A enquanto escrevia sobre martelo de água, um fenómeno hidráulico que pode levar a grandes problemas em condutas. Depois escrevi sobre o martelo a vapor, um fenómeno de certa forma relacionado com os sistemas de tubagem a vapor que pode ser extremamente perigoso. E depois, fiz um seguimento ao martelo de água falando sobre fenómenos transitórios de vácuo que podem colapsar condutas se não forem concebidas e operadas correctamente. Mas mesmo depois desses postes, acontece que ainda não contei a história completa. Porque embora o martelo de água seja geralmente um problema para os engenheiros, há uma forma de tirar partido deste efeito normalmente pouco auspicioso para uma utilização benéfica. Olá, sou Grady e esta é a Practical Engineering. No episódio de hoje estamos a falar de bombas hidráulicas de aríete.
Um carneiro hidráulico é um dispositivo inteligente inventado há mais de 200 anos que pode bombear água para cima sem qualquer outra fonte externa de energia, excepto a água que corre para ele. Não, não é um dispositivo de energia livre, mas se procurar por aí, encontrará muitas implementações deste estilo de bomba no YouTube, principalmente de pessoas que fazem vlogs de estilo de vida em casa e fora da rede. E, é fácil de ver porque é que as bombas ram têm tanta popularidade entre estes grupos. Porque se tiver um pedaço de terra com uma fonte abundante de água, uma bomba de carneiro permite-lhe levar essa água para um tanque ou local a uma altitude superior com um design realmente elegante que não requer electricidade ou combustível e apenas duas peças móveis. Por isso, é claro, construí a minha própria para que se possa ver como funciona, mas primeiro precisamos de construir um pouco de conhecimento fundacional sobre o comportamento dos fluidos. E isto é algo que qualquer pessoa pode compreender.
Existem três tipos de energia que um fluido pode ter, e na engenharia civil, normalmente convertemo-los para os seus equivalentes como a altura de uma coluna estática. Esta distância é chamada de cabeça. Compreender a energia de um fluido é como resolvemos muitos problemas de engenharia, porque na maioria dos cenários, a quantidade de energia permanece a mesma, e a única coisa que muda é a forma que assume. O primeiro tipo é a cabeça a partir do potencial gravitacional. Não tem uma coluna estática equivalente, porque é uma coluna estática. A cabeça é apenas a distância a partir de um dado arbitrário. Este é fácil de demonstrar com um tanque e um tubo. Posso mover este tubo para onde quiser, mas o nível no tubo e no tanque vai ser sempre o mesmo. Ambos estão expostos à pressão atmosférica na sua superfície e não se estão a mover, pelo que não há velocidade. É apenas potencial gravitacional puro.
O segundo tipo de energia é a cabeça de pressão. Neste caso, a cabeça é a pressão dividida pela gravidade e a densidade do fluido. Assim, se eu fechar a parte superior do meu tanque e adicionar alguma pressão de ar, o nível no tubo sobe. A nova altura é a cabeça de pressão, a coluna estática equivalente relacionada com a pressão no tanque. Para uma dada pressão, um fluido mais denso como o mercúrio terá uma cabeça mais baixa em comparação com um fluido mais leve como a água, porque têm diferentes pesos de unidade. Um bom exemplo de cabeça de pressão de medição é um barómetro. Vivemos no fundo de um oceano de ar, e gostamos de manter um registo da pressão do ar aqui em baixo. Uma das formas mais fáceis de o fazer é medir quão alta a pressão pode empurrar uma coluna estática de um fluido, na maioria dos casos mercúrio.
O tipo final de energia é a cabeça de velocidade, que se relaciona com a energia cinética de um fluido. Posso demonstrar a coluna equivalente de água utilizando uma ferramenta chamada tubo pitot. A conversão para cabeça de velocidade é velocidade ao quadrado dividida por 2 vezes a aceleração gravitacional. É muito fundo, mas é importante para compreender a função de uma bomba de carneiro. Porque sem uma fonte externa de energia, mesmo que se possa passar de um tipo de energia para outro, não se pode obter mais energia do que a que se tinha no início. Por exemplo, posso converter uma coluna estática de água em uma com alguma velocidade, mas nunca vou conseguir que o fluido atinja uma elevação mais elevada do que aquela em que começou… com uma excepção. Uma excepção que a bomba hidráulica de carneiro aproveita lindamente.
Uma bomba de carneiro é essencialmente apenas duas válvulas de retenção unidireccionais, uma chamada válvula de descarga e a outra chamada válvula de entrega. Para a iniciar, basta abrir momentaneamente a válvula de descarga para permitir o fluxo de água. Depois disso, está a trabalhar por conta própria para bombear a água para cima acima da elevação da fonte. Bastante espantoso, penso eu. Vamos caminhar através do caminho da água para compreender como funciona. Primeiro, à medida que a válvula de descarga abre, a água flui para a bomba e imediatamente para fora da válvula. Mas, à medida que ganha velocidade, a água que flui acaba por forçar a válvula de descarga a fechar. Agora a água é parada na bomba. Tinha energia cinética… mas agora não tem. Isso significa que a energia cinética foi convertida para outra coisa, neste caso, pressão. Esta é a definição de martelo de água. Bater com uma válvula fechada converte toda essa energia cinética quase instantaneamente criando um enorme pico de pressão que pode levar a stress e danos nos sistemas de tubagens e equipamentos ligados.
No caso da bomba de carneiro, porém, esse pico de pressão tem um efeito diferente. Abre a segunda válvula de retenção e força a água a entrar na bomba para a linha de distribuição. Como se pode ver pelo meu manómetro digital, este processo é cíclico, bombeando alguma da água e desperdiçando o resto cada vez que a válvula se fecha. Pode ver o que está a acontecer aqui em tempo real: a bomba está a roubar alguma da energia cinética do fluxo e a transmiti-la a um volume menor de água. É uma redistribuição de energia, convertendo a cabeça baixa e o fluxo alto em cabeça alta e fluxo baixo. E este tipo de bomba pode realmente criar uma grande quantidade de altura manométrica. Corri a minha linha de descarga até bem acima do telhado do meu barracão, e a minha bomba ainda é capaz de levar a água até lá. Por vezes é incluída uma câmara de ar na bomba para suavizar os picos de pressão e proporcionar um caudal mais uniforme para fora do tubo de descarga, reduzindo o desgaste dos componentes da bomba.
Se gosta de pensar em termos de dispositivos eléctricos modernos, imagine que instalamos uma turbina hidroeléctrica num tubo para fazer girar um gerador e depois utilizamos essa electricidade para alimentar uma bomba para mover a água que sai da turbina. Obviamente, não seria possível bombear toda a água, e de qualquer modo isso seria uma configuração bastante complicada para algo que a bomba de rampa pode fazer com algumas peças de canalização muito simples fora da prateleira. De facto, existe um tipo de bomba que funciona a partir de uma turbina movida a água. Talvez eu construa uma dessas a seguir. Por agora, porém, penso que a bomba de carneiro é uma forma engenhosa de tirar partido das propriedades dos fluidos. Todos nós precisamos de água por uma variedade de razões, por isso ser capaz de a mover para onde precisamos sem qualquer equipamento sofisticado ou fontes externas de energia é uma ferramenta bastante agradável de ter na sua caixa de ferramentas. Obrigado, e digam-me o que pensam!