水闸

【活动目标】

• 1、认识各种著名的水道闸门。
• 2、学会搭建一个电动水闸。
• 3、学会并掌握蜗轮升降结构。

【活动引入】

​ 水闸是用于控制水位及调节水流量的水工建筑物，是一种重要的水利设施，在农业灌溉、城市供水、河流调节等方面发挥着重要作用，在水利工程中，水闸扮演着至关重要的角色，如防洪、调节水位、排除江河中的泥沙及水生植物等。同时，水闸还被广泛应用于灌溉、发电等领域。

​ 修建在河道和渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物。关闭闸门可以拦洪、挡潮或抬高上游水位，以满足灌溉、发电、航运、水产、环保、工业和生活用水等需要；开启闸门，可以宣泄洪水、涝水、弃水或废水，也可对下游河道或渠道供水。在水利工程中，水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物，应用广泛。

​ 本次课程将了解水闸的起源、水闸的基础构建和工作原理，以及水闸在水利工程的重要性和著名的水道闸门，让我们一起来学习吧！

一、水闸的起源

​ 水闸的起源可以追溯到古代中国。早在春秋战国时期，人们就开始建造简单的水闸来控制河水的流动。这些水闸一般是由土堆或木桩构成的，并通过手工开启和关闭水门来控制水流量。水利工程得到了进一步发展，出现了一些大型的水利工程，如郑国渠、灵渠等。

​ 随着科技的不断进步，水闸的设计也逐渐得到改善和完善。到了隋唐时期，水利工程的规模更加宏大，如大运河、京杭大运河等。在明清时期，水利工程建设得到了进一步发展，如黄河下游的葛洲坝、长江三峡的大坝（如下图所示）等。

​ 随着欧洲工业革命的兴起，水力工程师们对水闸的设计和技术进行了大量改进和创新。他们发明了各种水闸控制机构，如闸门、卷扬机、齿轮传动等，使得水闸的控制更加方便和可靠。同时，他们还将水闸应用于工业生产中，如锁船运输、水力发电等领域，推动了水闸技术的不断发展和创新。

​ 今天，水闸已经成为控制河流和水流的重要设施，被广泛应用于船闸、水电站、防洪工程等方面。

二、水闸的基础构建

​ 水闸（Sluice）是一种水利工程设施，用于控制水流的流量和方向。它通常由一个或多个闸门组成，可以开启或关闭来控制水流的流向和速度。

​ 它通常由以下基本构建组成：

1. 闸门：用于堵塞或开启水流的可动部分，通常由钢筋混凝土或金属制成。
2. 压顶梁：支撑闸门并承受水压力的横向梁。
3. 导流墙：将水流引导到闸门处，并防止水流在闸门周围泄漏。
4. 底座：支撑闸门和压顶梁的基础结构，通常由混凝土构成。
5. 操作机构：用于控制闸门的开闭，通常由液压、电动或人力驱动。
6. 渠道：水流通过闸门的管道或河道。
7. 动力站：提供给操作机构所需的动力，通常包括发电机、电缆等设施。

三、水闸的工作原理

​ 水闸是一种用来控制水体流动的设施。其工作原理基于水力学原理，通过改变水流的管道形状、大小，以及引入节流装置等手段，来控制水的流动速度和水位高度。

​ 水闸通常由一块可移动的挡板组成，它与水槽上游部分的墙壁相连。当挡板处于下降状态时，水可以顺利通过水槽；而当挡板处于上升状态时，则会阻挡水流，增加水位高度，以便于进行水文测量、调节水位和水流速度等。

​ 另外，水闸也可以通过储水和排洪来控制河流水位，防止水灾和保护农田。一些现代化水闸还配备了传感器和自动控制机制，以便对水流进行实时监测，并自动调节闸门操作，从而更加高效地控制水流。

四、水闸在水利工程的重要性

​ 水闸在水利工程中非常重要，主要用于调节和控制河流、湖泊和水库中的水位，以及防洪和灌溉等用途。水闸通过打开和关闭水门来控制水流量，保持水位平稳，确保不会出现过度洪水或干旱。此外，水闸还能用于发电、运输和水文监测等多个方面。因此，在水利工程中，水闸是不可或缺的基础设施，主要体现在以下几个方面：

1. 调节水位：水闸可以通过调节闸门的开闭程度，控制水流量和流速，从而实现对水位高度的调节。这对于保证灌溉用水、城市供水等水资源的稳定供应非常关键。
2. 调节水流速度：水闸可以通过缩小或扩大水流通道的断面积，改变水流速度的大小，从而达到控制水流速度的目的。这对于河流的治理和保护、防止农田水浸涝等都非常重要。
3. 调节水流量：水闸可以通过控制闸门的开启程度，调整水流通道的断面积，实现对水流量的调节。这对于保证水资源的合理利用、防洪减灾等都非常重要。
4. 防洪治理：水闸在洪水期间可以采取不同的措施，如适时开启闸门、提高防护墙等，以降低洪峰流量，减轻洪灾损失。
5. 发电利用：水闸还可以通过安装水轮发电机等设备，将水能转化为电能，实现对水资源的有效利用。

​ 综上所述，水闸在水利工程中具有非常重要的作用，可以实现对水位、水流速度和流量的调节，保障水资源的供应和合理利用，以及防洪减灾等方面的功能。

五、著名的水道闸门

​ 以下是一些著名的水道闸门：

1. 巴拿马运河闸门：巴拿马运河是世界上最重要的航道之一。它包括三个级别共六个闸门。它们被认为是人类工程史上最伟大的建筑之一。
2. 大峡谷水坝闸门：大峡谷水坝是美国最大的水坝，位于科罗拉多河上方。它有十座闸门，用于控制水位和水流。
3. 三峡大坝闸门：三峡大坝是中国最大的水利工程。它有五级闸门，每级闸门都有23个闸门，并采用了先进的液压控制技术。
4. 荷兰阿姆斯特丹水门：阿姆斯特丹水门是荷兰著名的水利工程，位于北海和荷兰海湾之间。它有两座闸门，用于保护荷兰免受海洋侵袭。
5. 圣劳伦斯海路闸门：这是加拿大圣劳伦斯河上的一组闸门，用于连接大西洋和五大湖地区，是全球最繁忙的运河之一。
6. 科罗拉多河大峡谷水坝闸门：这是一组位于科罗拉多河上的巨大闸门，它们用于控制河流，防止洪水和协调供水。

​ 你们知道吗？在以前如果洪水来了，农民的庄稼就遭殃了，可是聪明的农民们发明了水闸，可以有效的阻止水流的前进，保护了庄稼。所以今天让我们一起来搭一个电动水闸吧！

【活动准备】

乐高积木9686套装

​ 本次所用零件：

【活动过程】

步骤图

水闸通常由支架、蜗轮升降装置和闸门组成，我们也按照这样的组成来制作水闸。

1. 制作水闸的支架。
2. 制作闸门和蜗轮升降装置 。
3. 完成后，就可以组合成水闸了。

第一步

​ 我们先搭一个硬度高且要有足够的重量的基本构架。

​ 使用的材料有：1* 16蓝色镶嵌梁4个、2* 8蓝色底片4个、1* 4蓝色镶嵌梁4个、2* 4蓝色底片4个、1* 15白色的梁6个、灰色光滑销10个、黄色长销2个、轴孔臂连接件4个。

第二步

​ 安装一个可以让闸门上升下降的蜗轮升降装置，作为核心装置。

​ 使用的材料有：灰色轴套3个、蜗轮3个、12轴3个、10轴2个、1* 15白色的梁1个、滑轮1个、40齿轮1个、黄色长销1个、电池盒1个、中型马达1个、1* 6蓝色镶嵌梁1个、灰色光滑销2个、8齿轮1个。

注意：各个轴插入的孔位。

第三步

​ 利用厚连杆互锁，制作成表面光滑牢固的闸门。

​ 组合好后我们的水闸就完成啦！

​ 使用的材料有：8轴3个、黄色半轴套5个、轴轴连接件1个、10轴1个、灰色轴套1个、1* 15白色的梁6个。

【问题思考】

一. 提出问题

• 1、当洪水上升时，如何使闸门也能阻挡水流？
• 2、如何加强闸门所能承受冲击力？

二. 问题回答

• 1、使闸门可以上下伸缩。
• 2、加大闸门的厚度且加大底座的重量。

【科学知识】

蜗轮升降结构

​ 蜗轮升降结构由两个主要部分组成：蜗杆和蜗轮，蜗杆和蜗轮是一种机械传动装置，它们通常用于将旋转运动转换为线性运动或从一个方向转换为另一个方向的传动。蜗杆是一种带有螺旋齿的圆柱体，蜗轮则是一种带有斜齿的轮子，它们之间的咬合可以实现非常高的减速比。

​ 蜗杆和蜗轮传动结构有以下特点：

1. 传动减速比大：蜗杆和蜗轮的几何形状可以提供非常高的减速比，因此它们通常用于需要精确控制速度和力的应用中。
2. 传动效率低：由于蜗杆和蜗轮之间的摩擦，所以它们的传动效率比较低，能量损失较多。
3. 传动平稳：蜗杆和蜗轮的咬合结构使得传动更加平稳，避免了震动和噪音的产生。
4. 可逆转：蜗杆和蜗轮的传动方向可以相互反转，适用于需要改变运动方向的场合。

​ 在工业生产中，蜗杆和蜗轮常用于各种机械传动、减速器、变速箱等装置中。而在乐高积木领域，它们也被广泛应用于各种机械模型和玩具中，如汽车、机器人、水闸等。

【举一反三】

• 1、如何使闸门在水中工作时更加耐用？

• 2、如何使闸门在升降过程中速度更快？

【结束】