如何DIY一个无动力水泵 / 开普饭

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无动力水泵

器材：水桶、1/2寸铜逆止阀与PVC逆止阀、透明塑胶水管、PVC管等

操作过程与现象

以往我们介绍过用水流反覆吹气球的「水锤效应」实验，本次实验则是利用水锤效应设计抽水马达，不需要插电就可以将水输送到更高的地方！

实验装置与材料如图一，最重要的组件是编号1与4，二个都是1/2寸逆止阀（水流只能往一个方向流动）。1号是铜制的，有一个活动的铜片，可以打开与闭合（参见图二）。4号是PVC制的逆止阀，用弹簧控制开与关。制作时请注意1号的逆止阀的方向往下（水只能往下流），4号的方向则往上（如图二绿色箭头）。

除了铜逆止阀，其他组件都是PVC管，选购时要配合逆止阀的尺寸，例如编号A是衔接不同组件用的小管子，也是1/2寸，长度约4公分。而最上方的空气筒的结构，直径要加倍，长度约30公分。

各个组件之间都要确定密封，以螺旋方式接合的（例如编号1与2），要先用防水胶带缠绕螺纹。而PVC管之间则要涂上「塑胶水管胶合剂」，不能使用强力胶。

水泵主体制作完成后，要接上透明塑胶水管（图一蓝色箭头方向），图一右边是进水口，左边是出水口。进水口的水管长度至少要三公尺，一端放进架高的水桶中（参见图三）。而出水口的高度要比水桶更高（图三左边以铝梯架高）。架设完成后实验的操作过程如下：

1. 先将止水阀（编号5）关闭，再将进水口的水管弯折后以长尾夹夹住（图三中间）。

2. 以虹吸作用将水桶的水引进水管（可用抽油器抽取），水流由高处往低处流。

3. 放开长尾夹，让水流流通。

4. 注意观察铜制逆止阀（编号1）是否会自动关闭？如果水不会从逆止阀流出来，则进行下一步。如果水一直从逆止阀流出来，则把长尾夹夹回去，关闭水流。然后将水桶的高度再增加（每次增加约十公分即可），再观察逆止阀是否会关闭？如果水还是流出逆止阀，则再增加水桶高度，直到逆止阀自动关闭水不会流去。

5. 铜制逆止阀会自动关闭之后，用手指压住逆止阀，让进水管管中的残留空气随着水流流出去。确定水管中没有空气之后，才放开手停止。

6. 用手指反覆将铜制逆止阀进行「压下、再放开」的动作（注：压下时水流出，放开时水停止），一直到逆止阀会自动的打开、关闭、打开、关闭。（别怀疑，逆止阀最后会自动的开与合）

7. 让逆止阀反覆开合约半分钟之后，将编号5的止水阀打开，注意打开大约10%就好，不要完全打开，就可以看到出水一直被输送出去，而且高度超过水桶（水源）的高度喔！

其他注意事项：

(1) 实验过程水桶的水位会逐渐下降，只要随时添加水，让水位变化不要太大，就可以一直运作。（如果水桶很大，水位变化慢，就不必一直添加水）

(2) 进水管（塑胶水管）尽量保持直线状，不要弯曲。如果改用硬质的PVC管，效率会更好，只是成本较高，也比较不容易调整。

(3) 水源（水桶）与水泵之间的距离不能太近，建议距离约三公尺远。

原理

本实验利用水锤效应，将水输送到更高的地方，依图四的顺序说明原理如下：

(1) 铜逆止阀（编号1）的活瓣打开时，水会流出去，但是水源的水压会推动活瓣往上关闭，使水流无法流出。

(2) 出口突然被关闭，由于水流惯性持续往前的冲击，造成关闭处的压力急速上升，产生水锤效应，压力波往回传递，使得PVC逆止阀（编号4）的弹簧打开，水流进上方的空气筒中。

(3) 空气筒中的空气被压缩，体积变小，气压增加。

(4) 由于水锤效应消失，PVC逆止阀会关闭，空气筒的气压将水由出水口压出去。而铜逆水阀的活瓣也会因本身的重量往下掉落而张开，回复到(1)的状态。如此反覆循环，水就会一直被输送到更高的地方了。

如果要将水输送到更高的地方，必然需要能量，本实验似乎违反能量守恒定律，其实不然。重力位能等于「质量x高度xg」（g为重力常数），因此假设有10公升的水，位于1公尺的高度，其重力位能相当于2公升的水，位于5公尺的高度，简易的换算是10 x 1 = 2 x 5。再假设10公升水，由位于1公尺的高度全部流下来，其重力位能可以等于「2公升水位于3公尺高＋8公升水位于0.5公尺高」的重力位能，简易的换算是10 x 1 = 2 x 3＋8 x 0.5（10=6+4）。换言之，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达到3公尺高，比原来位于1公尺高的10公升水，高了2公尺！本实验中水桶的水流下来之后，大部分的水由铜逆止阀流出，其释放的重力位能可以让少部分的水被运送到更高的位置。

无动力水泵实际运作时，牵涉的能量转换颇为复杂，而且能量无法100%转换（主要是摩擦力的消耗），因此实际的运送高度比理论上低很多。但是由于不需要外加能源，很适合用在缺乏电能的地区，早在十九世纪就已经有实用的产品应用于农业，现在市面也都买得到这种水泵。由于运作时有反覆撞击的声音（水锤效应），因此也被称为「水力冲击泵（hydraulic ram pump）」或「水扬器、脉冲泵」。

小技巧与提示：

1. 无动力水泵的原理虽然都是利用水锤效应，但是设计上有不同的变化。例如有的使用二个相同的铜逆止阀，有的则使用二个PVC逆止阀。版主经过多次的实验，发现使用一个铜制逆止阀，另一个逆止阀使用PVC才会成功。原因可能在于不同组合所需要的水源的高度不同，或是1/2寸的逆止阀太小（已经是最小的尺寸）。

2. 无动力水泵的实际商品，结构更为复杂，例如逆止阀具有可调整压力的装置；加装压力表等等，版主简化了水泵的结构，制作上更为简易。

水锤泵

「水锤效应（water hammer effect）」是日常生活常见的现象，只要使用水龙头，就很容易发生，但是常常被我们忽略。这里设计了一个趣味实验，可以显示水锤效应的奥妙。

实验装置如图一，水桶装水后（图一右）放在桌上，再用椅子架高，并插入透明水管（用绳子绑在水桶上），将水引到地面，衔接到图一左的装置。图一左共有三个组件，金黄色的是「逆止阀」，逆止阀里面有一个活瓣，可以防止水流逆流。制作时要将逆止阀的方向朝下，连接到L型PVC管以及T型PVC管（材料在水电行都买得到）。完成后将气球皮套到PVC管朝上的缺口（参见图二），气球皮要张开拉紧，再用像皮筋套紧。

装置完成后，进行以下的操作：

1. 以虹吸作用将水引进水管，水流由高处往低处流。

2. 一开始水管中有残留的空气，用手指压住逆止阀约半分钟，让空气随着水流流出逆止阀。

3. 当水管中没有空气之后，放开逆止阀。

仔细观察，逆止阀会自动关闭，然后气球皮会胀大（如图三），而气球皮一胀大，逆止阀又打开，水流流出去，气球缩小（如图二）。气球一缩小，逆止阀再关闭，气球再胀大……，如此反覆不停的进行，相当有趣！

如果实验失败，逆止阀与气球皮无法自动的开合，原因可能如下：

1. 水桶不够高，落差太小，水压过小会造成水流下来的流速不够快。

2. 气球皮太松或太紧。如果气球无法鼓起来，就是绷太紧了，要再放松一些。如果气球鼓起来，无法缩小，则是太松了，再绷紧一点或再加一层或二层气球皮。

3. 水管有漏气或是有残留空气，因此务必确认没有漏气，以及一开始要压着逆止阀半分钟让残留空气流光。

4. 水桶不要太小，以免实验过程水位降低太快造成水压不足。