忘塵觀

不必插電，可以將水輸送更高的抽水機！

※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

本網站介紹過用水流反覆吹氣球的「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。

觀看實驗影片（38.6M） 

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」。

1.無動力水泵的原理雖然都是利用水錘效應，但是設計上有不同的變化。例如有的使用二個相同的銅逆止閥，有的則使用二個PVC逆止閥。版主經過多次的實驗，發現使用一個銅製逆止閥，另一個逆止閥使用PVC才會成功。原因可能在於不同組合所需要的水源的高度不同，或是1/2吋的逆止閥太小（已經是最小的尺寸）。

2.無動力水泵的實際商品，結構更為複雜，例如逆止閥具有可調整壓力的裝置；加裝壓力表等等，版主簡化了水泵的結構，製作上更為簡易。

3.本實驗的水泵在組裝上並不算困難，零件成本總計不到一千元。在教學上建議教師組裝好後，讓學生操作與觀察，進行以下實驗與討論（適合國中以上）：(1)水泵最高可以將水輸送到多少高度？與水桶（水源）的位置高低有何關係？(2)水桶（水源）的位置高低，是否會影響逆止閥的開合速度？(3)進行實際測量，一桶水最後會有多少水被輸送到高處呢？效率如何？(4)在水泵的運作過程，牽涉了哪些能量轉換呢？

1.跟著鄭大師學科學：水往高處流？http://www.masters.tw/97471/hydraulic_ram

2.百度百科：水锤泵。https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%B4%E9%94%A4%E6%B3%B5

3.Wikipedia: Hydraulic ram. https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram

4.Johnson, S. (2015). How to build a Hydraulic ram pump. eBook: http://www.landtohouse.com/wp-content/uploads/2015/02/lth-ram-pump-v-1-2.pdf

5.Instructables: Hydraulic ram pump. http://www.instructables.com/id/Hydraulic-Ram-Pump/

6.Land to Hiuse: Ram pump purchase. http://www.landtohouse.com/rampumpsales/

7.YouTube影片：

(1) https://www.youtube.com/watch?v=G_IDdYpNWjk

(2) https://www.youtube.com/watch?v=iAIiPWYutFQ

(3) https://www.youtube.com/watch?v=0S2u_tdZkHs