SOUST ED NÍ MLADÝCH MATEMATIK A FYZIK Zpráva o projektu Vodní pumpa Vypracovali: Vedoucí projektu: Luká² Licek Ota Kunt Bc. Franti²ek Louda Neko 2013
Pod kování Na tomto míst bychom rád pod kovali Bc. Franti²ku Frankei Loudovi za jeho podn tné p ipomínky, pomoc p i konstrukci a vedení projektu. 1
Obsah 1 Úvod a zadání 3 2 Teoretická p íprava 3 2.1 Heron's fountain Heronova fontána..................... 3 2.2 Gear pump Zubové erpadlo......................... 4 2.3 Archimedes' screw Archiméd v ²roub.................... 5 2.4 Piston pump Pístová pumpa......................... 5 2.5 Chain pump et zová pumpa........................ 6 2.6 Rope pump Provazová pumpa........................ 7 3 Vlastní konstrukce 8 4 Záv r 13 2
1 Úvod a zadání P es spí²e teoretické zam ení obou autor jsme si jako leto²ní projekt pro Soust ed ní mladých fyzik a matematik zvolili projekt, který nese název Vodní pumpa. Název je více neº výmluvný, cílem je konstrukce za ízení pracujícího na libovolném principu, jeº bude vyzvedávat vodu z vodního rezervoáru. Za ízení by m lo pracovat periodicky a nejlépe bez zbyte ných prodlení. P ístup pro úsp ²nou konstrukci vodní pumpy je mnoho, n které budou popsány dále. Projekt jsme si zvolili z p edev²ím následujících d vod. Jak bylo psáno vý²e, jsme oba spí²e teoretického zaloºení, konstruk ní projekt je pro nás výzvou. Rádi bychom si téº zlep²ili manuální zru nost a získali nové zku²enosti p i práci s ná adím a r znými materiály. 2 Teoretická p íprava Tato ást nebude nikterak rozsáhlá vzhledem k asovým moºnostem, které pro vypracování projektu máme. Nelze proto teoretické p íprav v novat tolik asu, jako by minimáln z na²eho pohledu bylo t eba a je nutné postupovat spí²e pomocí intuice a zp sobem pokusomyl, tj. spí²e neº rozmý²let dal²í postup ho rovnou vyzkou²et. Dále budou poopsány n které základní p ístupy p i konstrukci pump, od b ºných pístových aº po takové, se kterými se b ºný lov k nesetká. 2.1 Heron's fountain Heronova fontána Obrázek. 2: Heronova fontána Heronova fontána je hydraulický stroj na p e erpávání tekutiny, který byl vynalezen v prvním století na²eho letopo tu, matematikem a fyzikem Heronem. Heron vynalezl tuto 3
pumpu, kdyº zkoumal zm nu tlaku zah átého plynu. Kdyº se v jedné z nádob zah eje vzduch, tak se voda za ne erpat sm rem vzh ru, kde poté z ústí trubice tryská voda a vytvá í fontánku. Tento zp sob p e erpávávání vody se nedá povoºovat p ímo za pumpu, ale na druhou stranu mu nahrává relativn lehká konstrukce. Tento princip v²ak neodpovídal na²em p edstavám, proto jsme se rozhodli jej nezrealizovat. 2.2 Gear pump Zubové erpadlo Obrázek. 3: Zubové erpadlo Jeden z principáln jednodu²²ích typ vodní pumpy. Skládá se ze dvou ozubených kol otá- ejících se sm rem do st edu pumpy. Tato kola poté vtahují vodu do (nej ast ji vodorovn orientované) pumpy. Konstrukce je ale hodn náchylná k r zným ne istotám. Ozubená kola se v prost ední ásti zad ou a k jejich vy i²t ní je pot eba rozebrat celý systém. Proto je tato pumpa vyuºívána p i p e erpávání vody z jedné nádrºe do druhé a hlavn to pouze tehdy, pakliºe si je uºivatel jist, ºe stroj nic nepo²kodí. 4
2.3 Archimedes' screw Archiméd v ²roub Obrázek. 4: Archiméd v ²roub Tato pumpa je tvo ena trubicí, ve které se to í spirála. Pouºití pumpy je teoreticky omezeno pouze výkonem pohonu. Na rozdíl od ostatních pump, které se na DIY konstrukce p íli² nehodí i by vyºadovaly del²í as, pop. lep²í materiál, jsme usoudili, ºe konstrukce Archimédova ²roubu je reálná, av²ak pro nás není zajímavá. 2.4 Piston pump Pístová pumpa V na²ich zem pisných ²í kách je pístová pumpa nej ast j²í. A d leºitost takového za ízení pro b ºného lov ka z d vodu stále lep²í dostupnosti vodovod v ase klesá, stále je pístová pumpa pro mnoho lidí, p edev²ím z venkovských oblastí, ºivotn d leºitá. Obrázek. 5: Pístová pumpa Na obrázku. 5 vidíme schéma klasické pístové pumpy. Zásadní ástí takové pumpy je, jak jiº z jejího názvu plyne, funk ní píst. 5
Obrázek. 6: Píst Na obrázku. 6 vidíme schéma nejd leºit j²í ásti pumpy-pístu-i s popisem jednotlivých ástí. Píst p i pohybu jedním sm rem vtáhne vodu ze spodní ásti pumpy do vlastní nádrºe a p i pohybu zp t vytla í vodu do vrchní ásti pumpy. Protékání vody zp t brání zp tné záklopky. Konstrukce takové pumpy by pro nás byla oproti Archimédovu ²roubu nepom rn zajímav j²í. Realizovatelnost konstrukce takové pumpy je v²ak úm rn sloºit j²í. Takový píst je, vzhledem k na²im moºnostem, z konstruk ního hlediska pom rn problematická záleºitost, proto jsme po náleºitém prodiskutování této varianty konstrukci pístové pumpy zavrhli. 2.5 Chain pump et zová pumpa Obrázek. 7: et zová pumpa O tomto zp sobu erpání vody se objevují zmínky n kdy kolem roku 700 p.n.l. Vyuºívaly jej Babylo ané, kte í tuto p ekvapiv ú innou metodu pravd podobn i objevili. Velmi 6
podobné stroje se poté kolem roku 200 p.n.l. za aly objevovat i ve starov kém Egypt. Sou ástí pumpy je dlouhý et z, na kterém jsou et zov spojené men²í nádoby, viz obrázek. Název chain pump se uºívá i pro pumpy, kterýchºto sou ástí je dlouhý et z, jenº se naho e a vespod stroje otá í p es ozubená kola. Na et zu jsou za sebou p ipevn na gumová, d ev ná, i ºelezná kole ka, která vstupují do trubice, ímº vytahují vodu vzh ru. Tento zp sob je z hlediska konstruk ního pom rn nenáro ný a to i z hlediska pot eby materiálu. Rozhodli jsme se proto zkonstruovat variaci na tento typ pumpy, který se nazývá rope pump, provazová pumpa. 2.6 Rope pump Provazová pumpa Obrázek. 8: Rope pumpa Na schematu vidíme pumpu, kterou jsme se rozhodli zkonstruovat. Zásadní ásti je lano s mnoºstvím roz²í ených ástí, které jsou na lan rozmíst ny v pravidelných intervalech. Tyto ásti, které zde gurují jako písty, musí být zkonstruovány z vhodného materiálu a jejich pr m r by m l být podobný pr m ru trubice. Lano je vytahováno pohonným mechanismem. D sledkem protahování roz²í ených ásti trubicí je podtlak vznikající pod kaºdou ástí. Kaºdý píst téº tla í vodu vytaºenou p edchozím pístem p ed sebou. D sledkem tohoto procesu je vytahování vody z vodního rezervoáru p i dolní ásti pumpy. 7
Obrázek. 9: Rope pumpa Na obrázku. 9 vidíme detailn j²í nákres rope pumpy i s popisem jednotlivých ástí. Dle [7] je konstrukce provazové pumpy konstruk n jednoduchá a nenáro ná na materiál. Pumpa této kosntrukce se z t chto d vod hojn vyuºívá nap. v chudých oblastech v Africe. Zdroj [8] nap. uvádí, ºe provazovou pumpu lze pouºít aº do hloubek ca 90 m. 3 Vlastní konstrukce Po náleºité analýze na²ich moºností, moºností táborových zásob ná adí a materiálu, náro nosti a realizovatelnosti konstrukce jednotlivých typ pump jsme se rozhodli pro typ rope pump, provazovou pumpu. Obecný popis je jiº v p edchozí kapitole. V této ásti se zam íme na ná² konkrétní p ístup, tj. jak konkrétn jsme zrealizovali kaºdý d leºitý konstruk ní prvek, na dal²í konstruk ní detaily a p ípadné problémy. a) Lano K tomuto jsme nenalezli p íli² velké mnoºství materiál a ukázek. V t²ina zdroj uvádí a ukazuje tenké lano, na kterém jsou nasazeny r zné kónické p edm ty z r zných materiál, nap. gumy. Po n kolika neúsp ²ných pokusech s r znými tvary vyst íhanými a por znu poskládanými jsme od tohoto upustili a zvolili jiný p ístup. Tuto zásadní ást jsme vyrobili z lana pouºívaného pro lezení. Na n m jsme vytvo ili uzly v pravidelných intervalech (dle horního p evodu, viz dále), a ty nakonec omotali bavln ným provázkem. Vhodný pr m r jednotlivých uzl jsme testovali na malém u íznutém kousku trubice. 8
Obrázek. 10: Lano s pístem z namotaného bavln ného provázku B hem vytvá ení lana se vyskytlo n kolik problém. P íklady budiº následující: pom rn sloºité ur ení vhodného pr m ru, nestejnost pr m r jednotlivých uzl, rozdílnost chování provázkového pístu za sucha a za mokra, asová náro nost vytvá ení vhodných uzl. Dal²ím problémem bylo soustavné rozmotávání namotaných uzl po n jaké mechanické manipulaci s nimi, nap. po n kolikerém testovacím protaºení trubicí. Po t chto zku²enostech se domníváme, ºe takováto volba byla sice pro na²e podmínky z ejm dostate ná, obecn v²ak negativa p evládají nad pozitivy. b) Trubice Trubici jsme zvolili m kkou, gumovou, pr hlednou. Vzhledem práv k její m kkosti jsme na ezali asi 3 cm ²iroké kousky PVC trubice o v t²ím pr m ru, ty podloºili gumovou vrstvou a tyto navlékli na gumovou trubici. Tyto by y následn zalepeny pomocí tavící pistole. Trubici byla p ilepena k d ev nému prknu pomocí st íbrné lepící pásky. Vývod z trubice byl téº p ilepen pomocí tavicí trubice. 9
Obrázek. 11: Trubice s vývodem P i konstrukci této ásti se vyskytlo n kolik problém. Vzhledem k m kkosti materiálu se stalo, ºe po p ipevn ní trubice k prknu se tato trubice zúºila v místech úchytu, coº samoz ejm brání plynulému chodu poumpy. V zúºených místech se zadrhávaly provázkové písty. D leºitou sou ástí trubice je její dolní zakon ení, tj. ást, kde do trubice vstupuje provaz s uzly. Okraj trubice je ostrý, provaz se na n m tedy zasekává. Napodobili jsme jiº funk ní konstrukce v manuálech (viz Reference) a zakon ili trubici kónickou ástí. K tomu jsme vyuºili ást PET lahve. Op t jsme ji p ilepili pomocí tavicí pistole. Obrázek je v dal²í ásti. c) Dolní p evod Dolní p evod je nutný pro plynulý chod pumpy. Sloºili jsme ho z Merkuru a kusu u íznuté trubky z novoduru. Tento mechanismus jsme následn p i²roubovali k prknu s trubicí. 10
Obrázek. 12: Detal dolního p evodu Obrázek. 13: Dolní p evod spolu se vstupem z PET lahve d) Horní p evod Horní p evod je nutný pro manuální pohon pumpy a téº pro zaji²t ní plynulého chodu. Je vyroben z dvou d ev ných kol, ta jsou spojena pomocí u ezaných trubek z novoduru. Loºiska a uchycení jsou vyrobena z Merkuru. Ke kolu je téº p ipevn no prkno k jednomu kolu, toto prkno slouºí k otá ení celého mechanismu. 11
Obrázek. 14: Horní p evod Obrázek. 15: Detail uchycení horního p evodu P i konstrukci této ásti se vyskytlo n kolikero problém, nap. s loºisky i s malým t ením mezi lanem a trubkami. Druhý problém byl vy e²en oblepením kontaktních ástí hrubým smirkovým papírem. e) Nosná konstrukce Celá konstrukce simuluje skute nou pumpu, která v t²inou stojí na pevném základu. Tato podstava je zde simulována pomocí p ekliºkové desky, která je zpevn na pomocí dvou 12
prken k ní p i²roubovaných. Na desce stojí dva trámky, na dvou místech spojené. K t mto trámk m je p ipevn n horní p evod a trubice. Ke spoj m trámk je p ivrtáno prkno a k n mu dal²í, k n muº je p ipevn na trubice. V desce je vy ezán otvor pro trubici a druhou (jiº vracející se) ást provazu. Obrázek. 16: Funk ní provazová pumpa 4 Záv r Konstrukce nebyla p íli² náro ná tolik na sloºitost pracovních postup jako na as a z hlediska zásob dílny na materiál, který bylo nutno v prvních dnech projektu dokoupit. P estoºe je v tuto chvíli pupma pln funk ní, dosáhli jsme pouhého kvalitativního konstatování a totiº ºe funguje, tj. pumpuje vodu. Vzhledem k nedostatku asu neprob hly ºádné dal²í optimalitace i vylep²ení. Prostoru pro takováto vylep²ení je mnoho a kaºdá ást popsaná v p edchozí kapitole by mohla jist být zkonstruována lépe. P esto p ese v²echno nás práce na projektu bavila a jist jsme se i nau ili mnohé nové postupy. 13
Reference [1] Working Bikes Cooperative: Water pump schematic. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://workingbikes.bikegeeks.org/node/3445 [2] Wikipedia: Rope pump. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/rope_pump [3] Wikipedia: Heron's fountain. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/heron's_fountain [4] FAO Corporate Document Repository: Piston or Bucket Pumps: Basic Principles. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.fao.org/docrep/010/ah810e/ah810e06.htm [5] Design World: Gear pump. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.designworldonline.com/a-quick-and-easy-guide-to-hydraulicpump-technology-and-selection [6] Penn State Personal Web Server: Hanging Gardens of Babylon. [online]. [cit. 2013-07- 24]. Dostupné z: http://www.personal.psu.edu/amp5364/hanginggardens.html [7] Working Group on Development Techniques: Rope pump: Construction manual. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.wot.utwente.nl/publications/ropepump/rope-pump-manualwot-english.pdf [8] Rope pumps: Rope pumps. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.ropepumps.org/ 14