Механическая помпа для воды работает на принципе создания разряжения, что позволяет втянуть воду из источника. Внутри помпы находится поршень или мембрана, которые движутся вверх и вниз, изменяя объем камеры. Когда поршень поднимается, объем камеры увеличивается, а давление внутри уменьшается, что вызывает поступление воды через входной клапан.
При опускании поршня объем камеры уменьшается, и давление растет, что позволяет воде вытолкнуться через выходной клапан. Таким образом, циклическое движение поршня обеспечивает постоянный поток воды. Механическая помпа часто используется в ситуациях, где необходимо вручную перекачивать жидкость, например, в сельском хозяйстве или для полива садов.
Помпа для воды 19 литров. Рейтинг лучших
Как из большой ёмкости набрать воду в чайник, стакан? Справиться с бутилированной водой в девятнадцатилитровой таре сложно. Практичным решением является применение помпы. Что это за приспособление, какие бывают разновидности, расскажем в статье.
Что такое помпа для воды
Погружной насос механического или ручного типа для передачи воды из больших ёмкостей. Приспособления применяют в общественных местах, офисах, учебных заведениях. Прибор необходим в случае употребления бутилированной воды из многолитровых тар.
Помпа для воды похожа на механический прибор. В корпусе крепится трубка, насос, снаружи изогнутый носик для подачи воды в ёмкости. Для активации режима перекачивания используют физическую силу или небольшой мотор.
Как функционирует помпа для воды
Благодаря простому принципу работы, помпы отличаются долговечностью, неприхотливостью.
Приспособление состоит из нескольких элементов:
1. Рукав для подачи воды. 2. Стакан гофрированного типа. 3. Отсек с кнопкой для активации насоса. 4. Фиксатор для крепления на ёмкости. 5. Съёмные трубки. 6. Фильтрующий элемент. 7. Корпус для крепления.
8. Носик для подачи воды.
Принцип работы механических помп схож с погружным насосом. Приборы не нуждаются в источнике энергии. Активируются нажатием. Вода движется вверх. Трубка располагается внизу.
Объём жидкости вытесняет часть воды, заставляя подниматься. Надавив на помпу один раз, получаем стакан воды. Электрическая помпа активируется благодаря встроенному двигателю.
Виды помп для бутилированной воды
Существуют механические и электрическим помпы с двигателем. Второй тип приборов сложнее, требует подзарядки элементов питания, чаще выходит из строя.
Классифицируют помпы по размерам, цветовой гамме, параметрам трубки и основного блока.
Механическая
Механизм функционирования основан на обеспечении давления воздуха, позволяющего вытеснить порцию воды. Совершая движения на втулку гофрированного типа, производят активацию прибора. Конструкция помпы простая. Ресурс работы ограничен. В случае нарушения целостности гофры, прокладок, качество подачи воды снижается.
Электрическая
Электрическая помпа оснащена двигателем, рабочим колесом, обеспечивающим подачу воды. Режимы работы приспособления меняют кнопкой. Светодиод показывает, какой режим активен. Источником энергии служит литиевая батарея. Заряжать элемент питания можно, подключая через USB-порт.
Достоинства и недостатки разных типов помп
Ассортимент компании позволяет выбирать среди помп механического и электрического типа. Оценивая достоинства и недостатки приборов, проще сделать выбор. Бутыль можно устанавливать на пол, применяя насос любой модели. Для установки тары на кулер приходится переворачивать ёмкость весом более двадцати килограмм. Помпы не обеспечивают подогрев и охлаждение воды.
- Просто использовать и подключать;
- Не требуется периодический сервис;
- Очистку и дезинфекцию провести просто;
- Компактные размеры;
- Застой воды не образуется;
- Небольшая цена.
- Поток воды пульсирует;
- Трудно контролировать дозировку;
- Срок службы гофры ограничен.
- Доступно дозирование;
- Фиксировать кольцо на бутыли не требуется;
- Зарядка батареи отнимает 30 минут.
- Издаёт шум при работе;
- Требуется зарядка или замена батарей;
- Аккумулятор выходит из строя. Цена батареи высокая;
- Трудно чистить.
Конструкции водяных помп
Основные элементы прибора для подачи воды:
- Корпус для крепления к горловине тары;
- Зажимы, муфта, уплотнители для фиксации герметичности помпы;
- Носик для подачи жидкость в резервуар;
- Рукав, подающий воду из пластика или силикона;
- Отдел фильтрации воздуха в механических приспособлениях;
- Электрический двигатель, или гофрированный стакан;
- Отдел для батарей или АКБ в электрических приборах;
- Кнопка управления;
- Клапан для избавления от избыточного давления (в некоторых моделях);
- Дополнительные детали.
Как выбрать помпу
Выбирая прибор, оценивают:
- Качество материалов, внутренних деталей.
- Особенности конструкции, вид привода.
- Показатели производительности, мощности, скорость подачи воды.
Материал корпуса
Для производства бытовых помп используют пищевой пластик. Силикон применяют для создания заборной трубки, ряд элементов стальные.
Материал должен переносить контакт с водой, светом, не разлагаться, не иметь посторонних запахов.
Нержавеющая сталь повышает стоимость изделия, позволяя продлить срок службы.
Тип помпы
Механические помпы классического типа стоят до шестисот рублей. Вариант без корпуса стоят от ста пятидесяти рублей. Оборудование электрического типа с приводом или АКБ производятся в Китае. Батареи заряжаются до шести часов.
Мощность устройства
Мощность оборудования, производительность указывается на упаковке редко. Качественные электрические помпы позволяют подать два литра воды за минуту. Производительность механических помп зависит от интенсивности воздействия, объёма гофрированного элемента. Клапан для сброса давления даёт возможность останавливать подачу воды при заполнении тары.
Лучшие помпы для бутилированной воды
Лучшие помпы механического и электрического типа доступны на сайте в широком ассортименте. Произведено оборудование в России или Китае. Доступны модели бюджетного типа для редкого использования, приборы с повышенным ресурсом, обеспечивающие бесперебойную работу в течение нескольких часов.
Лао-Цзы
Хотя в мире нет предмета, который был бы слабее и нежнее воды, но она может разрушить самый твёрдый предмет.
Важно понимать, что качество работы прибора и состояние здоровья зависят от особенностей воды, находящейся в таре. Чем лучше свойства жидкости, тем дольше будет работать оборудование. Выбирать приспособление следует, оценивая количество людей, пользующихся им, нагрузку.
Электрическая Vatten 6
Помпа аккумуляторного типа подходит для монтажа на ёмкость объёмом девятнадцать литров. Прибор обеспечивает быструю подачу воды в чайники или кастрюли. Надёжность фиксации достигается благодаря резьбовой муфте. Адаптер питания доступен стандартной комплектации. Дополнительный фильтр позволяет выполнять грубую очистку.
Механическая HotFrost А6
Насос ручного типа в белом пластике. На носике съёмного типа предусмотрена заглушка для защиты. Трубка состоит из трёх элементов. Прибор подходит для подачи воды из тары в девятнадцать литров, восемь или пять литров. Вода поступает после одного нажатия.
Чтобы заполнить тару в два литра, приходится прикладывать много усилий, что вызывает дискомфорт.
Помпа-подставка Ecotronic PLR-500
Помпа электрического типа представлена в виде подставки под чайник или стакан. Раздаточная трубка из металла, высота ёмкости имеет ограничения. АКБ мощностью в 3,8 Ватт заряжается с помощью шнура USB. Двигатель мощностью 5 ватт. Длинная эластичная трубка позволяет опустошить ёмкости до дня.
Производительность до полутора литров в минуту. Изготовлен прибор из нержавеющей стали и пищевого пластика.
Электрическая помпа Aqua Work A1
Электрическая помпа с АКБ для тары в девятнадцать литров. Дополнительная комплектация в виде адаптера для зарядки через сеть с показателями напряжения в 220В. Носик съёмного типа. Прилагается ёршик для чистки устройства. Корпус из безвредного пищевого пластика.
В процессе работы наблюдается шум работы мотора.
Xiaomi Mijia 3Life
Помпа электрического типа с носиком для подачи воды под углом десять градусов для защиты от пролива. АКБ заряжается с помощью провода USB-типа. Заборная трубка эластичная, прибор устанавливается на тары различного объема.
Механическая помпа Energy EN-006
Прибор без защитного корпуса. Отличается минимальной стоимостью. В комплектации предусмотрена трубка из трёх частей. Подходит для тары в девятнадцать литров. Прибор рассчитан для бытового применения и низкой нагрузки.
При интенсивном воздействии выходит из строя за семь месяцев.
«Дельфин Еco Плюс 1/24»
Прибор от Aqua Work подходит для тары в девятнадцать литров. Дополнительная рукоять для транспортировки ёмкости с помпой. Телескопический тип заборной трубки позволяет подать воду со дна тары.
Kirin Water Pump AWP-006
Электрическая помпа. Работает от двух батареек типа D. Напряжение полтора вата. Работает в автономном режиме до тридцати часов без замены элементов питания. Подходит для ёмкостей в девятнадцать и одиннадцать литров. Произведено из пищевого пластика.
Как правильно пользоваться помпой
Применяя помпу для подачи воды, важно соблюдать правила:
- Продезинфицировать руки до снятия крышки с ёмкости и установки помпы. Не прикасаться грязными руками к носику для подачи воды в целях безопасности.
- Обеспечить условия поддержания температуры воды в резервуаре. Максимально допустимые показатели шестьдесят градусов. При высокой температуре из пластика в воду поступают опасные соединения. Прибор рассчитан на подачу воды комнатной температуры.
- Прежде чем устанавливать помпу, следует изучить инструкцию, выполнить процесс сборки верно. Каждая модель оборудования имеет ряд конструктивных особенностей, отличий.
- Между трубкой и тарой должен быть зазор. Плотное прилегание затруднит работу.
- Выполнив грамотный процесс сборки, установки приспособления, следует проверить качество крепления. Важно обеспечить плотное прилегание к горлышку.
- Прибор с тарой хранят в тёмном месте. Избегайте проникновения солнечных лучей.
- Наконечник прибора не опускают глубоко в наполняемую ёмкость, чтобы не допустить обратной подачи воды.
- Для обеспечения безопасности прибор промывают и дезинфицируют.
Выполнять процедуру следует чаще двух раз в год.
Необходимо знать!
Водяные помпы не подходят для работы агрессивными, едкими веществами, водой температурой выше шестидесяти градусов.
Для поддержания чистоты устройства используют щётки, ёршики.
Элементы питания не опускать в корпус с водой. Влага наносит электрической части оборудования непоправимые повреждения. Гарантия не распространяется на электрические помпы со следами воды внутри моторов, отсека для элементов питания.
Как ухаживать за помпой
С целью поддержания чистоты и безопасности помпы, следует промывать прибор с бактерицидными свойствами. Для удаления скоплений используют щётки. Выполняют очистку трубки. Полный уход за элементами устройства выполняют чаще двух раз в год. Качественное оборудование нуждается в регулярном уходе.
Условия хранения, жёсткость воды, правильность эксплуатации техники сказываются на состоянии помп.
Чистая помпа — безопасная вода. Выход из строя оборудования становится следствием недостатка ухода.
Для удаления примесей можно применять слабый раствор уксусной или лимонной кислоты с водой. Детали прибора замачивают в составе на тридцать минут. После обработки проводят механическую очистку. Средство смывают чистой водой. Необходимо проявлять осторожность, работая с электрическими помпами.
В электрические части прибора запрещено допускать попадание воды.
Важно!
Санитарная обработка выполняется раз в три месяца. Обязательно применять проточную воду для удаления остатков чистящих средств.
В механической помпе уделяют внимание поролоновому фильтру. Фильтр промывают, заменяют в случае сильного загрязнения.
После применения ёршика и сборки помпы, прогоняют дезинфицирующий состав. Остатки средства удаляют чистой водой. Используют метод прокачки. Поверхность прибора регулярно очищаются чистыми салфетками. Если ёмкость электрической АКБ уменьшилась, выполняют ее замену на новые блоки питания.
Дополнительный уход за электрическим оборудованием не требуется. При потере емкости аккумуляторов следует поменять элементы или приобрести новое изделие.
Источник3: elementy.ru
Насос для наливания воды и элементарная физика
Помпа на кухне? Это редкость, если только это не что-то сантехническое или часть фильтра для очистки воды. Но все-таки можно вспомнить кухонные приборы, использующие помпу. В простейшем виде она предназначена для наливания обычной питьевой воды, доставляемой в больших бутылях (рис. 1).
Пара нажатий на крышку, которая служит ручкой ручного насоса, и вода уже льется в подставленную емкость. За этим стоит очень простая физика: насос гонит воздух в пластиковую бутыль, создавая в ней избыточное давление воздуха в верхней части, над водой. Это давление передается воде, и после того как оно превысит определенное значение, вода начнет течь из трубки. На том же принципе работает и ручная помпа в термопоте — устройстве для нагрева воды и поддержания ее в горячем состоянии (некий гибрид термоса и чайника; рис. 2).
Рис. 1 и 2. Слева — бутыль с водой и насос для ее наливания. Справа — современный электрический термопот
Температура воды никак не влияет на работу помпы, поэтому смело можно ограничиться простейшим случаем наливания воды комнатной температуры. Чему равно минимальное необходимое избыточное давление воздуха? Если вы знакомы с формулой Паскаля для давления внутри жидкости, то ответ (p=rho gh) приходит мгновенно.
С первыми двумя сомножителями вопросов нет: (rho) — это плотность жидкости, в случае воды (rho= 1000) кг/м 3 ; (g = 98) м/с 2 — это ускорение свободного падения. А что же считать высотой подъема воды (h)? Может показаться, что это разность высот между горизонтальным участком трубки для воды, т. е. максимальной высотой, на которую поднимается вода в помпе, и уровнем воды в помпе, но здесь есть определенный нюанс. Чтобы понять это, вспомним, что такое сифон. Воспользуемся для этого цитатой из книги Вильяма Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории» (М.: Наука, 1980):
«Другим открытием, возвысившим его в глазах мальчишек, было применение принципа сифона, о котором он узнал из старой отцовской книжки. В январе случилась оттепель, и под горкой, с которой катались мальчики, образовался маленький пруд. Это было плохо, потому что, скатываясь по льду, набираешь большую скорость. Потом санки попадают в лужу, и тебя обливает грязной водой.
Девочки на своих высоких санках съезжали с горки медленнее, и у них все сходило благополучно. Но ведь ни один мальчик из гордости не сядет на такие санки. Все продолжали скатываться, лежа на животе, промокали и покрывались грязью. Тогда появился Роб с шлангом для поливки сада и объявил, что он собирается откачать воду.
Его товарищи — в том числе мальчики старше его, ходившие в ту же школу, стали над ним смеяться. Вокруг лужи было возвышение больше чем на фут, и все хорошо знали, что вода не течет в гору. Роб положил шланг на землю, велел одному из мальчиков заткнуть конец пальцем, а сам начал наливать воду в другой, пока весь шланг не наполнился.
Уже тогда — по природе своей — демонстратор, Роб взял этот конец и вместо того, чтобы просто положить его на землю, перекинул шланг через высокий забор, который отделял дорогу от канавы. Вода потекла через сифон. Это, вероятно, была первая публичная научная победа Вуда».
Итак, вода сама течет по трубке или шлангу, если их нижний конец находится ниже уровня воды в верхнем сосуде. При этом должны выполняться два условия: вода полностью, без воздушных участков, заполняет шланг или трубку и высота ее подъема в самом высоком месте не превышает 10 метров. Откуда взялось второе ограничение? Давайте разберемся с ним, а уж потом продолжим обсуждать нашу помпу.
Но вначале отдадим должное человеку, который открыл свойства сифона. Это древнегреческий изобретатель, математик и механик Ктесибий (Κτησιβίος или Ctesibius). Он считается первым заведующим Александрийского музея (или мусейона), т. е. храма Муз.
Этот финансируемый древнеегипетским элинистическим государством религиозный исследовательский, учебный и культурный центр был основан в начале 3 века до н. э. В его состав входила и знаменитая Александрийская библиотека. Труды самого Ктесибия до нас не дошли, но они описаны его учеником Героном, а его изобретения известны также по находкам сохранившихся устройств. Кроме сифона, Ктесибий изобрел гидравлический орган, водяные часы, пневматический самострел и насос, который до сих пор используют все велосипедисты, естественно, в более современном исполнении.
Такой насос использовался и для поднятия воды из колодцев, а это всегда было очень важным делом. Кроме снабжения водой для питья и орошения, он применялся и для откачки воды из первых шахт, которые без осушения просто бы затопило. Вдобавок Ктесибий на основе все того же насоса сделал пожарную помпу.
В то время придумали немало механических устройств для поднятия воды, вроде водяного колеса и архимедова винта. До этого воду поднимали на веревках, иногда с помощью ворота. Поднимали ведрами или другими емкостями вроде кожаных мешков. А вот устройство, называемое сакиэ, поднимало воду еще во времена фараона Рамзеса. Со временем для подъема воды начали применять паровые машины, потом электромоторы.
Впрочем, нас интересует не сколько техника, сколько лежащая в ее основе физика. Поэтому приглядимся к насосам, создающим разрежение воздуха для всасывания воды и ее подъема. Уже насос Ктесибия был прообразом вакуумного поршневого насоса, появившегося почти 2000 лет спустя. Обратим внимание на слово «вакуумного».
Вакуум или пустота был предметом жарких споров в античности и в средневековье. Естественно, не научных, а философских или натурфилософских, т. е. не основанных на опыте и фактах. В результате Аристотель (384–322 до н. э.) и его последователи, за которыми стоял авторитет церкви, пришли к выводу, что природа не терпит пустоты (этот принцип кратко именуется horror vacui).
Впрочем, в 1277 году богословы Сорбонны, возглавляемые епископом Парижа Э. Тампье, пришли к заключению, что отрицание всякой возможности существования вакуума ограничило бы всемогущество Божие. Специальным постановлением пустота была отнесена к категории causus divini — явлений, не существующих в природе, но возможных для Бога. Этой боязнью пустоты и объясняли работу насоса, всасывающего воду (но не нагнетательных насосов, создающих избыточное давление). Если бы вода не поднималась по трубе вверх, то там образовалась бы столь нелюбимая природой пустота. Поэтому воде не остается ничего иного, как подниматься, заполняя собой место, которое в противном случае занял бы этот гадкий вакуум.
Однако жизнь любит потешаться над любителями умозрительных рассуждений. В своих «Беседах», вышедших в 1638 году, Галилей отмечал, ссылаясь на опыт флорентийских водопроводчиков, что существует максимально возможноя высота, на которую можно поднять воду насосами такого типа. И высота эта всегда одна и та же и составляет примерно 18 локтей. На большую высоту воду приходится поднимать в несколько этапов: вначале на доступную промежуточную высоту, затем это повторяется столько раз, сколько необходимо. Вывод, сделанный Галилеем: сила боязни пустоты ограничена.
Дальнейшие исследования после смерти Галилея продолжил его ученик Эванджелиста Торричелли. Он предложил другому ученику и впоследствии биографу Галилея Винченцо Вивиани заменить воду на куда более тяжелую ртуть. Тот в 1643 году заполнил ртутью запаянную с одного конца длинную стеклянную трубку, заткнул отверстие пальцем и погрузил открытый конец трубки в тазик со ртутью.
А затем убрал палец, позволив ртути перетекать из вертикальной трубки в тазик. Она и вытекла, но не вся — в трубке остался столбик ртути высотой около 28 дюймов, или 76 сантиметров в современных единицах измерения. А над ней сквозь прозрачные стенки виднелась та самая якобы невозможноя пустота. Ну как виднелась?
Вакуум оказался прозрачным, и сквозь него и стенки можно было увидеть освещенные предметы. Любопытно, что вскоре физики, дорвавшись до опытов с таким экзотическим тогда объектом, как вакуум, установили, что звук вакуум не пропускает.
К опытам подключился сам Торричелли и через год установил, что высота ртутного столба хотя и незначительно, но меняется в разные дни. И, основываясь на этом наблюдении, ввел понятие атмосферного давления, которое стало стандартным в наши дни.
Атмосфера оказывала на ртуть такое давление, которое соответствовало давлению, создаваемому ртутью в приборе, получившем название ртутного барометра. Стандартным атмосферным давлением считается давление ртутного столба высотой 760 миллиметров: (p = 760) мм рт. ст. По формуле (p=rho gh) его можно выразить в метрической системе: (p = 101325) Па. Однако в зависимости от погоды это давление меняется, и барометр информирует нас о его текущем значении. Прибор оказался полезен для предсказания погоды и стал незаменим на кораблях.
Но кто мешает заменить ртуть водой и взять трубку подлиннее? Рассчитаем высоту водяного столба при нормальном атмосферном давлении по формуле Паскаля и получим 10,33 м. Так что для водяного барометра потребуется достаточно высокое здание. Гаспаро Берти оборудовал на фасаде своего дома в Риме подобное устройство, а Эмануэль Маньяно проводил эксперименты с полученным этим конкретным прибором вакуумом над водяным столбом. Впрочем, это был тот еще вакуум, давление в этой части было далеко не нулевым и составляло нескольких десятков миллиметров ртутного столба.
Существенно большее разрежение удалось достичь другому физику-любителю, бургомистру Магдебурга Отто фон Герике. Во время пребывания в Регенсбурге в 1654 году он узнал об опытах Торричелли. Около 1657 года Герике установил в Магдебурге грандиозный водяной барометр. Он состоял из длинной медной трубки, прикрепленной к наружной стене трехэтажного дома Герике.
Нижний ее конец был погружен в сосуд с водой, а верхний был снабжен краном и мог быть соединен с воздушным насосом. После откачивания воздуха вода в трубке поднялась до высоты 19 локтей.
Вскоре при помощи этого прибора Герике нашел, что атмосферное давление постоянно изменяется, почему он и назвал свой барометр Semper vivum — всегда живой. Потом, заметив соотношение между высотой воды в трубке и состоянием погоды, он назвал его Wettermannchen — погодный человечек. Для большего эффекта на поверхности воды в стеклянной трубке, вставленной в верхней части барометра (чтобы уровень воды был виден), плавал поплавок в виде человеческой фигурки с рукой, указывающей на табличку с надписями, соответствующими различным состояниям погоды. В 1660 году прибор удивил жителей Магдебурга, предсказав сильную бурю за два часа до ее начала.
Теперь можно вернуться к нашему сифону. Ограничение на высоту подъема трубки связано с атмосферным давлением. Именно оно не позволяет образоваться внутри трубки участку, ничем не заполненному или заполненному даже не вакуумом, а водяным паром с очень низким давлением. Но атмосферное давление эквивалентно давлению 10,33 м водяного столба. При попытке подъема шланга на большую высоту в нем образуется участок с пустотой, и жидкость перестанет течь по сифону.
Разобравшись с принципом работы сифона, поговорим о водяной помпе. Как бы то ни было, ее высота заведомо меньше 10 метров и сифон в верхней части прекрасно работает. Поэтому нам надо поднять воду до высоты отверстия, из которого она вытекает. Дальше через более высокий участок изогнутой трубки воду переправит сифон, и для этого не понадобится дополнительного избыточного давления.
Точнее понадобится, но только на заполнение водой сифона при прохождении самой первой порции воды. Когда же вода перестанет вытекать, она выльется из сифона. Уровень воды в трубке будет близок к уровню отверстия, из которого наливается вода в подставленную емкость.
В результате, для того чтобы вода начала течь из помпы, в ней надо создать избыточное давление, которое в миллиметрах водяного столба равно или превышает высоту самого высокого, горизонтального участка трубки в помпе относительно уровня жидкости. А когда она прекращает вытекать, остаточное давление оказывается равным высоте отверстия, из которого вытекает вода, относительно нового уровня воды, который понизился при наливании.
Что же поднимает воду вверх по трубке? Избыточное давление воздуха в сосуде — результат его нагнетания внутрь с помощью помпы. Высоту поднятия воды можно узнать по той же формуле Паскаля. А можно просто измерить избыточное давление в миллиметрах водяного столба, тогда каждые избыточные 10 мм вод. ст. обеспечат подъем воды на 1 см.
Если мы вскрыли новую бутыль с водой и вставили в нее помпу, то воду надо поднять на сравнительно небольшую высоту, скажем 10 см. Допустим, еще 5 см понадобится на заполнение сифона. Для всего этого достаточно обеспечить избыточное давление порядка 150 мм вод. ст. в небольшом объеме воздуха над уровнем воды в бутыли. Этого можно добиться одним энергичным нажатием на помпу.
По мере расходования воды ее уровень понижается. Когда воды в бутыли мало и ее уровень чуть выше дна, поднимать воду приходится на большую высоту — около 50 см. Соответственно, потребуется избыточное давление в 550 мм вод. ст. Оно приблизительно вчетверо больше давления в начале эксплуатации бутыли, но все еще мало по сравнению с атмосферным давлением, равным 10 330 мм вод. ст.
Понятно, что избыточное давление в 5% атмосферного легко выдержит обычная стеклянная бутылка. Приблизительно такое же давление создается просто налитой в бутыль водой.
Есть еще один фактор, связанный с опустошением бутыли. Нам не только приходится создавать большее избыточное давление, но и обеспечивать его в существенно большем объеме почти пустой бутыли объемом около 20 литров. В результате при наливании из почти пустой бутыли нам не обойтись парой нажатий на помпу.
Их потребуется гораздо больше только для того, чтобы вода начала течь из трубки. Это нетрудно проверить на опыте. Если вода налита в бутыль почти доверху, то одного нажатия достаточно для того, чтобы в подставленный сосуд налилось немного воды. Если уровень немного ниже середины, то для этого потребуется уже три нажатия. Если воды совсем мало, то качать надо больше.
Естественно, не стоит делать паузы между качками — ведь сосуд далеко не герметичный и избыточное давление понемногу уменьшается за счет воздуха, просачивающегося наружу.
И вот вода потекла, но почему-то не спешит прекращать это делать. Стоп, нам ведь надо было налить всего 100 граммов воды, а стакан продолжает наполняться. Увы, это плата за конечный объем воздуха, загоняемый внутрь сосуда при одном нажатии.
Давайте посмотрим, как объем наливаемой жидкости зависит от ее уровня в бутыли. Для этого проделаем несложные оценки. Начнем с того, что введем некоторые обозначения. Обозначим давление воздуха в сосуде буквой (p), атмосферное давление — этой же буквой с нижним индексом 0, т. е. (p_0). Объем воздуха в сосуде обозначим буквой (V), а объем воздуха, накачиваемый при одном качке, — (V_0).
Обозначим буквой (h) высоту, на которую помпа поднимает воду, т. е. разность высот отверстия для воды и уровня жидкости, а (S) — площадь поверхности воды. Ясно, что величины (S), (p_0) и (V_0) постоянны, а (p) и (V) меняются в зависимости от уровня жидкости (как естественно меняется и (h)).
Нажмем на помпу столько раз, сколько понадобится, чтобы вода начала вытекать. В сосуде создается минимальное избыточное давление, необходимое для наливания и равное (rho gh). Очевидно, оно не превышает давления полуметра водяного столба и существенно меньше атмосферного давления, которое больше давления 10 метров водяного столба.
Иными словами, давление в сосуде будет очень слабо превышать атмосферное. Сделаем еще один качок помпой. При этом мы загоним воздух объемом (V_0) в сосуд объемом (V), а их давления и плотности были почти равны. В результате мы увеличим избыточное давление на некоторую величину, которую мы обозначим (Delta p).
Произведение давления газа на занимаемый объем постоянно при неизменной температуре газа — это закон Бойля — Мариотта. И хотя температура воздуха при качании может незначительно меняться, мы можем применить этот закон для оценки величины (Delta p). Действительно, в сосуде объемом (V) был воздух с давлением (p), качок помпы добавил воздух объемом (V_0) с давлением (p_0). Сжавшись, воздух занял объем (V) и его давление равно (p+Delta p). Из закона Бойля — Мариотта получаем (pV+p_0V_0=(p+Delta p)V). Отсюда и получаем оценку:
Возросшее давление и заставляет воду выливаться, ее уровень в бутыли уменьшается. Выливание прекращается после того, как уровень опустится на (Delta h). Объем вылившейся воды равен (SDelta h) — это и есть объем воды, наливаемый за один качок.
Но почему выливание прекращается в какой-то момент? Это результат совместного действия двух причин. Первая заключается в том, что по мере опускания уровня воды объем, занимаемый воздухом в сосуде, возрастает и давление воздуха из-за этого падает. Вторая состоит в том, что избыточное давление, необходимое для того, чтобы вода выливалась, увеличивается по мере опускания уровня.
Когда давление в сосуде сравняется с минимальным избыточным давлением, необходимым для выливания воды, этот процесс прекратится. Мы пока не знаем, одинаково ли важны обе причины или одна из них вносит львиную долю в их совместное действие, а вторая дает всего лишь маленькую добавку. Попробуем разобраться.
Еще раз призовем на помощь закон Бойля — Мариотта. Воздух в сосуде имел объем (V) и давление (p+Delta p=p+p_0V_0/V). Вода перестала вытекать, когда он занимал объем (V + SDelta h) и имел давление (p+rho g Delta h). Напомним, что избыточное давление, требуемое для поднятия выливаемой воды, немного увеличилось из-за того, что ее надо было поднимать на чуть большую высоту. В соответствии с законом Бойля — Мариотта,
[pV+p_0V_0=(V+SDelta h)(p+rho gDelta h).]
Разделим обе части уравнения на (pV) и получим
Здесь мы ввели два новых обозначения. Первое (H_1= V/S) — это высота слоя воздуха в сосуде над водой. Она не может превышать полуметра просто из-за ограничения высоты сосуда.
Второе (H_2=p_0/(rho g)) — это высота водяного столба, обеспечивающего атмосферное давление, т. е. приблизительно 10,3 м. Поскольку (H_2) существенно превышает (H_1) то при любом (Delta h) второй сомножитель в правой части нашего уравнения существенно ближе к единице, чем первый. Вот мы и разобрались в том, какой эффект самый главный: изменение объема воздуха куда важнее изменения величины избыточного давления. Точнее, важнее более чем в 20 раз. Поэтому мы забываем о более слабом эффекте и получаем окончательную оценку
которая упрощается до
если вспомнить, что (papprox p_0) и (H_1=V/S). Объем наливаемой за один качок воды получается близким к объему помпы (V_0).
Такой же результат можно получить и из рассуждений об энергии. Каждый качок помпы требует совершения работы, равной произведению объема помпы на избыточное давление. Когда вода начинает течь, последнее равно (rho gh). Эта работа идет на поднятие воды, причем для того, чтобы поднять единичный объем воды, надо затратить энергию (rho gh).
Отсюда получаем, что объем поднятой, а потом вылитой воды равен (V_0). И действительно, опыт подтверждает полученный результат. Один качок нашей помпы наливает около 120 мл воды независимо от ее уровня. Так что при накачивании воздуха лишняя внимательность явно не помешает — ведь остановить процесс выливания воды невозможно.
Впрочем, мы можем нагнать в сосуд и меньшее количество воздуха, просто не доведя качок до самого конца. Однако налить совсем мало воды не получится и в этом случае. Легко понять, что у нашей помпы есть минимальный объем воды, который можно налить с ее помощью. Это объем сифона, т. е. части трубки, расположенной выше наливного отверстия. И хотя это не особо важно при пользовании помпой, стоит иметь в виду эту деталь.
В заключение нашей оценки стоит сделать одно замечание, которое нетерпеливый читатель может пропустить. Мы сделали простую и понятную оценку объема воды, наливаемой одним качком, исходя из закона сохранения энергии. Каждый хороший физик должен уметь делать подобные оценки даже в уме. А зачем мы привели еще и более сложный вывод, основанный на применении закона Бойля — Мариотта?
Ведь чем проще получен ответ, тем лучше. Дело в том, что мы хотим продемонстрировать возможные потенциальные проблемы при таком оценивании «на пальцах». Оно неявно включает в себя отбор эффектов, которые надо учитывать. Отбор этот основан на опыте и интуиции, а они могут обмануть или не сработать в качественно других обстоятельствах.
Например, если бы кто-то изготовил подобную помпу высотой с многоэтажный дом и качал с ее помощью воду, уровень которой находился бы не очень высоко, то каждый качок выдавал бы меньшее количество воды, чем дает оценка по энергии. Применив более нудный, но корректный расчет на основе закона Бойля — Мариотта, мы узнали бы, что для этой супер-пупер-помпы величина существенно превышает (H_2). Теперь первый сомножитель в правой части нашего уравнения существенно ближе к единице, чем второй. Важность эффектов поменялась местами — изменение величины избыточного давления стало важнее изменения объема воздуха. Поэтому объем воды за один качок надо оценить теперь как (V_0H_2/H_1) что меньше оценки для обычной помпы.
Почему же простая оценка, основанная на сохранении энергии, нас подвела? Да потому, что энергия в помпе запасается еще и в виде энергии сжатого воздуха. Ее обеспечивают те самые начальные качки, при которых вода не течет. А сжатый воздух обладает дополнительной энергией.
Это подтвердит каждый, кто накачивал шину автомобиля или велосипеда ручным насосом, и тот, кто надувал надувной матрас. Просто в обычной помпе при наливании воды эта энергия меняется слабо, а в придуманной для примера супер-пупер-помпе с ее огромным резервуаром основная часть работы, совершаемой при качке, будет запасена именно в виде энергии сжатого газа и только небольшая часть (равная (H_2/(H_1+H_2))) пойдет на подъем воды. Так что простые и красивые оценки впечатляют, но могут иногда и подвести, особенно в нестандартных условиях.
Источник4: elementy.ru