Membina Pam Daya Ctesibius — Pam Omboh Berganda Dua Arah Pertama

Pam daya dua-tindakan mempunyai dua silinder yang bekerja secara berlawanan selari. Labelkan mereka sebagai Silinder A dan Silinder B. Apabila omboh A menolak ke bawah (lejang penghantaran): injap masuk A menutup (menghalang aliran balik ke sumber air), injap keluar A terbuka (memaksa air masuk ke paip keluar sepunya), manakala serentak omboh B menarik ke atas (lejang sedutan): injap masuk B terbuka (menarik air dari sumber ke dalam silinder B), injap keluar B menutup (menghalang air keluar daripada mengalir balik ke dalam silinder B). Pada lejang kembali, A dan B bertukar peranan.

Hasilnya ialah saluran keluar menerima air pada setiap separuh lejang alur operasi, iaitu aliran hampir berterusan. Injap semak ialah komponen kritikal: jika mana-mana injap masuk bocor (membenarkan aliran balik pada lejang penghantaran), silinder kehilangan primingnya dan menghantar udara dan bukannya air. Jika mana-mana injap keluar bocor, tekanan penghantaran menurun dan aliran terbalik semasa lejang sedutan. Bina keempat-empat injap semak dengan ketelitian yang sama seperti silinder itu sendiri.

Silinder mesti mempunyai lubang dalaman yang licin dan sekata supaya omboh memeterai dengan berkesan. Gangsa (aloi kuprum dan timah, biasanya 88–90% kuprum dan 10–12% timah mengikut jisim) ialah bahan yang betul — ia tahan kakisan, boleh dituang hampir mengikut bentuk akhir, dan boleh dimuktamadkan dengan digerudi dan dikikis hingga ke permukaan dalaman yang licin. Tuang setiap silinder sebagai tiub berdinding tebal dengan diameter dalaman kira-kira 5 cm, panjang 20 cm, dan ketebalan dinding 1.5 cm. Pam Pompeii menggunakan silinder berdiameter kira-kira 4–5 cm — cukup besar untuk menghasilkan aliran berguna sebanyak 5–10 liter seminit pada 60 llejang seminit.

Selepas penuangan, gerudi bahagian dalam silinder sehingga licin menggunakan batang gerudi kayu keras yang dipasang dengan mata pengikis, dipacu oleh gerudi busur atau brek tangan. Gerakkan batang gerudi dengan lejang panjang, sambil melincirkan dengan minyak zaitun, sehingga lubang cukup licin untuk nyalaan lilin yang dipegang di dalamnya tidak menunjukkan lubang atau rabung yang kelihatan. Uji kebulatan lubang dengan tolok palam (batang gangsa yang dibubut 0.5 mm lebih kecil daripada diameter lubang sasaran) — ia sepatutnya meluncur dengan bebas tanpa goyang.

Setiap piston mesti muat dalam lubang silinder dengan kelonggaran 0.5–1 mm — cukup ketat untuk membolehkan pembungkusan kulit menutup jurang, cukup longgar supaya piston tidak tersekat akibat pengembangan haba atau ketidakrataan lubang yang sedikit. Putar atau kikir piston sehingga muat rapat dengan silinder, sentiasa memeriksa menggunakan silinder sebenar sebagai tolok. Piston pam Pompeii ialah cakera gangsa berukuran kira-kira 3 cm tinggi dan dipasang dengan rod penyambung besi kepada alur operasi di atasnya.

Mesin satu alur membulat 5 mm lebar × 5 mm dalam di sekeliling permukaan luar setiap piston, kira-kira 1 cm dari bahagian atas. Alur ini menerima pembungkusan kulit yang menutup jurang antara piston dan lubang. Potong jalur kulit disamak sayuran tebal (tebal 2 mm) sepanjang lilitan piston tepat dan lebar 8 mm, rendam dalam minyak zaitun selama 30 minit supaya lembut, kemudian tekan ke dalam alur. Kulit yang kembang dengan minyak memenuhi alur dan menekan dinding lubang silinder, membentuk meterai larian kedap tekanan.

Setiap injap sehala terdiri daripada cakera gangsa (tempat duduk injap) dengan lubang tengah berdiameter 1.5 cm, dan cakera gangsa yang sedikit lebih besar (daun injap) berdiameter 2 cm dan tebal 1 mm, diletakkan untuk menutup lubang tempat duduk dari satu sisi. Apabila tekanan menolak dari bawah tempat duduk, daun injap terangkat dan membenarkan aliran. Apabila tekanan berbalik, daun injap melekat pada lubang tempat duduk dan menghentikan aliran balik. Tempat duduk dan daun injap mesti digilap (dikisar bersama dengan pes pelelas halus — serbuk emeri dicampur dengan minyak zaitun) sehingga membentuk penutup rata-ke-rata tanpa jurang cahaya yang kelihatan apabila dipegang di hadapan lilin.

Sebagai alternatif, gunakan injap sehala bebola: sebiji bola gangsa atau besi yang sedikit lebih besar daripada lubang tempat duduk, dipegang longgar dalam sangkar di atas tempat duduk. Bola jatuh ke atas tempat duduk akibat graviti dan tekanan balik, menutup lubang; tekanan ke hadapan mengangkat bola dari tempat duduk. Injap bebola lebih mudah dibuat berbanding injap daun dan kurang cenderung melekat. Pam Pompeii menggunakan injap plat ayun yang serupa dengan reka bentuk daun.

Setiap silinder memerlukan dua perumah injap: satu di bahagian bawah untuk injap semak masuk (menarik air dari sumber ke dalam silinder semasa lejang sedutan) dan satu di bahagian atas untuk injap semak keluar (menghantar air ke saluran keluar sepunya semasa lejang penghantaran). Perumah injap masuk disambungkan ke paip masuk tenggelam atau tiub sedutan yang direndam dalam sumber air. Perumah injap keluar disambungkan ke paip keluar sepunya yang menuju ke titik pelepasan.

Tuang atau pateri perumah injap daripada gangsa, dengan sambungan berulir atau muat-tekan ke hujung silinder. Sambungan masuk hendaklah menghala ke bawah atau ke sisi; bahagian keluar hendaklah menghala ke atas dan disambungkan ke pengurus keluar sepunya di atas kedua-dua silinder. Letakkan injap semak di dalam perumahnya dengan orientasi yang betul — injap semak masuk yang dipasang terbalik (menyekat aliran ke dalam silinder dan bukannya menyekat aliran balik) ialah ralat pemasangan yang paling lazim dan menghasilkan pam yang tidak menghantar air walaupun semua bahagian lain dibina dengan betul.

Manifold salur keluar sepunya ialah kotak gangsa yang menerima penghantaran bertekanan daripada kedua-dua injap semak salur keluar dan menggabungkannya ke dalam satu paip salur keluar. Ia juga berfungsi sebagai ruang udara ("peredam denyutan"): poket udara tertutup di dalam manifold dimampatkan apabila tekanan penghantaran meningkat pada setiap lejang omboh dan mengembang semasa separuh lejang sedutan, melicinkan turun naik tekanan dan menghasilkan aliran yang lebih stabil. Tanpa bantalan udara ini, aliran akan melonjak dan berdenyut bersama setiap lejang.

Tuangkan manifold dengan isipadu dalaman kira-kira bersamaan isipadu sapuan satu silinder (luas omboh didarab dengan panjang lejang). Sertakan palam boleh tanggal di bahagian atas untuk membolehkan pengisian semula bantalan udara dengan udara jika ia menjadi penuh air dari semasa ke semasa. Sambungkan kedua-dua injap salur keluar silinder ke bahagian bawah manifold dan paip discaj ke satu sisi. Paip discaj hendaklah sekurang-kurangnya sama diameter dengan lubang silinder untuk mengelakkan aliran salur keluar terhad.

Alat operasi ialah sebatang palang mendatar yang berpaksi di tengahnya pada tiang fulkrum, dengan satu rod omboh disambungkan ke setiap hujung palang. Apabila satu hujung palang turun (menolak satu omboh ke bawah), hujung yang satu lagi naik (menarik omboh yang satu lagi ke atas). Gerakan jongkat-jongkit ini memacu kedua-dua silinder secara berlawanan dengan tepat — apabila omboh A berada di bahagian bawah lejang penghantarannya, omboh B berada di bahagian atas lejang sedutannya, dan sebaliknya. Palang mesti cukup tegar untuk memindahkan keseluruhan daya pam tanpa melentur.

Buat palang daripada kayu oak berurat lurus dengan keratan rentas kira-kira 5 cm × 8 cm dan cukup panjang untuk memberikan panjang lejang yang dikehendaki. Untuk lejang omboh 10 cm, hujung palang mesti bergerak 10 cm secara menegak — dengan separuh panjang 60 cm dari paksi ke hujung, pergerakan menegak hujung 10 cm memerlukan putaran sudut arcsin(10/60) ≈ 10°, yang selesa untuk operasi manual. Pasangkan palang pada pin gangsa melalui pendakap fulkrum daripada kayu keras atau gangsa yang dipasang di atas dan di antara kedua-dua silinder.

Setiap omboh disambungkan ke hujung rasuk yang sepadan melalui rod omboh besi berdiameter kira-kira 1 cm. Rod mesti menghantar daya tolak (pada lejang penghantaran) dan daya tarik (pada lejang sedutan) — ini bermakna rod mesti mengalami tegangan dan mampatan secara bergilir, jadi sambungan di kedua-dua hujung mesti kukuh (tidak bergantung pada graviti semata-mata untuk mengekalkan sentuhan). Pasakkan hujung atas rod ke rasuk dengan pin klevis besi melalui hujung rasuk; pasakkan hujung bawah rod ke omboh dengan pin silang melalui lubang tebuk pada mahkota omboh.

Rod omboh mesti sejajar tegak tepat dengan lubang silinder — sebarang ketidaksejajaran sudut mencipta daya sisi yang menolak omboh ke dinding silinder, meningkatkan geseran dan mempercepat haus pada pembungkus kulit. Semak penjajaran dengan menurunkan omboh ke dalam silinder pada rodnya dengan rasuk di kedudukan tengah: rod sepatutnya tergantung tegak lurus tanpa menyentuh dinding silinder. Laraskan kedudukan pivot rasuk atau pemasangan silinder sehingga tegak lurus dicapai.

Sambungkan perumah injap masuk ke paip sedutan sepunya (atau tiub sedutan individu) yang menuju ke sumber air. Paip sedutan mesti kedap udara — sebarang kebocoran udara di bahagian sedutan bermaksud omboh menyedut udara dan bukannya air, sekali gus memecahkan pramain. Had maksimum teori bagi angkatan sedutan mana-mana pam omboh ialah 10.3 meter (bersamaan tekanan atmosfera yang menyokong satu lajur air), tetapi dalam amalan 5–6 meter ialah had yang boleh dipercayai dengan omboh bersegel kulit dan sambungan yang disegel dengan ter pain dan bukannya logam dimesin.

Pramain pam sebelum operasi pertama: isi silinder dan perumah injap sepenuhnya dengan air dengan menuangnya melalui palam boleh tanggal di bahagian atas setiap silinder. Air pramain mewujudkan segel cecair yang membolehkan injap semak berfungsi dan omboh menghasilkan tekanan sedutan. Tanpa pramain, omboh memampat dan mengembang udara secara tidak berkesan — pam hanya bernafas tanpa menyedut air. Gerakkan alur (beam) perlahan-lahan dengan tangan untuk 20 lejang pertama bagi membolehkan gelembung udara keluar melalui salur keluar sebelum menggunakan kelajuan kerja penuh.

Pada 60 lejang seminit (30 kitaran penuh alur ayunan) dengan lejang 10 cm dan diameter silinder 5 cm (isipadu sapuan setiap lejang = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0.2 liter), kadar aliran teori ialah 0.2 × 30 × 2 silinder = 12 liter seminit. Aliran sebenar akan menjadi 70–80% daripada teori disebabkan kebocoran injap, pintasan omboh, dan geseran paip — jangkakan 8–10 liter seminit. Ini sepadan dengan aplikasi pemadam kebakaran Rom: 10 liter seminit ialah pancutan yang besar apabila dihantar pada tekanan tolok 0.5–1 bar melalui muncung berdiameter 1.5 cm.

Uji tekanan penghantaran dengan mengukur ketinggian air yang dapat dipancutkan oleh pam dari tiub terbuka menegak yang disambungkan ke manifold keluaran. Kadar aliran 10 liter seminit dan ketinggian penghantaran 5 meter (0.5 bar) mewakili kuasa hidraulik kira-kira 8 watt — sederhana mengikut piawaian moden, tetapi dicapai oleh peranti tangan yang padat dengan berat kira-kira 15–20 kg dan boleh dikendalikan oleh seorang sahaja. Versi pemadam kebakaran Rom (sipho) menggunakan dua operator pada alur untuk kadar aliran yang lebih tinggi.

Pengedap omboh kulit ialah komponen yang paling memerlukan penyelenggaraan. Pembungkusan kulit mengecut dan mengeras apabila kering dan dibiarkan di luar air, lalu kehilangan keupayaan mengedapnya. Jika pam tidak akan digunakan selama lebih daripada seminggu, rendam pengedap kulit dalam minyak biji rami atau lemak haiwan sebelum disimpan bagi mengelakkan kekeringan. Apabila memulakan semula operasi, rendam semula pam dalam air selama 30 minit sebelum cuba memprima dan mengoperasikannya — kulit memerlukan masa untuk mengembang semula kepada dimensi pengedapnya.

Pengisaran semula injap semak (mengisar semula permukaan padanan tempat duduk-ke-flap) hendaklah dilakukan setiap tahun atau apabila output penghantaran menurun lebih daripada 25% daripada prestasi semasa pentauliahan. Keluarkan palam perumah injap, keluarkan flap injap, dan kisar semula tempat duduk dan flap bersama dengan pes emeri halus sehingga permukaan padanan menunjukkan corak sentuhan kelabu yang konsisten di sekeliling bukaan tempat duduk tanpa sebarang tompok terang (yang tidak bersentuhan). Injap semak yang diisar dengan sempurna boleh menahan tekanan balik 1 bar tanpa bocor — uji dengan mengenakan tekanan udara menggunakan belos dan pastikan tiada gelembung di sambungan dengan air sabun.

Los vigiles romanos (cuerpo de bomberos) fueron establecidos por Augusto alrededor del año 6 d. C. y se distribuyeron en siete cohortes por los catorce distritos de Roma. Cada cohorte transportaba varios sipho (bombas de fuerza de Ctesibio) montadas sobre carros con ruedas, que se llenaban mediante una cadena de cubos desde la cisterna más cercana o el punto de captación del acueducto. El registro histórico describe bombas capaces de proyectar agua sobre incendios en el primer piso, lo que sugiere presiones de trabajo suficientes para elevar el agua 4–5 metros a través de una boquilla, en consonancia con los parámetros de diseño de este plano.

La bomba de Pompeya, actualmente en el Museo Arqueológico Nacional de Nápoles (inventario 75202), sigue siendo el ejemplo mejor conservado: dos cilindros de bronce de 4,2 cm de diámetro interior y 18 cm de carrera, con una viga basculante accionada por asas en cada extremo. La bomba conservada pesa aproximadamente 12 kg y podría haber suministrado unos 7–8 litros por minuto a la velocidad de bombeo de un hombre. El riesgo crónico de incendio en las insulae (bloques de apartamentos) densamente pobladas de Roma hacía que la bomba de fuerza fuera tan crítica para la infraestructura urbana como el acueducto que suministraba su agua.