Qualche tempo fa ho scritto del colpo d’ariete, un fenomeno idraulico che può portare a gravi problemi nelle tubature. Poi ho scritto del colpo di vapore, un fenomeno in qualche modo correlato associato ai sistemi di tubature a vapore che può essere estremamente pericoloso. E poi, ho fatto un seguito al colpo d’ariete parlando dei fenomeni di vuoto transitorio che possono far collassare i tubi se non sono progettati e gestiti correttamente. Ma anche dopo questi post, si scopre che non ho raccontato tutta la storia. Perché anche se il colpo d’ariete è generalmente un problema per gli ingegneri, c’è un modo per sfruttare questo effetto normalmente infausto per un uso benefico. Ciao, sono Grady e questo è Ingegneria Pratica. Nell’episodio di oggi parliamo di pompe idrauliche a pistone.
Un ariete idraulico è un ingegnoso dispositivo inventato più di 200 anni fa che può pompare l’acqua in salita senza altre fonti esterne di energia se non l’acqua che vi scorre dentro. No, non è un dispositivo a energia libera, ma se cercate in giro, troverete molte grandi implementazioni di questo stile di pompa su YouTube, principalmente da persone che fanno homesteading e vlog di vita off-grid. Ed è facile capire perché le pompe a montone sono così popolari tra questi gruppi. Perché se hai un pezzo di terra con un’abbondante fonte d’acqua, una pompa ariete ti permette di ottenere quell’acqua in un serbatoio o in una posizione ad una quota più alta con un design davvero elegante che non richiede elettricità o carburante e solo due parti mobili. Quindi, naturalmente, ho costruito la mia in modo da poter vedere come funziona, ma prima abbiamo bisogno di costruire un po’ di conoscenza di base sul comportamento dei fluidi. E questo è qualcosa che chiunque può capire.
Ci sono tre tipi di energia che un fluido può avere, e in ingegneria civile, di solito li convertiamo nei loro equivalenti come altezza di una colonna statica. Questa distanza è chiamata testa. Capire l’energia in un fluido è il modo in cui risolviamo molti problemi di ingegneria, perché nella maggior parte degli scenari, la quantità di energia rimane la stessa, e l’unica cosa che cambia è la forma che assume. Il primo tipo è la testa dal potenziale gravitazionale. Non ha una colonna statica equivalente perché è una colonna statica. La testa è solo la distanza da un dato arbitrario. Questo è facile da dimostrare con un serbatoio e un tubo. Posso spostare questo tubo dove voglio, ma il livello nel tubo e nel serbatoio sarà sempre lo stesso. Sono entrambi esposti alla pressione atmosferica sulla loro superficie e non si muovono, quindi non c’è velocità. È solo puro potenziale gravitazionale.
Il secondo tipo di energia è la testa di pressione. In questo caso, la prevalenza è la pressione divisa per la gravità e la densità del fluido. Quindi, se chiudo la parte superiore del mio serbatoio e aggiungo un po’ di pressione dell’aria, il livello nel tubo sale. La nuova altezza è la testa di pressione, la colonna statica equivalente relativa alla pressione nel serbatoio. Per una data pressione, un fluido più denso come il mercurio avrà una prevalenza minore rispetto a un fluido più leggero come l’acqua, perché hanno pesi unitari diversi. Un buon esempio di misurazione della prevalenza è un barometro. Viviamo sul fondo di un oceano d’aria, e ci piace tenere traccia della pressione dell’aria quaggiù. Uno dei modi più semplici per farlo è misurare quanto in alto la pressione può spingere una colonna statica di un fluido, nella maggior parte dei casi il mercurio.
L’ultimo tipo di energia è la testa della velocità, che si riferisce all’energia cinetica di un fluido. Posso dimostrare la colonna d’acqua equivalente usando uno strumento chiamato tubo di Pitot. La conversione per la testa della velocità è la velocità al quadrato divisa per 2 volte l’accelerazione gravitazionale. Questo è un sacco di background, ma è importante per capire la funzione di una pompa a pistone. Perché senza una fonte esterna di energia, anche se puoi passare da un tipo di energia ad un altro, non puoi ottenere più energia di quella che avevi all’inizio. Per esempio, posso convertire una colonna d’acqua statica in una con una certa velocità, ma non riuscirò mai a portare il fluido a un’altezza superiore a quella di partenza… con un’eccezione. Un’eccezione che la pompa idraulica a pistone sfrutta magnificamente.
Una pompa a pistone è essenzialmente solo due valvole di ritegno unidirezionali, una chiamata valvola di scarico e l’altra chiamata valvola di mandata. Per farla partire, basta aprire momentaneamente la valvola di scarico per far scorrere l’acqua. Dopo di che lavora da sola per pompare l’acqua in salita sopra l’altezza della sorgente. Piuttosto sorprendente, credo. Percorriamo il percorso dell’acqua per capire come funziona. Innanzitutto, quando la valvola di scarico si apre, l’acqua fluisce nella pompa e subito dopo esce dalla valvola. Ma, man mano che prende velocità, l’acqua che scorre alla fine costringe la valvola di scarico a chiudersi. Ora l’acqua è ferma nella pompa. Aveva energia cinetica… ma ora non più. Ciò significa che l’energia cinetica è stata convertita in qualcos’altro, in questo caso la pressione. Questa è la definizione di colpo d’ariete. Sbattere una valvola chiusa converte tutta quell’energia cinetica quasi istantaneamente creando un enorme picco di pressione che può portare a stress e danni nei sistemi di tubature e nelle attrezzature collegate.
Nel caso della pompa a pistone, però, quel picco di pressione ha un effetto diverso. Apre la seconda valvola di non ritorno e costringe l’acqua che entra nella pompa nella linea di mandata. Come potete vedere dal mio manometro digitale, questo processo è ciclico, pompando parte dell’acqua e sprecando il resto ogni volta che la valvola si chiude. Puoi vedere cosa sta succedendo qui in tempo reale: la pompa sta rubando parte dell’energia cinetica dal flusso e la impartisce a un volume d’acqua più piccolo. È una ridistribuzione dell’energia, che converte una bassa prevalenza e un’alta portata in un’alta prevalenza e una bassa portata. E questo tipo di pompa può davvero creare molta prevalenza. Ho fatto correre la mia linea di scarico fino a ben sopra il tetto del mio capannone, e la mia pompa è ancora in grado di portare l’acqua lassù. A volte una camera d’aria è inclusa nella pompa per appianare quei bruschi picchi di pressione e fornire una portata più uniforme dal tubo di mandata, riducendo l’usura dei componenti della pompa.
Se vi piace pensare in termini di dispositivi elettrici moderni, immaginate di installare una turbina idroelettrica su un tubo per far girare un generatore e poi utilizzare l’elettricità per alimentare una pompa per spostare l’acqua che esce dalla turbina. Ovviamente non saremmo in grado di pompare tutta l’acqua, e comunque sarebbe un’installazione piuttosto complicata per qualcosa che la pompa a rampa può fare con poche parti idrauliche molto semplici. Infatti c’è un tipo di pompa che funziona da una turbina ad acqua. Forse costruirò uno di quelli dopo. Per ora, però, penso che la pompa ariete sia un modo ingegnoso per sfruttare le proprietà dei fluidi. Tutti noi abbiamo bisogno dell’acqua per una varietà di ragioni, quindi essere in grado di spostarla dove ne abbiamo bisogno senza alcuna attrezzatura di fantasia o fonti esterne di energia è uno strumento piuttosto bello da avere nella tua cassetta degli attrezzi. Grazie, e fatemi sapere cosa ne pensate!