Kujenga Pampu ya Nguvu ya Ctesibius — Pampu ya Kwanza ya Pistoni yenye Vitendo Viwili

Pampu ya nguvu ya kitendo-mara-mbili ina mitungi miwili inayofanya kazi kwa upinzani sambamba. Ziweke alama kama Silinda A na Silinda B. Pistoni A inaposukuma chini (mpigo wa kutoa): vali ya kuingiza ya A hufunga (kuzuia mtiririko wa nyuma kurudi kwenye chanzo cha maji), vali ya kutoa ya A hufunguka (ikilazimisha maji kuingia kwenye bomba la pamoja la kutoa), wakati huo huo pistoni B inavutwa juu (mpigo wa kunyonya): vali ya kuingiza ya B hufunguka (ikivuta maji kutoka chanzo kuingia Silinda B), vali ya kutoa ya B hufunga (kuzuia maji ya kutoa yasirudi kwenye Silinda B). Kwenye mpigo wa kurudi, A na B hubadilishana majukumu.

Matokeo ni kwamba sehemu ya kutoa hupokea maji kwenye kila nusu-mpigo wa boriti ya uendeshaji — mtiririko karibu endelevu. Vali za kukagua ndizo vipengele muhimu: ikiwa vali yoyote ya kuingiza inavuja (inaruhusu mtiririko wa nyuma kwenye mpigo wa kutoa), silinda hupoteza kuwekwa kwake tayari na hutoa hewa badala ya maji. Ikiwa vali yoyote ya kutoa inavuja, shinikizo la utoaji hushuka na mtiririko hugeuka wakati wa mipigo ya kunyonya. Tengeneza vali zote nne za kukagua kwa uangalifu sawa na mitungi yenyewe.

Silinda lazima ziwe na tundu laini na thabiti ili pistoni ifunge vizuri. Shaba (aloi ya shaba na bati, kwa kawaida 88–90% shaba na 10–12% bati kwa uzito) ndiyo nyenzo sahihi — inastahimili kutu, inaweza kutupwa karibu na umbo linalohitajika, na inaweza kumalizwa kwa kuchimba na kukwangua hadi uso wa ndani laini. Tupa kila silinda kama bomba lenye ukuta mnene wa takriban sentimita 5 kwa kipenyo cha ndani, sentimita 20 kwa urefu, na sentimita 1.5 kwa unene wa ukuta. Pampu ya Pompeii ilitumia silinda zenye kipenyo cha takriban sentimita 4–5 — kubwa vya kutosha kutoa mtiririko wa kufaa wa lita 5–10 kwa dakika kwa mipigo 60 kwa dakika.

Baada ya kutupwa, chimba ndani ya silinda hadi iwe laini kwa kutumia upau wa kuchimba wa mbao ngumu wenye blade ya kukwangua, ukiendeshwa kwa kinyota cha upinde au bisibisi ya mkono. Fanya kazi kwa upau wa kuchimba kwa mipigo mirefu, ukilainisha kwa mafuta ya mzeituni, hadi tundu liwe laini vya kutosha kwamba mwali wa mshumaa ulioshikwa ndani hauonyeshi mashimo au matuta yanayoonekana. Pima mzunguko wa tundu kwa kipimo cha kuziba (fimbo ya shaba iliyotengenezwa kwa kutorea, yenye kipenyo cha milimita 0.5 chini ya kipenyo lengwa cha tundu) — inapaswa kuteleza kwa uhuru bila kuyumba.

Kila pistoni lazima itoshee tundu la silinda kwa pengo la 0.5–1 mm — likiwa dogo vya kutosha ili kifungashio cha ngozi kiweze kuziba pengo, na kubwa vya kutosha ili pistoni isikwame kutokana na upanuzi wa joto au mkengeuko mdogo wa tundu. Geuza au sugua pistoni hadi itoshee vizuri na silinda, ukikagua mara kwa mara kwa kutumia silinda halisi kama kipimo. Pistoni za pampu ya Pompeii zilikuwa diski za shaba zenye urefu wa takriban sm 3 na zilifungwa kwa fimbo za kuunganisha za chuma kwenda kwenye boriti ya uendeshaji juu yake.

Tengeneza mfereji wa mviringo wenye upana wa 5 mm × kina cha 5 mm kuzunguka uso wa nje wa kila pistoni, takriban 1 cm kutoka juu. Mfereji huu hupokea kifungashio cha ngozi kinachoziba pengo kati ya pistoni na tundu. Kata ukanda wa ngozi nene iliyotiwa rangi kwa mimea (unene wa 2 mm) ili urefu wake uwe sawa kabisa na mzingo wa pistoni, na upana wa 8 mm, loweka katika mafuta ya zeituni kwa dakika 30 ili iwe laini, kisha ibonyeze ndani ya mfereji. Ngozi iliyovimba kwa mafuta hujaza mfereji na kugusa ukuta wa tundu la silinda, na kutengeneza muhuri usiopitisha shinikizo wakati wa mwendo.

Kila vali ya kukagua inajumuisha diski ya shaba (kiti cha vali) yenye tundu la kati la kipenyo cha sentimita 1.5, na diski ndogo kidogo ya shaba (flap) yenye kipenyo cha sentimita 2 na unene wa milimita 1, iliyowekwa kufunika tundu la kiti upande mmoja. Shinikizo linapotoka chini ya kiti, flap huinuka na kuruhusu mtiririko. Shinikizo linapobadilika, flap hujifunga juu ya tundu la kiti na kuzuia mtiririko wa nyuma. Kiti na flap lazima viwekwe lapping (visuguliwe pamoja kwa kuweka laini ya abrasive — emery ya unga iliyochanganywa na mafuta ya mzeituni) hadi vifanye muhuri bapa-kwa-bapa bila pengo lolote linaloonekana la mwanga linaposhikwa juu ya mshumaa.

Vinginevyo, tumia vali za mpira za kukagua: mpira wa shaba au chuma unaozidi kidogo tundu la kiti, ukishikiliwa kwa urahisi ndani ya ngome juu ya kiti. Mpira hushuka juu ya kiti kwa mvuto na shinikizo la nyuma, na kuziba tundu; shinikizo la mbele huinua mpira kutoka kwenye kiti. Vali za mpira ni rahisi kutengeneza kuliko vali za flap na hazina uwezekano mkubwa wa kukwama. Pampu ya Pompeii ilitumia vali za sahani zinazozunguka zinazofanana na muundo wa flap.

Kila silinda inahitaji nyumba mbili za vali: moja chini kwa vali ya kukagua ya kuingiza (inayochota maji kutoka chanzo hadi ndani ya silinda wakati wa kiharusi cha kunyonya) na nyingine juu kwa vali ya kukagua ya kutoa (inayopeleka maji kwenye bomba la kutoa la pamoja wakati wa kiharusi cha kusukuma). Nyumba ya vali ya kuingiza inaunganishwa na bomba la kuingiza lililozama au bomba la kunyonya lililozamishwa kwenye chanzo cha maji. Nyumba ya vali ya kutoa inaunganishwa na bomba la kutoa la pamoja linaloelekea mahali pa kutolea maji.

Tupa au unganisha kwa solda nyumba za vali kutoka shaba, zenye miunganisho yenye nyuzi au ya kubonyeza kwenye ncha za silinda. Muunganisho wa kuingiza unapaswa kuelekea chini au pembeni; kutoa kunapaswa kuelekea juu na kuunganishwa na wingi wa pamoja wa kutoa juu ya silinda zote mbili. Weka vali za kukagua kwenye nyumba zake kwa mwelekeo sahihi — vali ya kukagua ya kuingiza iliyowekwa nyuma (inayozuia mtiririko kuingia kwenye silinda badala ya kuzuia mtiririko wa kurudi nyuma) ndiyo hitilafu ya kawaida zaidi ya kuunganisha na husababisha pampu isiyotoa maji bila kujali kila kitu kingine kimejengwa kwa usahihi kiasi gani.

Wingi wa kutoka wa pamoja ni kisanduku cha shaba kinachopokea shinikizo la utoaji kutoka kwa valvu zote mbili za kukagua kutoka na kuziunganisha kuwa bomba moja la kutoka. Pia hutumika kama chemba ya hewa (the 'pulsation dampener'): mfuko wa hewa uliofungwa ndani ya wingi hubanwa shinikizo la utoaji linapoongezeka kwa kila mpigo wa pistoni na hupanuka wakati wa nusu mpigo wa kunyonya, hivyo kulainisha mabadiliko ya shinikizo na kutoa mtiririko thabiti zaidi. Bila mto huu wa hewa, mtiririko hurukaruka na kupiga mapigo kwa kila mpigo.

Tupa wingi huo kwa ujazo wa ndani unaokaribia kuwa sawa na ujazo uliopigwa wa silinda moja (eneo la pistoni likizidishwa kwa urefu wa mpigo). Jumuisha plagi inayoweza kutolewa juu ili kuruhusu kujaza tena mto wa hewa kwa hewa iwapo utajaa maji kwa muda. Unganisha valvu mbili za kutoka za silinda chini ya wingi huo na bomba la kutokeza upande mmoja. Bomba la kutokeza liwe na kipenyo angalau sawa na kipenyo cha silinda ili kuepuka kuzuia mtiririko wa kutoka.

Boriti la uendeshaji ni lever ya mlalo iliyozungushwa katikati yake juu ya nguzo ya kiegemeo, huku fimbo moja ya pistoni ikiunganishwa kwenye kila ncha ya boriti. Ncha moja ya boriti inaposhuka (ikisukuma pistoni moja chini), ncha nyingine hupanda (ikivuta pistoni nyingine juu). Mwendo huu wa kuyumbayumba huendesha silinda mbili kinyume kwa usahihi — pistoni A inapokuwa chini ya kiharusi chake cha utoaji, pistoni B iko juu ya kiharusi chake cha kunyonya, na kinyume chake. Boriti lazima liwe gumu vya kutosha kupitisha nguvu kamili ya kusukuma bila kupinda.

Tengeneza boriti kutoka kwa mwaloni wenye nyuzi moja kwa moja wenye sehemu ya msalaba takriban sentimita 5 × sentimita 8, na refu vya kutosha kutoa urefu wa kiharusi unaotakiwa. Kwa kiharusi cha pistoni cha sentimita 10, ncha za boriti lazima zisogee sentimita 10 wima — kwa urefu wa nusu wa sentimita 60 kutoka egemeo hadi ncha, mwendo wima wa ncha wa sentimita 10 unahitaji mzunguko wa angular wa arcsin(10/60) ≈ 10°, ambao ni rahisi kwa uendeshaji wa mkono. Egemeza boriti kwenye pini ya shaba kupitia bracket ya kiegemeo ya mbao ngumu au shaba iliyowekwa juu na kati ya silinda mbili.

Kila pistoni imeunganishwa na mwisho wa boriti husika kwa kijiti cha pistoni cha chuma chenye kipenyo cha takriban sm 1. Kijiti lazima kisambaze nguvu ya kusukuma (wakati wa kiharusi cha kutoa) na nguvu ya kuvuta (wakati wa kiharusi cha kunyonya) — hii inamaanisha kijiti lazima kiwe chini ya mvutano na mgandamizo kwa zamu, hivyo miunganisho katika ncha zote mbili lazima iwe imara (bila kutegemea mvuto peke yake kudumisha mguso). Funga ncha ya juu ya kijiti kwenye boriti kwa pini ya clevis ya chuma inayopita kwenye ncha ya boriti; funga ncha ya chini ya kijiti kwenye pistoni kwa pini ya msalaba inayopita kwenye tundu lililochimbwa kwenye kichwa cha pistoni.

Kijiti cha pistoni lazima kipangwe kwa wima kikamilifu na tundu la silinda — mkengeuko wowote wa pembe huunda nguvu ya kando inayosukuma pistoni dhidi ya ukuta wa silinda, ikiongeza msuguano na kuharakisha uchakavu wa kifungashio cha ngozi. Angalia upangaji kwa kushusha pistoni ndani ya silinda ikiwa kwenye kijiti chake huku boriti ikiwa katika nafasi ya kati: kijiti kinapaswa kuning'inia wima bila kugusa ukuta wa silinda. Rekebisha nafasi ya egemeo la boriti au uwekaji wa silinda hadi wima ipatikane.

Unganisha nyumba za valvu ya kuingiza kwenye bomba moja la kunyonya (au mirija ya kunyonya ya kibinafsi) inayoelekea kwenye chanzo cha maji. Bomba la kunyonya lazima liwe lisilopitisha hewa — uvujaji wowote wa hewa upande wa kunyonya unamaanisha kwamba pistoni inavuta hewa badala ya maji, na hivyo kuvunja ujazo wa awali. Urefu wa juu wa kinadharia wa kunyonya wa pampu yoyote ya pistoni ni mita 10.3 (sawa na shinikizo la anga linaloshikilia safu ya maji) lakini kwa vitendo mita 5–6 ndiyo kikomo cha kuaminika ukiwa na pistoni zilizofungwa kwa ngozi na viungo vilivyofungwa kwa lami ya msonobari badala ya chuma kilichochongwa.

Jaza pampu kabla ya matumizi ya kwanza: jaza mitungi na nyumba za valvu kikamilifu kwa maji kwa kumimina kupitia kizibo kinachoweza kutolewa juu ya kila mtungi. Maji ya awali huunda muhuri wa kioevu unaoruhusu valvu za kukagua kufanya kazi na pistoni kuzalisha shinikizo la kunyonya. Bila ujazo wa awali, pistoni hubana na kupanua hewa bila ufanisi — pampu hupumua tu bila kuvuta maji. Endesha boriti polepole kwa mkono kwa mipigo 20 ya kwanza ili kuruhusu viputo vya hewa kutoka kupitia njia ya kutolea kabla ya kutumia kasi kamili ya kazi.

Kwa mipigo 60 kwa dakika (mizunguko kamili 30 ya boriti ya kuyumbayumba) yenye kiharusi cha sentimita 10 na tundu la sentimita 5 (ujazo uliopitiwa kwa kila kiharusi = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ lita 0.2), kiwango cha nadharia cha mtiririko ni 0.2 × 30 × silinda 2 = lita 12 kwa dakika. Mtiririko halisi utakuwa 70–80% ya nadharia kutokana na uvujaji wa vali, kupita kwa pistoni, na msuguano wa bomba — tarajia lita 8–10 kwa dakika. Hii inalingana na matumizi ya kuzima moto ya Waroma: lita 10 kwa dakika ni mkondo mkubwa unapotolewa kwa shinikizo la kipimo la baa 0.5–1 kupitia pua yenye kipenyo cha sentimita 1.5.

Jaribu shinikizo la utoaji kwa kupima urefu ambao pampu inaweza kurusha maji kutoka kwenye bomba wima wazi lililounganishwa na mfumo wa kutolea. Kiwango cha mtiririko cha lita 10 kwa dakika na kichwa cha utoaji cha mita 5 (baa 0.5) kinawakilisha pato la nguvu ya majimaji la takriban wati 8 — la kawaida kwa viwango vya kisasa, lakini limepatikana kwa kifaa kidogo cha kushika kwa mkono chenye uzito wa kilo 15–20 na kinachoweza kuendeshwa na mtu mmoja. Toleo la kuzima moto la Waroma (sipho) lilitumia waendeshaji wawili kwenye boriti kwa viwango vya juu vya mtiririko.

Mihuri ya pistoni ya ngozi ndiyo sehemu inayohitaji matengenezo zaidi. Pakingi ya ngozi hupungua na kuwa ngumu inapokauka na kuachwa nje ya maji, na hivyo kupoteza uwezo wake wa kuziba. Ikiwa pampu itakuwa nje ya huduma kwa zaidi ya wiki moja, loweka mihuri ya ngozi kwenye mafuta ya linseed au mafuta ya wanyama kabla ya kuihifadhi ili kuzuia kukauka. Wakati wa kuirejesha kazini, loweka pampu tena kwenye maji kwa dakika 30 kabla ya kujaribu kuiwasha na kuiendesha — ngozi inahitaji muda wa kuvimba tena hadi vipimo vyake vya kuziba.

Ukasafishaji wa vali ya kukagua (kusaga upya nyuso zinazogusana za kiti na flap) unapaswa kufanywa kila mwaka au wakati wowote pato la uwasilishaji linaposhuka zaidi ya 25% ikilinganishwa na utendaji wakati wa kuanzishwa. Ondoa plagi za nyumba ya vali, toa flap za vali, kisha usage kiti na flap pamoja kwa kutumia unga mzuri wa emery hadi nyuso zinazogusana zionyeshe mchoro thabiti wa kijivu kuzunguka ufunguzi wa kiti bila madoa angavu (yasiyogusana). Vali ya kukagua iliyosagwa kikamilifu inaweza kushikilia shinikizo la nyuma la baa 1 bila kuvuja — jaribu kwa kutumia shinikizo la hewa kwa kutumia bellows na uthibitishe kwamba hakuna viputo kwenye kiungo kwa kutumia maji ya sabuni.

Vigiles wa Roma (kikosi cha zimamoto) walianzishwa na Augustus karibu mwaka 6 BK na kuwekwa katika kohoti saba kote katika wilaya kumi na nne za Roma. Kila kohoti ilibeba sipho kadhaa (pampu za nguvu za Ctesibian) zilizowekwa kwenye mikokoteni yenye magurudumu, zikijazwa na kikosi cha ndoo kutoka tanki la karibu zaidi au sehemu ya kuchota ya mfereji wa maji. Rekodi za kihistoria zinaeleza pampu zenye uwezo wa kurusha maji hadi kwenye moto wa ghorofa ya kwanza, zikipendekeza shinikizo la kufanya kazi linalotosha kuinua maji mita 4–5 kupitia pua — linalolingana na vigezo vya muundo wa blueprint hii.

Pampu ya Pompeii, sasa iko katika Jumba la Makumbusho la Kitaifa la Akiolojia la Naples (hesabu 75202), inabaki kuwa mfano bora zaidi uliohifadhiwa: mitungi miwili ya shaba yenye kipenyo cha ndani cha sentimita 4.2, kiharusi cha sentimita 18, pamoja na boriti ya kuyumba inayoendeshwa kwa vipini kila upande. Pampu iliyosalia ina uzito wa takriban kilo 12 na ingeweza kutoa takriban lita 7–8 kwa dakika kwa kasi ya mtu mmoja anayesukuma. Hatari ya moto ya kudumu ya Roma katika insulae zilizojaa (majengo ya ghorofa) ilifanya pampu ya nguvu kuwa muhimu kwa miundombinu ya mijini kama mfereji wa maji uliotoa maji yake.