Laat de natuur draaien met je windmolen

Verloop

Verwondering: 

Staan er windmolens of windturbines in je omgeving? Je kent ze waarschijnlijk al, maar wist je dat ...

• ...  er geen enkele oude windmolen in de wereld dezelfde is? Elke molenbouwer bedacht nieuwe manieren, nieuwe truukjes voor een zo goed mogelijk werkende molen. En als de molen dan toch nog niet goed genoeg werkte dan bouwden ze extra systemen om de wieken te verbeteren op de molen.
  
  Testen, falen, nieuwe testen enz. zijn normaal in het leven van een molenbouwer. Uitvindingen om iets te verbeteren zijn net leuk. En als maker kan je veel inspiratie uit de natuur halen.
   
• ... de natuur als grote inspiratiebron voor nieuwe verbeteringen zorgt?
  
  bv. de vin van een bultrug heeft een gekartelde rand. Wel, een wiek werkt ook efficiënter als je er een gekartelde zijde aan maakt.   
  bv. ideeën uit de natuur halen om toepassingen voor mensen te verbeteren heet biomimicry. Nog meer voorbeelden van biomimicry die men gebruikte om windturbines te verbeteren lees je op de Engelstalige webpagina 'nature inspired designs in windenergy'

Stel jezelf de volgende vragen om goed te kijken naar molens:

• Bekijk een deel van een windmolen of windturbine, bv. enkel een wiek of de as. Tip: Schets een wiek (of het wiekenkruis), zo let je nog meer op details.
• Hoe zien wieken eruit? 
  • Zijn wieken plat? Staan ze in een hoek? Zijn ze gebogen?
  • Hebben ze gaten of geen gaten? 
  • Hoe hoog is de molen?
  • Hoe lang zijn de wieken?
• Waar komt de wind vandaan? Als je een molen of turbine efficiënt wil doen werken, richt je die dan loodrecht, evenwijdig of schuin op de wind gericht?
  • Staat er een windwijzer (of 'windvaan') op de molen?
  • Kan je een molen of turbine draaien? Of staan ze vast?
  • Draait de molen naar links (tegen de klok in) of rechts (met de klok mee)?
• ...

Wat denk je?

• Wat is het verschil tussen een windturbine en een windmolen?
• Welk nut hebben oude windmolens en moderne windturbines?
• Hoe komt het dat windmolens en windturbines kunnen draaien? 
  • Welke energie gebruiken ze hiervoor? 
  • Wat doet wind met de wieken? 
• Hoe komt het dat windturbines wieken hebben en niet één grote windvanger? 
• …

De opdracht: experimenteren maar

Probeer zelf eens iets te maken uit natuurlijk materiaal dat kan rond draaien door de wind (of als je geen wind kan vangen, door erop te blazen).

• Verzamel natuurlijk materiaal (zie lijst bij benodigdheden).
• Ga op zoek naar een plaats waar je veel wind kan vangen.

Lukt het niet? Dat is eigenlijk super! Wat kan je hieruit leren?

• Waarom draait je uitvinding met de natuur niet? Waarom denk je? 
  • Tip: Let nog niet te veel op de staander (de mast) of die wel stevig staat. Laat eerst iets draaien.
• Vang je alleen wind op zonder ook wind door te laten? Duwt de wind je blad gewoon omver tegen de mast?
  • Tip: Laat ook wind door. Kijk nog eens naar de molens. Wat draait rond bij een molen? Maak dus wieken (1, 2 of ...) maar niet een volledige wind vangende schijf die omver geblazen wordt.

• Wat houdt je wiek tegen, waardoor deze niet draait? 
  • Tip: Zorg voor minder wrijving met je as. Hoe kan je ervoor zorgen dat je blad (wiek) soepeler draait rond zijn as?  
  • Bijv. het gaatje in je blad groter te maken; of door je as in een holle tak te steken; of door je as op een gevorkte tak te leggen (en van tegengewicht te voorzien) enz. 
• Vang je veel wind of blaas je je molen vooruit? 
  • Tip: Ga op zoek naar een plaats waar je meer wind vangt. Wat is anders tussen wind dat je met je mond maakt en 'de' wind rondom je?
  • Test thuis je molen eens met een ventilator of op een heuvel.

Bestudeer je draaiende natuur goed.

• Welke vragen heb je hierbij?
  • Hoe kan je je ontwerp verbeteren? 

Wil je eens lange grassen of rietbladeren vlechten tot een molentje? Voorbeelden van filmpjes waarbij ze kokos -of palmbladeren gebruiken, vind je vlot op het internet.  Onderaan staat ook een stappenplan dat je eens kan uittesten.

Vragen:

• Hoe kan je je wieken aanpassen?
• Welke materialen werken goed als wieken? Welke niet?
• Welke materialen kan je gebruiken als statief?
• Als je blaast (fijne windstoot op een deel van je molen):
  • Langs welke kant moet je blazen om je molentje het best te laten draaien? 
• Als je molen wind vangt ( wind op je gehele molen):
  • Hoe richt je je molen? Loodrecht op de wind, evenwijdig met de wind of ...?

De uitleg:

Wat is het belang van een wiek aan een molen? Hoe werkt een wiek?

• Steek je hand uit het venster als je met de auto of fiets rijdt. Wat voel je? 

Je voelt dat je hand naar achteren geduwd wordt door de luchtweerstand.

• Houd je hand in een hoek. Wat voel je?

Je voelt dat je hand niet alleen naar achteren maar ook naar boven gaat (liftkracht).

Een wiek van een molen kan je vergelijken met je hand (of met een vliegtuigvleugel). En vangt dus niet alleen lucht (weerstand), maar krijgt ook die liftkracht.

Een getekend model van een naar rechts draaiende windturbine vanuit zijaanzicht: 

De rode pijlen (vectoren) stellen krachten van de wind op de wiek voor: luchtweerstand en de liftkracht. 

• Hoe komt het dat een wiek van een molen dan niet naar omhoog wegvliegt?

Je wieken hangen uiteraard vast aan een as en kunnen niet wegvliegen. De as trekt terug en zorgt ervoor de dat wieken niet wegvliegen maar ronddraaien. 

Wat is het verschil tussen een windmolen en een windturbine?

Zowel oude windmolens als moderne windturbines gebruiken de wind als energiebron.

Door het draaien van de wieken bij een korenmolen kan je molenstenen doen bewegen om graan te malen. Moderne windturbines gebruiken de windenergie voor elektriciteit.

Aandachtspunten

Met je mond blaas je maar tegen een deel van je molen. Wind blaast tegen heel je molen.

Geen takken van bomen afbreken. Er ligt genoeg natuurlijk materiaal op de grond die je kan gebruiken.

Na een regenbui zijn de bladeren vrij zwaar en werken ze niet zo goed meer als wieken.

Verdieping & verbreding

Nog meer weetjes (die je ook in het Mola molencentrum kan vinden) ...

• Oude windmolens draaien naar links. In een boomstam draaien de houtvezels in tegenwijzerzin als een spiraal van beneden naar boven. Dat heeft alles te maken met de beweging van de zon en de overheersende windrichting. Dit fenomeen verklaart misschien waarom alle oude windmolens in tegenwijzerzin draaien. Links, dus. ( Mola)
• De wieken van de eerste windmolens waren dwarsgetuigd (dat is: gelijkvormige symmetrische wieken). Molens met schroefvormige wieken (zeeg), wellicht een Vlaamse uitvinding uit het begin van de 15de eeuw, benutten de wind veel beter doordat ze ook lift creëren via het afbuigen van de wind. (Mola)

• Een draaiend gevlucht met meer dan 4 wieken gedraagt zich als een grote schijf. De wind kan niet ontsnappen en blijft als het ware vóór de wieken staan. Molens met grote, tussen de wieken gespannen zeilen, zijn ook minder efficiënt. (Mola)

• Wat is het nut van een windvaan op een molen?  De molen heeft de meeste lift als deze loodrecht op windrichting staat. Als je op je eigen molentje op één wiekje blaast dan duw je je molen in gang. Als je je molen loodrecht op de  wind richt, dan doet de liftkracht je molen veel efficiënter draaien.

• Waarom maken ze moderne windturbines groter, hoger en smaller? @Minute physics

Hoe groter de wieken, hoe meer deze windenergie kan overnemen.  De langste wiek(en) ter wereld zijn al langer dan 100m. De meeste windturbines die je bij ons op land ziet zijn rond de 50m. 

Hoe hoger de turbine, hoe minder obstakels voor de wind, hoe sneller de wind kan gaan. Hoe sneller de wind, hoe meer windenergie deze kan overnemen.

• Kunnen molens omver geblazen worden als er veel wind is? Er zijn al historische gevallen vastgelegd waarbij dit gebeurd is, wat is er toen misgegaan?

Meer uitleg bij de werking van een wiek

Uitleg volgens actie-reactiewet Newton: De wiek buigt de wind af en daardoor krijgt de wiek lift. Uiteraard duwt de wind de wiek ook naar achteren, wat voor weerstand zorgt. Zie ook de uitleg over je hand uit de auto hierboven.

Uitleg volgens Bernouilli's principe (en coanda effect): De lucht boven de wiek gaat sneller dan onder de wiek. Snel bewegende lucht heeft een lagere druk dan trager bewegende lucht, het drukverschil zorgt voor een liftkracht omhoog.

Misconcepties

Je vindt in veel boeken nog een foute uitleg over Bernouilli's werking van een vleugel of wiek, maar hoe werkt een vleugel nu echt?! 

• Een vleugel moet niet per se een gebogen oppervlak hebben om lift te creëren. (Zie ook je hand.)
• De lucht aan de bovenkant van de vleugel gaat niet sneller om een langere afstand te overbruggen en op het einde van de vleugel gelijktijdig kan aankomen.  

Energiestromen

• Hoe stroomt de energie?
• Welke energie is er vóór het draaien en na het draaien van een molen over?

Opmerking: Door wrijving met de lucht en tegen elkaar wrijvende spillen ... gaat er ook energie 'verloren' voor de mens aan thermische energie (bewegingsenergie afkomstig van hoe fel atomen en moleculen bewegen).

Kritisch blijven. Modellen zijn vereenvoudigde voorstellingen:

• In verhouding zal er meer energie naar thermische energie stromen, want deze heeft een grotere energiedichtheid.
• Als een moderne windturbine efficiënter is dan een oudere traag draaiende windmolen, dan kan er meer bewegingsenergie naar elektrische energie stromen. 

Educatieve molenwebsite

'We zijn de molenmaatjes' 

Een molentje vlechten