¿Realmente se puede bombear agua sin electricidad?

Rhett Allain

Me sorprende la cantidad de videos de YouTube y TikTok que muestran formas novedosas de bombear agua, pero supongo que tiene sentido, porque prácticamente todo el mundo funciona con agua. Si no los has visto antes, a menudo muestran a alguien metiendo algunas tuberías en agua y agitándolas de un lado a otro hasta que, de repente, comienzan a arrojar cantidades infinitas de líquido. Parece mágico: no hay una fuente de energía aparente, pero el agua sigue fluyendo, a veces desde un cuerpo de agua al aire libre, a veces desde un recipiente que la persona sigue rellenando. Es como si estos dispositivos funcionaran con “energía libre”, o energía sin origen aparente.

¿Podrías realmente fabricar una bomba de agua de “energía gratuita”?

Alerta de spoiler de física: en realidad, existen dos métodos para mover agua que no requieren una fuente de energía externa, pero eso no es lo mismo que funcionar con energía gratuita.

El primer método es la bomba de sifón. Este es bastante común y muy fácil de configurar. Esto es lo que necesitas para una demostración sencilla: un vaso de agua potable y una pajita flexible. Llena el vaso casi hasta arriba. Ahora doble la pajita y coloque el extremo corto en el vaso con la parte más larga colgando sobre el borde. Así es como debería verse:

A continuación, las cosas se pondrán un poco raras. Chupa la parte larga de la pajita hasta que el agua llegue al final. Luego suelta ese extremo asegurándote de que esté por debajo del nivel del agua en el vaso. Con suerte, estarás afuera o cerca de un fregadero, porque el agua comenzará a salir por el extremo de la pajita. Eso es todo. Acabas de hacer una bomba de sifón.

El agua seguirá fluyendo (y tal vez ensucie la encimera de la cocina) siempre que se cumplan estas dos condiciones: el extremo de salida de la pajita debe estar más bajo que el nivel del agua en el vaso y el lado de entrada debe estar bajo el agua. . Simple.

Pero, ¿cómo funciona esto? Aquí hay una ilustración de esa configuración, con el agua corriendo a través de la pajita doblada. Parte de la pajita se sumerge en un vaso de agua y otra parte cuelga sobre el borde, para que el agua pueda "caer" por el extremo libre.

Matt Simón

Gregorio Barbero

adrien so

caballero

Como experimento mental, imaginemos que a medida que el agua sale por el extremo libre, deja un espacio casi vacío, excepto quizás por un poco de vapor de agua. Sin nada en esa parte de la pajita, la presión allí es muy cercana a cero. Dado que la presión se define como la fuerza por unidad de área, una presión cero significa que no hay fuerza que empuje hacia arriba el resto del agua en la pajita.

Ahora vayamos al otro extremo de la pajita, el que está en el vaso de agua. Esa parte de la pajita está bajo el agua y hay una presión que produce una fuerza que empuja el agua hacia arriba por la pajita. Esta presión se debe a una combinación de dos factores: la profundidad del agua (cuanto más profundo, mayor es la presión) y la presión atmosférica de todo el aire que hay sobre la superficie del agua. Pero aquí está la parte importante: dado que hay una fuerza (de la presión total) que empuja el agua hacia arriba por la pajita, pero no hay presión en ese espacio vacío, hay una fuerza neta sobre esa porción de agua que la mueve hacia arriba por la pajita. el extremo libre.

Por supuesto, en realidad no hay un espacio vacío en la pajita. Eso fue solo un experimento mental para demostrar que cuando el agua cae del extremo libre de la pajita, no empujará el resto del agua. Una vez que el agua comience a fluir, seguirá fluyendo.

También es útil ver por qué la pajita en sí es importante. No sólo guía el flujo de agua. Evita que entre aire en el interior, lo que aumentaría la presión que empuja el agua e impediría que fluya. Para que este tipo de bomba funcione, se necesita un tubo o tubería que sea rígida y que no colapse debido a la presión atmosférica externa. Una simple pajita de plástico funciona bien para pequeñas cantidades de agua.

Matt Simón

Gregorio Barbero

adrien so

caballero

Hay una cosa más a considerar: ¿una bomba de sifón crea energía “gratuita”, ya que mueve agua sin una fuente de energía externa?

Consideremos una bomba de sifón que drena un estanque elevado. (Recuerde, tiene que ser un estanque elevado porque el extremo de salida del tubo del sifón tiene que estar más bajo que el extremo de entrada). Imagine que se bombea 1 kilogramo de agua del estanque. Esa agua termina en algún lugar más bajo que donde comenzó; para este ejemplo, diré que termina 1 metro más abajo. En términos de energía, esta disminución de altura significa que también disminuirá la energía potencial gravitacional. Incluso podemos calcular este cambio (masa × g × h) para obtener una disminución de 9,8 julios.

La parte importante es que disminuyó en energía. No es necesario agregar energía al sistema para perder energía; el agua lo hace por usted. No es una bomba de “energía libre”, es una bomba de “pérdida de energía”. A efectos prácticos, está bien porque aún nos permite mover el agua sin tener que hacer ningún trabajo.

Hagamos una prueba rápida para ver si algunos de estos videos en línea que muestran bombas sin energía podrían ser bombas de sifón. (Haré uno como ejemplo, y deberías poder comprobar los demás por tu cuenta). Tomemos este de una persona junto a un río con una bomba elegante. Lo sacuden de un lado a otro para que empiece a funcionar, luego el agua comienza a fluir por el extremo de una tubería. Se parece a esto:

¿Podría ser una bomba de sifón? La respuesta es no. Observe que el extremo de entrada de la bomba es más bajo que el extremo de salida; eso significa que no puede ser un sifón.

Exploremos otra opción: la bomba de ariete, abreviatura de bomba de ariete hidráulica. Básicamente, la bomba de ariete es una forma de mover agua a un lugar más alto sin una fuente de energía externa. Este es un poco más complicado, así que comenzaré con un diagrama:

Matt Simón

Gregorio Barbero

adrien so

caballero

En este caso, el agua sale de una fuente más alta que la bomba. (Eso es importante). A medida que esta entrada de agua desciende desde la fuente, aumenta su velocidad y sale por la válvula de desperdicio. Sin embargo, este agua en movimiento hace que la válvula de retención A se cierre, lo que impide que salga el agua. Pero como el agua entra en una válvula cerrada, se redirige hacia arriba pasando por la otra válvula de retención, B, y hace que el espacio de aire se comprima. Una vez comprimido el aire, el agua deja de fluir y la válvula B se cierra. Una vez que la válvula se cierra, el aire comprimido actúa como un resorte para empujar el agua atrapada hacia la tubería de salida. Entonces todo el proceso comienza de nuevo.

Eso es bastante complicado; Es difícil ajustar los valores para que todo funcione correctamente. Así que no voy a construir una bomba de ariete, pero si quieres intentarlo, aquí tienes un bonito vídeo que muestra una que realmente funciona. (Buena suerte.)

Mientras tanto, permítanme señalar los aspectos clave de esta bomba. Primero, la bomba está más baja que la fuente de agua, pero la salida es mayor que la fuente de agua. Puede parecer extraño, pero así es. En segundo lugar, cada vez que se bombea agua a un nivel más alto, se expulsa algo de agua de la bomba: esas son las aguas residuales.

Bien, volvamos al vídeo de TikTok. ¿Podría ser una bomba de ariete? Recuerde que necesita tres niveles para este tipo de bomba: la salida está en el nivel más alto, la fuente de agua está en el medio y finalmente la bomba está abajo. Si no tienes estos tres niveles, no tienes una bomba de ariete.

En el diagrama que dibujé arriba, que se basa en ese video, la persona está bombeando agua de un río, que parece ser la fuente del agua. Entonces esto no puede ser una bomba de ariete, porque el agua no puede salir directamente del río. Recuerde, la bomba debe estar a un nivel más bajo que la fuente. Y en este caso, la fuente, no la bomba, es el nivel más bajo del sistema.

La otra cosa a tener en cuenta son las aguas residuales. En una verdadera bomba de ariete, debería salir agua adicional del nivel inferior. Sin eso, no tienes una bomba de ariete. Y en el vídeo no se ven aguas residuales.

Bueno, entonces ¿cómo podría funcionar? Quién sabe. Quizás sea sólo una ilusión. Quizás haya una bomba eléctrica sumergida en el río y conectada a la tubería. Intenté enviarle un mensaje a la persona que publicó el video y no obtuve respuesta.

La pregunta más importante es: ¿una bomba de ariete genera energía libre? Ciertamente lo parece, porque estás moviendo agua a un lugar más alto. Eso aumentaría su energía potencial gravitacional, en lugar de moverla hacia abajo y disminuir su potencial.

Pero eso no es realmente lo que sucede. Imaginemos que tenemos una bomba de ariete en funcionamiento. Supongamos que empiezo con 20 kilogramos de agua en la fuente. Hay una tubería que baja 1 metro hasta una bomba. Después de eso, parte del agua (digamos 10 kilogramos) se bombea hasta una altura de 1 metro por encima de la fuente original, de modo que aumenta su energía potencial gravitacional. Eso significa que solo se expulsaron 10 kg de agua como desperdicio al nivel de la bomba, pero como descendió, tuvo una disminución en el potencial gravitacional. En general, con 10 kg bajando 1 metro y 10 kg subiendo 1 metro, el cambio neto de energía es... cero. La bomba "paga" por el agua de mayor energía en la salida dejando que el agua fluya a un punto más bajo.

Por supuesto, en este ejemplo la bomba sería 100 por ciento eficiente, y eso nunca sucede. La energía se pierde en el agua eyectada y en la fricción entre el agua y la tubería.

Y eso nos lleva a un último problema: incluso si tuvieras un generador increíblemente eficiente que funcionara con el agua que cae de la bomba de ariete, aún así no te daría energía gratis. Dado que parte del agua tiene que ser expulsada por el extremo inferior, la fuente de agua eventualmente se secaría. Eso significaría que tendría que usar energía para extraer más agua y agregarla a su fuente. ¡Oh, no! Ahora acaba de perder su plan de energía gratuita.

Al final, tanto el sifón como las bombas de ariete mueven agua sin ningún aporte de energía externa, pero no se obtiene más energía de la que se tenía al principio. Sin embargo, es posible que obtenga agua donde la desee. Y ese es el objetivo de una bomba.

Actualización 27/03/2023 12:11 pm ET: Esta publicación se actualizó para corregir la dirección de la válvula de retención B en el diagrama de la bomba de ariete.