Принцип работы гидравлического тарана Монгольфье: научное объяснение феномена

Братья Монгольфье известны миру прежде всего как изобретатели воздушного шара. Однако Жозеф-Мишель Монгольфье (1740-1810) также создал эффективную водоподъемную машину, использующую энергию текущей воды. В его устройстве вода, вытекая из высоко расположенного резервуара по одной трубе, неожиданно поднималась по второй трубе выше своего исходного уровня. Это кажется противоречащим фундаментальному закону сообщающихся сосудов, согласно которому в соединенных сосудах жидкость устанавливается на одной высоте.

Для понимания этого феномена необходимо обратиться к концепции энергии. В физике работа совершается при перемещении тела под действием силы. Энергия — это мера способности системы совершать работу. Различают кинетическую энергию (энергию движения) и потенциальную энергию (энергию положения). Вода в высоком резервуаре обладает значительной потенциальной энергией, которая при падении преобразуется в кинетическую энергию потока.

Рис. 24. Схема экспериментальной установки для демонстрации принципа гидравлического тарана. На рисунке изображены: резервуар (B), узкая трубка (S), резиновый рукав (V) с зажимом, сосуд (A) и тонкая трубка (F).

Рассмотрим базовый эксперимент. Две стеклянные трубки соединены с общим сосудом. Если вдуть воздух в одну трубку, уровень воды во второй повысится, приобретя дополнительную потенциальную энергию. После открытия соединения вода придет в движение, и эта энергия перераспределится. В идеальной системе без потерь колебания продолжались бы вечно, создавая «вечное движение». Однако трение и сопротивление среды гасят колебания, переводя энергию в тепло.

Перейдем к устройству, имитирующему машину Монгольфье. Одну из широких трубок заменяют узкой с резиновым рукавом (V), а к другой присоединяют резервуар (B). При открытом рукаве вода свободно вытекает. Резкое перекрытие потока (гидравлический удар) создает скачок давления, который поднимает часть воды по узкой трубке (S) выше уровня в резервуаре. Энергия большого объема медленно движущейся воды преобразуется в энергию малого объема, способного подняться на большую высоту.

Рис. 25. Устройство практического гидравлического тарана. Схема включает: ударный клапан на выходе из трубы V, обратный клапан (Z), воздушный регулятор-ресивер (W) и подъемную трубу (S).

Таким образом, кажущееся нарушение закона сообщающихся сосудов объяснимо. Этот закон справедлив для статического равновесия, а в таране мы имеем дело с динамическим процессом перераспределения энергии в движущемся потоке. Аппарат является моделью гидравлического тарана (водоподъемника Монгольфье), где ключевую роль играет гидравлический удар — резкий скачок давления при быстром перекрытии потока.

Промышленный гидравлический таран включает ключевые узлы: ударный клапан, автоматически закрывающийся при достижении потоком определенной скорости, и обратный клапан (Z), направляющий воду в воздушный колпак (ресивер W). Сжатый в ресивере воздух выполняет роль демпфера, сглаживая удары и обеспечивая равномерную подачу воды в подъемную трубу (S).

Важнейшей характеристикой устройства является его коэффициент полезного действия (КПД). Таран использует только энергию падающего водяного потока, не требуя внешних источников. Однако значительная часть энергии (около 90%) расходуется на создание самого рабочего импульса, и лишь примерно 10% воды поднимается на значительную высоту. Это плата за автономность и простоту.

Гидравлический таран обладает существенными эксплуатационными преимуществами. Он крайне надежен, долговечен и практически не требует обслуживания, кроме периодической подкачки воздуха в ресивер. Устройство способно поднимать воду на высоту до 100 метров при расстоянии от источника в несколько сотен метров, что делало его незаменимым в XIX — начале XX века для водоснабжения усадеб и небольших поселков.

Принцип, открытый Монгольфье, нашел применение не только в гидравлике. Явление гидравлического удара важно учитывать при проектировании трубопроводов, где резкое закрытие задвижек может приводить к разрушению магистралей. Современные аналоги тарана используются в локальных системах автономного водоснабжения, демонстрируя жизнеспособность остроумных решений, основанных на фундаментальных законах физики.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.