die kinetische Energie, die pro Zeiteinheit übertragen wird:

$$ \ dot W = \ frac {\ dot m v ^ 2} {2} $$ span> und beachten Sie, dass dies die richtigen Watteinheiten hat. Wenn wir "Spannung" als $ v ^ 2/2 $ span> betrachten, erhalten wir $$ \ text {(Leistung)} = \ text {(Strom)} \ times \ text {(Spannung)} $$ span>

Beachten Sie, dass der Massendurchfluss nicht ausreicht, um eine hohe Leistung zu erzielen. Wenn der Fluss breit ist, ist die Geschwindigkeit niedrig. Wenn Sie möchten, dass das Wasserrad schnell läuft, sollten Sie es an einem engen Durchgang bauen.

Der Fluss fließt mit fester Flussrate $ \ dot m $ span>, die Breite des Flusses ist durchgehend konstant, aber der Fluss wird dazu gebracht, über einen Wasserfall zu fließen, der Tropfen nach Entfernung $ \ Delta h $ span>. Die Geschwindigkeit am oberen Rand des Wasserfalls beträgt $ v_1 $ span> und am unteren $ v_2 $ span>. Durch Energiebilanz, $$ \ frac {v_2 ^ 2-v_1 ^ 2} {2} = g \ Delta h $$ span> Die Kraft , die uns zur Verfügung steht, ist $$ \ dot W = \ dot m \ frac {v_2 ^ 2-v_1 ^ 2} {2} $$ span> Wir müssen $ v_1 ^ 2 $ span> subtrahieren, weil der Fluss nach dem Auftreffen auf das Rad weiter mit seiner konstanten Geschwindigkeit fließen muss, sonst werden wir überfluten. Kombination mit der Energiebilanz: $$ \ dot W = \ dot m g \ Delta h $$ span> Hier haben wir jetzt eine Eins-zu-Eins-Analogie zum elektrischen Strom: $ \ dot m $ span> ist der Strom und $ g \ Delta h $ span> ist die Spannung. Erhöhen Sie die Spannung und der gleiche Strom erzeugt mehr Leistung.

Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeiteinheit.Eine Wassermasse, die sich von einem Potential zu einem anderen unteren Potetial bewegt, kann also funktionieren, wenn sie auf das Rad trifft.Wie viel Arbeit pro Zeiteinheit?Es kommt darauf an, wie viel Masse mal Höhe mal Gravitationskonstante g fällt und all das geteilt durch die Zeit.Wasserstrom ist dagegen nur das Gesamtvolumen oder die Gesamtmasse, die pro Zeiteinheit fließt.Sicher, es hängt mit der geleisteten Arbeit oder der Leistung zusammen, ist aber nicht dasselbe.Wenn Sie die Gravitationspotentialdifferenz als gH und den Wasserfluss als dm / dt definieren, müssen Sie, um Leistung zu haben, die Potentialdifferenz der aktuellen Zeiten haben: gHdm / dt ... In einem Leiter wird auch gearbeitet, und Energie pro Ladungseinheit oder Potentialdifferenz wird durch U (Spannung) und Strom durch dQ / dt angegeben, so dass mir scheint, dass alles gleich ist ...