Картинка Freepik

Меня всегда привлекали интересные технические решения, а особенно те, которые позволяют организовать нечто весьма полезное минимальными усилиями.

А если при этом ещё и создаётся иллюзия нарушения закона сохранения энергии, то вообще хорошо: -)

И сегодня мы поговорим как раз о таких устройствах, а именно, о насосах, которые позволяют качать полезную субстанцию без подведения внешней энергии*.

*Сразу следует сделать оговорку, что ни один из этих насосов, конечно, не нарушает закон сохранения энергии. Поэтому для того, чтобы они могли осуществлять полезную работу, им требуется некоторое внешнее питание. Здесь подразумевается, что это не усилия человека или нечто, требующее расхода топлива или электроэнергии.

Они интересны тем, что это питание можно взять из природных источников, и поэтому их работа может иметь для человека полезный эффект.

Как ни странно, такие есть и широко используются «в ряде узких сфер».

Интерес к этой теме я испытываю достаточно давно, и его на разных этапах подогревали такие произведения, как «Янки при дворе короля Артура», «Таинственный остров», «Зловещие мертвецы-3» и т. д., которые наглядно показывают, что человек с техническим мышлением, даже попавший на необитаемый остров или в прошлое, никогда не пропадёт и сможет там обустроиться. И, мало того, не имея современных технологий в наличии, он сможет привнести их туда самостоятельно :-)

Ранее мы уже рассматривали интересную концепцию, которая в теории позволяет «раздобыть» 15 киловольт (возможно, и больше — это число обусловлено информацией о тех экспериментах, данные о которых мне удалось найти) прямо из воды, без каких-либо генераторов, и запитать радиопередатчик из проволоки.

Сегодня мы поговорим об абсолютно не теоретических устройствах, которые широко используются (или использовались в прошлом), обладают конструктивной простотой, благодаря чему и надёжностью, а именно: водяных насосах, работающих в автоматическом режиме и качающих воду без какого-либо подведения внешней энергии.

Каждое из этих устройств может быть построено самостоятельно и сослужить хорошую службу в деле обеспечения водой населённого пункта, вашей теплицы, дачи и т. д., и выбор конкретного устройства зависит только от того, каким набором исходных компонентов для его постройки вы обладаете.

▍ Фонтан Герона


Итак, среди исторически самых первых устройств подобного типа можно назвать «Фонтан Герона», авторство которого приписывают Герону Александрийскому, жившему в первом веке нашей эры:


Как можно наблюдать на схеме выше, фонтан подобного типа состоит из трёх сообщающихся сосудов, где самый верхний сосуд может быть как полностью герметичным, так и открытым, например, представляя собой обычный водоём.

Второй и третий по счёту сосуды сверху должны быть герметичными, при этом второй сосуд сверху наполняется водой.

Действует этот фонтан следующим образом: вода из верхнего резервуара стекает в самый нижний резервуар, постепенно повышая давление воздуха в нём, которое через трубку, расположенную в правой части рисунка, повышает пропорционально давление воздуха и во втором сверху резервуаре, что приводит к вытеснению воды из этого резервуара — тем больше, чем больше давление.

Эта вода вытесняется из резервуара через трубку и начинает бить струёй над поверхностью самого верхнего резервуара.

В теории высота подъёма струи воды над поверхностью самого верхнего резервуара может быть примерно равна трубке в левой части рисунка, то есть промежутку между самым верхним и самым нижним резервуарами.

При желании можно закольцевать работу этого фонтана, например, с помощью автоматической смены второго и третьего резервуара — одного на другой, по мере опорожнения одного и заполнения второго соответственно.

Либо, предусмотрев клапаны, также срабатывающие автоматически, в определённый момент времени и позволяющие перелить воду из нижнего резервуара во второй.

Понятно, что это больше игрушка, и практическое её применение может быть, наверное, разве что в декоративных целях.

Ну и ниже мы можем видеть практическую демонстрацию, где с 3:00 можно заметить интересную вариацию — как закольцевать работу этого фонтана, чтобы он работал условно бесконечно, без каких-либо клапанов или смены резервуаров:

UPD. Как правильно заметили в комментах, на 3:58 дана разгадка, почему это работает :-) Батарейки и насосик — вот и весь секрет! Так что придётся желающим ещё несколько поразмыслить, как зациклить этот насос по настоящему, без внешнего питания…

Можно даже в воду добавить некие ароматизаторы (например, пихтовое масло — я его раньше активно добавлял в ультразвуковой увлажнитель воздуха: запах стоял, как в сосновом лесу), или средство от комаров, чтобы уж он не просто так работал, а с некоторой пользой не только для глаз, но и для общего смысла :-)

Если говорить о «зацикленных насосах» с внешним питанием, то можно в качестве них рассмотреть довольно впечатляющий пример насоса-фонтана на солнечной батарее (видео его работы показаны ниже): солнечная батарея питает небольшой насосик, который засасывает воду и выбрасывает её с силой вверх, в виде фонтана. К слову, таких фонтанов полным-полно на Али по ключевым словам «solar fountain»:


▍ Импульсный насос


Считается, что первым автором этого насоса является Чарльз Тейлор, который изобрёл его в 1910 году. Однако в те годы он предназначался для сжатия воздуха, представляя собой, по сути, воздушный компрессор для подачи воздуха в плавильные печи, а также для дыхания при горных работах. В те годы он носил название «Trompe» (или, по-русски — «Тромп»):

image
Картинка: Borvan53

Как можно видеть на картинке выше, вода, падающая с большой высоты (в реальности «высота» таких устройств могла достигать даже 100 метров, а вернее, глубина, так как они выполнялись в шахтах), увлекает за собой воздух, который засасывается через отверстия с боков трубы.

Подобное устройство в современной терминологии представляет собой, по сути, одну из итераций «струйного» насоса.

В нижней части трубы находится герметичная камера, которая периодически сливает накопившуюся воду, а накопившийся под давлением воздух подаётся потребителям через трубу.

Подобные устройства использовались до массового внедрения воздушных компрессоров, известных нам.

В случае применения этого устройства для перекачки воды оно будет выглядеть следующим образом:



Как можно видеть, вся система представляет собой два сообщающихся резервуара, где левый резервуар расположен несколько выше правого.

Вода, стекая из левого резервуара в ёмкость, расположенную ниже обоих резервуаров, попутно увлекает с собой пузырьки воздуха, которые накапливаются в нижнем резервуаре, под его потолком, где этот нижний резервуар изначально полностью заполнен водой, а вода протекает сквозь него в правый резервуар.

По мере накопления воздуха под потолком камеры нижнего резервуара наступает момент, когда воздуха становится так много, что уровень воды понижается настолько, что обнажается нижний край трубы, ведущей вверх из нижнего резервуара.

Так как эта труба уже содержит некоторое количество воды, а верхний её конец сообщается с атмосферой, то, когда давление воздуха становится выше атмосферного, это давление проникает в трубу и начинает толкать перед собой пробку из воды, при этом давление воздуха в подземной камере пропорционально падает, нижний край трубы снова «черпает» воду. И далее весь цикл повторяется.

Таким образом, как можно видеть, по трубе, идущей вверх, постоянно следуют чередующиеся отрезки воды и воздуха, а подача воды с помощью такого насоса представляет собой работу в импульсном режиме, собственно, за счёт чего он и получил своё название.

Одну из реализаций этого насоса можно посмотреть на видео ниже, где с 3:56 она и показана:

Тем не менее, все эти рассмотренные выше конструкции — относительно редко использующиеся (судя по открытым материалам), а вот что касается действительно массовой конструкции, активно применяющейся для массовой подачи воды, так это следующий тип насоса: насос на гидроударе.

▍ Насос на гидроударе (гидротаранный насос)


Итак, что представляет собой типичный насос этого типа:

Как можно заметить, в самом начале видео показана схема, где в левой части, на большой высоте, расположена деревня, куда закачивается вода с помощью насоса подобной конструкции, который питается от давления воды реки, расположенной в правой части. Таким образом, это давление позволяет поднимать воду на большую высоту, в деревню.

Примерно аналогичную систему, только с двумя выходными трубками, можно увидеть в видео ниже, где при длине выходных трубок в 320 метров она позволяет закачивать воду в резервуар, расположенный в 53 метра выше насоса, с расходом воды в 65 литров в минуту:

А на видео ниже можно увидеть, как была организована система подачи воды в одну из деревень острова Суматра, где длина впускных труб для гидроудара составляет 24 м, бассейн с питающей водой расположен на высоте 5,5 м, длина выходных труб составляет 1,3 км, а деревня расположена выше насоса на отметке в 45 м.

При этом первое видео показывает процесс сборки этих насосов, а второе видео — как они выглядят в работе:

Сразу следует сказать, что для работы этого насоса необходим источник воды, расположенный несколько выше насоса.

Работает насос следующим образом: вода, текущая по трубе, имеет достаточную кинетическую энергию и, в определённый момент её скорость течения становится таковой, что перекрывает сливной клапан в конце трубы, что приводит к резкому скачку давления в трубе и открытию выпускного клапана, расположенного выше.

Через открывшийся выпускной клапан вода устремляется вверх по трубе к потребителю, одновременно сжимая воздух в расширительном баке, который служит для более равномерной работы насоса (несколько сглаживает пульсации при подаче воды, так что, условно, вода из крана будет течь более менее равномерно).

По мере того, как объём воды устремляется к потребителю, давление в трубе, через которую вода подаётся в систему, падает, что приводит к перекрытию выпускного клапана сверху и открытию сливного клапана в конце трубы, после чего весь цикл повторяется.

Во всей этой конструкции имеется одна явная проблема, которая заключается в том, что расширительный бак, содержащий некоторое количество воздуха, постепенно теряет этот воздух по причине того, что воздух со временем растворяется в воде.

Чтобы избежать этого, требуется поставить воздушный клапан, который будет подсасывать небольшое количество воздуха из атмосферы каждый раз, когда выпускной клапан будет закрываться, а в цилиндре будет возникать небольшое разрежение.

Для надёжной работы насоса требуется, чтобы труба, по которой вода поступает в насос, имела длину в 3...7 больше, чем величина перепада высот между источником воды и насосом, а труба, в которой происходит гидроудар, должна быть как можно более прямой.

Наверняка у заинтересовавшихся возникнет множество практических вопросов касательно переменных конструкции вот этой гидротаранной установки.

Я умышленно не даю эти подробности, так как соответствующее их рассмотрение, с должной полнотой, вышло бы далеко за пределы статьи.

Вместо этого я рекомендую ознакомиться с книгой: В.М.Овсепян — «Гидравлический таран и таранные установки. Теория, расчёт и конструкции» (Москва, 1968г.), где все эти вопросы рассмотрены с достаточной полнотой:


Ну и напоследок — ещё пару видео гидротаранных систем: от сборки до запуска.

Подытоживая, хочется сказать, что человек — такое существо, что хочет «всего, сразу и, желательно, без усилий». Но бывают такие области техники, где это, как ни странно, возможно, и автоматические водяные насосы, работающие от природных сил, — одна из таких интересных областей…

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?

Комментарии (21)


  1. unC0Rr
    10.01.2025 09:09

    с 3:00 можно заметить интересную вариацию — как закольцевать работу этого фонтана, чтобы он работал условно бесконечно, без каких-либо клапанов или смены резервуаров (делается очень просто)

    Вы думаете, этот кадр просто так мелькает в видео?


    1. DAN_SEA Автор
      10.01.2025 09:09

      Кстати, да, не заметил:-)


      1. DAN_SEA Автор
        10.01.2025 09:09

        Поправил ;-)


    1. tormozedison
      10.01.2025 09:09

      Капец... сколько же этот источник питания протянет при такой нагрузке? Минут на десять хотя бы хватит?


  1. adeshere
    10.01.2025 09:09

    В теории высота подъёма струи воды над поверхностью самого верхнего резервуара может быть примерно равна трубке в левой части рисунка, то есть промежутку между самым верхним и самым нижним резервуарами.

    Правильно так:

    В теории, высота подъёма струи воды над поверхностью СРЕДНЕГО резервуара равна РАЗНИЦЕ УРОВНЕЙ в верхнем и нижнем резервуарах (на самом деле чуть меньше, т.к. плотность воздуха не 0, ну и потери на трение. в фонтане).

    А то и правда участковый выпишет штраф за нарушение ЗСЭ ;-)


  1. adeshere
    10.01.2025 09:09

    А еще я что-то не могу разобраться: а в чем смысл импульсного водяного насоса (видео у меня не работает)?

    Как можно видеть, вся система представляет собой два сообщающихся резервуара, где левый резервуар расположен несколько выше правого.

    Если левый резервуар расположен несколько выше правого, то вода там и так будет течь слева направо. Без всякой центральной трубки. А, в чем тогда цель конструкции?

    Если надо качать воду слева направо не непрерывно, а порциями, то проще поставить сифон, чтобы он периодически сливал воду из среднего бака направо (при этом С бак должен быть на промежуточной высоте между Л и П баками). Частота сброса воды задается толщиной Л трубки (=временем заполнения С бака), а размер порции - объемом С бака.

    Или идея в том, что по мере заполнения П трубки воздухом (в момент срабатывания устройства) струя будет выбрасываться с ускорением? Но тогда справа на картинке должен быть не просто бак, а что-то другое, использующее эффект динамического напора. Чтобы просто заполнить П бак, все эти трюки не обязательны...


    1. Ocelot
      10.01.2025 09:09

      Полезная работа — не наполнение правого бака, а подъём воды по центральной трубе выше уровня в левом баке


    1. sansar
      10.01.2025 09:09

      выход не правый резервуар, а трубка по середине. Считай воздух залетающий из левого может поднять воду по средней трубке выше, чем левый резервуар находится.


      1. adeshere
        10.01.2025 09:09

        @Ocelot> Полезная работа — не наполнение правого бака, а подъём воды по центральной трубе выше уровня в левом баке

        @sansar> выход не правый резервуар, а трубка по середине. Считай воздух залетающий из левого может поднять воду по средней трубке выше, чем левый резервуар находится

        А, тогда понятно! Спасибо за

        комментарии, которые полезнее текста статьи ;-)

        Прошу прощения, у меня глюкнул экран, и я не смог поставить законный плюсик (а исправить оценку коммента задним числом нельзя). Пришлось отметиться в другом месте... надеюсь, Вы не в обиде ;-).

        Меня сбил с толку очередной глючный абзац:

        Так как эта труба уже содержит некоторое количество воды, а верхний её конец сообщается с атмосферой, то, когда давление воздуха становится выше атмосферного, это давление проникает в трубу и начинает толкать перед собой пробку из воды

        Во-первых, давление воздуха в среднем баке всегда выше атмосферного. Вне зависимости от уровня воды этом баке. Во-вторых, чтобы воздух толкал пробку из воды вверх, давление в камере должно быть не просто "выше атмосферного", а выше, чем сумма атмосферного давления и давления водяной пробки в средней трубе.

        На самом деле автор просто поленился описать механизм работы устройства. Но вообще-то там интересная физика намечается. Например, самый первый вопрос: судя по рисункам, там в средней трубе водяные пробки с воздушными чередуются. Это какая же толщина трубы должна быть, чтобы пузырьки воздуха не "всплывали"? Я понимаю, что в капиллярах они не всплывут, но тогда и производительность у системы никакой будет.

        А еще реальные трубы наверно наклонно идут, чтобы скорость всплытия "пузырьков" уменьшалась, и они не успевали из трубы выходить слишком быстро? Плюс еще можно целую кучу вопросов задать. Про соотношение диаметров труб, объемов камеры выше и ниже среза трубы, а также объема центральной трубы, про скорость подсоса воздуха слева, про роль инерции... Ну и конечно - как это все влияет на конечные результаты (высоту подъема воды, объем воды в импульсе и т.д.). Что-то у меня есть смутное подозрение, что параметры устройства надо хорошо подгонять, иначе не заработает (ну или точнее заработает, но высота подъема воды окажется минимальной).

        Может ли кто-нибудь это тут пояснить? Хотя бы качественно, с самыми минимальными формулами - просто чтобы верно понять принцип действия. Это ведь самое интересное, тем более на техническом ресурсе

        Оговорка про видео

        Заранее извиняюсь, если все это есть в видеовставках: я их открыть не могу. Хотя, если бы даже и мог,

        лично мне как-то текстом удобнее.

        Понятно, о вкусах не спорят, но меня, к примеру, задалбывает, когда чинишь велосипед, нужна микросправка по сборке какой-нибудь хитрой детальки, а информация есть только в формате многочасового урока, который начинается с выбора правильного шампуня для помывки велосипеда перед ремонтом. И попробуй там нужные четыре секунды найди... И это тупое массовое железо. А если вопрос немного сложнее?

        Вообще, было бы очень неприятно, если старая шутка о том, что живущие сейчас поколения - последние, которые

        умеют читать

        Подробнее см. один случайно найденный блог - ссылка не передает всю гамму смыслов, но идея будет понятна. И - да, слово "книги" я из цитаты специально убрал (пессимист, что поделаешь)

        вдруг окажется не шуткой, а пророчеством... Но даже если это неизбежное будущее, я бы все-таки попросил нырять в него не так быстро. Сайтов с видеоинформацией сейчас в интернете полно (да, среди них есть много полезных), но вот на Хабре как-то хочется видеть более традиционный формат. Когда видео присутствует лишь в качестве иллюстраций к основному рассказу, но не наоборот.


        1. V_Scalar
          10.01.2025 09:09

          Смысл- разменять большой ток на малый ток с большим напряжением, примерно как в трансформаторе


  1. inkelyad
    10.01.2025 09:09

    Пожалую, забыты солнечные насосы-стирлинги. Тоже весьма забавные конструкции бывают.


    1. NickDoom
      10.01.2025 09:09

      Да, интересно. И надо бы подумать о банальном сжатии-расширении грунтовых вод, которые в колодце имеют градусов пять, а на улице — пятнадцать. Я прикидывал, какую энергию вода поглощает при таком пассивном нагреве от воздуха, даже с учётом КПД по Карно получилась приличная высота подъёма. Но уже не помню, конечно.

      В идеале бы вообще такую штуку, работающую на «предзамерзательном» расширении, чтобы она могла всю зиму через себя непрерывно гонять грунтовую воду и не промёрзнуть. Хотя, конечно, озеро льда она к весне вокруг себя написает оставит — будь здоров! :)


      1. inkelyad
        10.01.2025 09:09

        Ну, это уже 'настоящий' стирлинг, наверное, лучше. В смысле - двигатель отдельно, а насос- отдельно. Холодильник - либо грунтовая вода (которую качаешь), либо воздух (зимой). Нагреватель, соответственно, наоборот. В качестве теплоносителя - глицерин и прочая 'незамерзайка'. И все меееееедленно так прокачивается.


  1. NickDoom
    10.01.2025 09:09

    А ещё есть насос-катушка и насос Вирца :) И никаких гидроударов, просто крутится себе полупогружённая бочка и крутится :) Классика!


  1. alexanicus
    10.01.2025 09:09

    Как интересно, оказывается принцип работы "насоса на гидроударе" аналогичен физическому принципу работы "импульсного повышающего преобразователя постоянного тока" (или DC-DC Step UP).
    Это было бы прекрасной демонстрацией студентам курса электроники.

    • Длинная входная труба это аналог катушки индуктивности.

    • Выходной клапан это диод.

    • Расширительный бочок это выходной конденсатор для сглаживания пульсаций.

    • А клапан для гидроудара это транзистор/динистор.

    Спасибо за статью.


    1. saaivs
      10.01.2025 09:09

      А сам ваш комментарий является замечательной иллюстрацией к известной цитате: "Знание некоторых принципов легко возмещает незнание многих фактов." :)


    1. DAN_SEA Автор
      10.01.2025 09:09

      На этот счёт есть очень большая и интересная тема - соберусь с духом и напишу как нибудь (про соответствие механики - электронным устройствам) ;-)


  1. Fedorkov
    10.01.2025 09:09

    @aabzel недавно писал, как сам делал гидротаранный насос.


    1. aabzel
      10.01.2025 09:09

      Да. У нас в средней полосе куча мест, где напрашивается гидротаранный насос, но никто их не ставит.


      1. DAN_SEA Автор
        10.01.2025 09:09

        Насколько я понимаю, это не потому что "проведены нереально мощные исследования и принято решение не делать" :-) - а потому что вообще, в целом, в жизни, людей, у которых цепочка "мысль-действие (доведённая до реализации мысль)" не так много.

        Скорее происходит так: "мысль....и затухло" :-)

        Ну и много кому в голову не приходит даже идти непроторённым путём, так как это уже работа изобретателя - а не все такие.

        Кроме того, есть старая проблема, о которой я говорил неоднократно и что подмечал ещё даже Эйнштейн: почти нет людей, которые могли бы объединять не связанные между собой области и рождать решения на стыке. Для этого надо обладать ОЧЕНЬ большим кругозором.


  1. Denis_Zelenykh
    10.01.2025 09:09

    Очень интересно, спасибо.