科學遊戲實驗室 無動力水泵

※器材：水桶、1/2吋銅逆止閥與PVC逆止閥、透明塑膠水管、PVC管等等

※操作過程與現象

本網站介紹過用水流反覆吹氣球的「 無動力水泵水錘效應」實驗，本實驗則是利用水錘效應設計抽水馬達，不需要插電就可以將水輸送到更高的地方喔！ 實驗裝置與材料如圖一，最重要的組件是編號1與4，二個都是1/2吋逆止閥（水流只能往一個方向流動）。1號是銅製的，有一個活動的銅片，可以打開與閉合（參見圖二）。4號是PVC製的逆止閥，用彈簧控制開與關。製作時請注意1號的逆止閥的方向往下（水只能往下流），4號的方向則往上（如圖二綠色箭頭）。 除了銅逆止閥，其他組件都是PVC管，選購時要配合逆止閥的尺寸，例如編號A是銜接不同組件用的小管子，也是1/2吋，長度約4公分。而最上方的空氣筒的結構，直徑要加倍，長度約30公分。 各個組件之間都要確實密封，以螺旋方式接合的（例如編號1與2），要先用防水膠帶纏繞螺紋。而PVC管之間則要塗上「塑膠水管膠合劑」，不能使用強力膠。   水泵主體製作完成後，要接上透明塑膠水管（圖一藍色箭頭方向），圖一右邊是進水口，左邊是出水口。進水口的水管長度至少要三公尺，一端放進架高的水桶中（參見圖三）。而出水口的高度要比水桶更高（圖三左邊以鋁梯架高）。架設完成後實驗的操作過程如下： 1.先將止水閥（編號5）關閉，再將進水口的水管彎折後以長尾夾夾住（圖三中間）。 2.以虹吸作用將水桶的水引進水管（可用抽油器抽取），水流由高處往低處流。 3.放開長尾夾，讓水流流通。 4.注意觀察銅製逆止閥（編號1）是否會自動關閉？如果水不會從逆止閥流出來，則進行下一步。如果水一直從逆止閥流出來，則把長尾夾夾回去，關閉水流。然後將水桶的高度再增加（每次增加約十公分即可），再觀察逆止閥是否會關閉？如果水還是流出逆止閥，則再增加水桶高度，直到逆止閥自動關閉水不會流去。 5.銅製逆止閥會自動關閉之後，用手指壓住逆止閥，讓進水管管中的殘留空氣隨著水流流出去。確定水管中沒有空氣之後，才放開手停止。 6.用手指反覆將銅製逆止閥進行「壓下、再放開」的動作（註：壓下時水流出，放開時水停止），一直到逆止閥會自動的打開、關閉、打開、關閉。（別懷疑，逆止閥最後會自動的開與合） 7.讓逆止閥反覆開合約半分鐘之後，將編號5的止水閥打開，注意打開大約10%就好，不要完全打開，就可以看到出水一直被輸送出去，而且高度超過水桶（水源）的高度喔！ 其他注意事項： (1)實驗過程水桶的水位會逐漸下降，只要隨時添加水，讓水位變化不要太大，就可以一直運作。（如果水桶很大，水位變化慢，就不必一直添加水） (2)進水管（塑膠水管）盡量保持直線狀，不要彎曲。如果改用硬質的PVC管，效率會更好，只是成本較高，也比較不容易調整。 (3)水源（水桶）與水泵之間的距離不能太近，建議距離約三公尺遠。

※原理

本實驗利用水錘效應，將水輸送到更高的地方，依圖四的順序說明原理如下： (1)銅逆止閥（編號1）的活瓣打開時，水會流出去，但是水源的水壓會推動活瓣往上關閉，使水流無法流出。 (2)出口突然被關閉，由於水流慣性持續往前的衝擊，造成關閉處的壓力急速上升，產生水錘效應，壓力波往回傳遞，使得PVC逆止閥（編號4）的彈簧打開，水流進上方的空氣筒中。 (3)空氣筒中的空氣被壓縮，體積變小，氣壓增加。 (4)由於水錘效應消失，PVC逆止閥會關閉，空氣筒的氣壓將水由出水口壓出去。而銅逆水閥的活瓣也會因本身的重量往下掉落而張開，回復到(1)的狀態。如此反覆循環，水就會一直被輸送到更高的地方了。 如果要將水輸送到更高的地方，必然需要能量，本實驗似乎違反能量守恆定律，其實不然。重力位能等於「質量x高度x g」（g為重力常數），因此假設有10公升的水，位於1公尺的高度，其重力位能相當於2公升的水，位於5公尺的高度，簡易的換算是10 x 1 = 2 x 5。再假設10公升水，由位於1公尺的高度全部流下來，其重力位能可以等於「2公升水位於3公尺高＋8公升水位於0.5公尺高」的重力位能，簡易的換算是10 x 1 = 2 x 3＋8 x 0.5（10=6+4）。換言之，有8公升的水下降了0.5公尺，但是有2公升的水的位置可以達到3公尺高，比原來位於1公尺高的10公升水，高了2公尺！本實驗中水桶的水流下來之後，大部分的水由銅逆止閥流出，其釋放的重力位能可以讓少部分的水被運送到更高的位置。 無動力水泵實際運作時，牽涉的能量轉換頗為複雜，而且能量無法100%轉換（主要是摩擦力的消耗），因此實際的運送高度比理論上低很多。但是由於不需要外加能源，很適合用在缺乏電能的地區，早在十九世紀就已經有實用的產品應用於農業，現在市面也都買得到這種水泵。由於運作時有反覆撞擊的聲音（水錘效應），因此也被稱為「水力衝擊泵（hydraulic ram pump）」或「水揚器、脈衝泵」。資料來源；http://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-032.html