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»):

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 ?