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Dec 10, 2023

¿Realmente se puede bombear agua sin electricidad?

Rhett Allain Estoy sorprendido por la cantidad de videos de YouTube y TikTok que muestran

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 ha visto antes, a menudo muestran a alguien metiendo algunas tuberías en el 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 llenando. Es como si estos dispositivos funcionaran con "energía libre", o energía sin origen aparente.

¿Podrías hacer una bomba de agua de "energía libre"?

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

El primer método es la bomba de sifón. Este es bastante común y muy fácil de configurar. Esto es lo que necesita para una demostración simple: un vaso de agua potable y una pajilla flexible. Llena el vaso casi hasta arriba. Ahora dobla la pajilla y coloca 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 van a poner un poco raras. Chupa la parte larga de la pajilla hasta que el agua llegue al final. Luego suelta ese extremo asegurándote de que esté más bajo que el nivel del agua en el vaso. Con suerte, estás afuera o cerca de un fregadero, porque el agua comenzará a salir por el extremo de la pajilla. 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 pajilla 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 pajilla doblada. Parte de la pajilla se sumerge en un vaso de agua y otra parte cuelga del borde, de modo que el agua pueda "caerse" por el extremo libre.

jeremy blanco

kate knibbs

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Como experimento mental, imaginemos que a medida que el agua fluye por el extremo libre, deja un espacio que está casi vacío, excepto quizás por un poco de vapor de agua. Sin nada en esa parte de la pajilla, 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 empujando hacia arriba el resto del agua en la pajilla.

Ahora vamos al otro extremo de la pajilla, el del vaso de agua. Esa parte de la pajilla está bajo el agua y hay una presión que produce una fuerza que empuja el agua hacia arriba de la pajilla. 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 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 de la pajilla, pero no hay presión en ese espacio vacío, hay una fuerza neta en ese poco de agua que la mueve por la pajilla hacia el extremo libre.

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

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

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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 de la tubería del sifón tiene que estar más bajo que el extremo de entrada). Imagine que se bombea 1 kilogramo de agua fuera del estanque. Esa agua termina en un lugar más bajo que donde comenzó; para este ejemplo, voy a decir que termina 1 metro más abajo. En términos de energía, esta disminución de la 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 necesita 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 todavía 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 pueden ser bombas de sifón. (Haré uno como ejemplo, y deberías poder ver los demás por tu cuenta). Tomemos este de una persona junto a un río con una bomba elegante. Lo agitan de un lado a otro para que comience, luego el agua comienza a fluir por el extremo de una tubería. Se ve algo como esto:

¿Podría ser esto una bomba de sifón? La respuesta es no. Tenga en cuenta que el extremo de entrada de la bomba está más bajo que el extremo de salida, lo que significa que no puede ser un sifón.

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

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En este caso, el agua parte de una fuente que está 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 desecho. 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 se mueve hacia una válvula cerrada, se redirige más allá de la otra válvula de retención, B, y hace que el espacio de aire se comprima. Una vez que se comprime 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 arriba por la tubería de salida. Entonces todo el proceso comienza de nuevo.

Eso es bastante complicado; es difícil ajustar los valores para que la cosa funcione correctamente. Así que no voy a construir una bomba ram, pero si quieres intentarlo, aquí hay un buen video 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 más alta que la fuente de agua. Eso puede parecer extraño, pero es así. 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 video de TikTok. ¿Puede 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 tiene estos tres niveles, no tiene una bomba de ariete.

En el diagrama que dibujé arriba, que se basa en ese video, la persona está sacando agua de un río, que parece ser la fuente del agua. Así que 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 buscar son las aguas residuales. En una verdadera bomba de ariete, debería haber agua extra saliendo del nivel inferior. Sin eso, no tienes una bomba ram. Y en el video, no hay aguas residuales visibles.

Bueno, entonces, ¿cómo podría funcionar? Quién sabe. Tal vez sea solo una ilusión. Tal vez 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 ram crea energía libre? Ciertamente parece de esa manera, porque estás moviendo el agua a un lugar más alto. Eso aumentaría su energía potencial gravitatoria, 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 gravitatoria. Eso significa que solo se expulsaron 10 kg de agua como desecho en el nivel de la bomba, pero como se movió hacia abajo, 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 al dejar 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 expulsada y en la fricción entre el agua y la tubería.

Y eso nos lleva a un último problema: incluso si tuviera un generador imposiblemente eficiente alimentado por el agua que cae de la bomba de ariete, aún no le daría energía gratis. Dado que parte del agua tiene que ser expulsada en el extremo inferior, la fuente de agua eventualmente se secaría. Eso significaría que tiene que usar energía para levantar más agua para agregar a su fuente. ¡Oh, no! Ahora acaba de perder su esquema de energía libre.

Al final, tanto la bomba de sifón como la de ariete mueven el agua sin ninguna entrada de energía externa, pero no obtiene más energía de la que tenía al principio. Sin embargo, es posible que obtenga agua donde la desee. Y ese es el punto de una bomba.

Actualización 3-27-2023 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.