Pagbuo ng Force Pump ni Ctesibius — Ang Unang Double-Acting Piston Pump

Ang double-acting force pump ay may dalawang silindro na nagtatrabaho nang magkasalungat na magkatapat. Lagyan sila ng label na Cylinder A at Cylinder B. Kapag itinutulak pababa ng piston A (delivery stroke): nagsasara ang A inlet valve (pinipigilan ang pagbalik ng tubig sa pinagmumulan ng tubig), nagbubukas ang A outlet valve (itinutulak ang tubig papasok sa common outlet pipe), habang sabay na hinihila paitaas ng piston B (suction stroke): nagbubukas ang B inlet valve (hinihila ang tubig mula sa pinagmumulan papasok sa cylinder B), nagsasara ang B outlet valve (pinipigilan ang pagbalik ng tubig mula sa outlet papasok sa cylinder B). Sa return stroke, nagpapalitan ng tungkulin ang A at B.

Ang resulta ay natatanggap ng outlet ang tubig sa bawat kalahating stroke ng operating beam, na halos tuloy-tuloy na daloy. Ang check valves ang pinakamahalagang bahagi: kapag tumagas ang alinman sa inlet valves (nagpapahintulot ng pagbalik ng daloy sa delivery stroke), mawawala ang prime ng silindro at hangin ang ilalabas nito sa halip na tubig. Kapag tumagas ang alinman sa outlet valves, bumababa ang delivery pressure at bumabaligtad ang daloy sa mga suction stroke. Buuin nang may kaparehong ingat ang lahat ng apat na check valves gaya ng mga silindro mismo.

Ang mga silindro ay dapat may makinis at pare-parehong butas upang epektibong makapagselyo ang piston. Ang tanso (bronze, isang haluang metal ng tanso at lata, karaniwang 88–90% tanso at 10–12% lata ayon sa masa) ang tamang materyales — lumalaban ito sa kalawang, maaaring ihulma halos sa tamang hugis, at maaaring tapusin sa pamamagitan ng pagbubutas at pagkaskas upang makakuha ng makinis na panloob na ibabaw. Ihulma ang bawat silindro bilang makapal na pader na tubo na may humigit-kumulang 5 cm na panloob na diyametro, 20 cm ang haba, at 1.5 cm ang kapal ng pader. Ang bomba ng Pompeii ay gumamit ng mga silindro na may humigit-kumulang 4–5 cm ang diyametro — sapat ang laki upang makapaghatid ng kapaki-pakinabang na daloy na 5–10 litro bawat minuto sa 60 pagtulak bawat minuto.

Pagkatapos ihulma, pakinisin ang panloob ng silindro sa pamamagitan ng pagbubutas gamit ang isang hardwood boring bar na may kabit na scraper blade, na pinapaandar ng bow drill o hand brace. Gamitin ang boring bar sa mahahabang galaw, lagyan ng langis ng oliba, hanggang sa maging sapat na makinis ang butas kaya't ang liwanag ng kandila na itinapat sa loob ay walang nakikitang butas o gilid. Subukan ang kabilugan ng butas gamit ang plug gauge (isang tinurnuhang baras ng tanso na 0.5 mm na mas maliit kaysa target na diyametro ng butas) — dapat itong dumulas nang malaya nang hindi umuugoy.

Each piston must fit the cylinder bore with a clearance of 0.5–1 mm — tight enough that leather packing can seal the gap, loose enough that the piston does not bind from thermal expansion or slight bore irregularity. Turn or file the piston to a close fit with the cylinder, checking constantly with the actual cylinder as the gauge. The Pompeii pump's pistons were bronze discs approximately 3 cm tall and fitted with iron connecting rods to the operating beam above.

Machine a circumferential groove 5 mm wide × 5 mm deep around each piston's outer surface, approximately 1 cm from the top. This groove receives the leather packing that seals the piston-to-bore gap. Cut a strip of thick vegetable-tanned leather (2 mm thick) to exactly the piston circumference in length and 8 mm wide, soak it in olive oil for 30 minutes to make it supple, then press it into the groove. The oil-swollen leather fills the groove and bears against the cylinder bore, forming a pressure-tight running seal.

Cada válvula de retención consta de un disco de bronce (el asiento de la válvula) con un orificio central de 1,5 cm de diámetro, y un disco de bronce ligeramente más grande (la lengüeta) de 2 cm de diámetro y 1 mm de grosor, colocado para cubrir el orificio del asiento desde un lado. Cuando la presión empuja desde debajo del asiento, la lengüeta se levanta y permite el flujo. Cuando la presión se invierte, la lengüeta sella sobre el orificio del asiento y detiene el flujo inverso. El asiento y la lengüeta deben rectificarse (esmerilarse juntos con pasta abrasiva fina, esmeril en polvo mezclado con aceite de oliva) hasta formar un sello plano contra plano sin una brecha de luz visible cuando se sostienen frente a una vela.

Alternativamente, use válvulas de retención de bola: una bola de rodamiento de bronce o hierro ligeramente más grande que el orificio del asiento, sostenida holgadamente en una jaula sobre el asiento. La bola cae sobre el asiento por gravedad y contrapresión, sellando el orificio; la presión hacia adelante levanta la bola del asiento. Las válvulas de bola son más simples de fabricar que las de lengüeta y menos propensas a atascarse. La bomba de Pompeya utilizaba válvulas de placa oscilante similares al diseño de lengüeta.

Cada cilindro requiere dos carcasas de válvula: una en la parte inferior para la válvula de retención de entrada (que extrae agua de la fuente hacia el cilindro durante la carrera de succión) y otra en la parte superior para la válvula de retención de salida (que entrega agua a la salida común durante la carrera de descarga). La carcasa de la válvula de entrada se conecta a una tubería de entrada sumergida o a un tubo de succión inmerso en la fuente de agua. La carcasa de la válvula de salida se conecta a la tubería de salida común que conduce al punto de descarga.

Fundir o soldar las carcasas de válvula de bronce, con conexiones roscadas o de ajuste a presión a los extremos de los cilindros. La conexión de entrada debe apuntar hacia abajo o hacia un lado; la salida debe apuntar hacia arriba y conectarse al colector de salida común situado encima de ambos cilindros. Asiente las válvulas de retención en sus carcasas con la orientación correcta: una válvula de retención de entrada instalada al revés (bloqueando el flujo hacia el cilindro en lugar de bloquear el reflujo) es el error de montaje más común y produce una bomba que no entrega agua, sin importar lo bien construido que esté todo lo demás.

El colector de salida común es una caja de bronce que recibe el suministro presurizado de ambas válvulas de retención de salida y los combina en una única tubería de salida. También sirve como cámara de aire (el 'amortiguador de pulsaciones'): un bolsillo de aire cerrado en el colector se comprime a medida que aumenta la presión de descarga en cada carrera del pistón y se expande durante la media carrera de succión, suavizando la fluctuación de presión y produciendo un flujo más estable. Sin este colchón de aire, el flujo se dispara y pulsa con cada carrera.

Fundir el colector con un volumen interno aproximadamente igual al volumen de barrido de un cilindro (el área del pistón multiplicada por la longitud de carrera). Incluir un tapón extraíble en la parte superior para permitir recargar el colchón de aire con aire si se llena de agua con el tiempo. Conectar las dos válvulas de salida de los cilindros a la parte inferior del colector y la tubería de descarga a un lado. La tubería de descarga debe tener al menos el mismo diámetro que el calibre del cilindro para evitar restringir el flujo de salida.

La viga operativa es una palanca horizontal pivotada en su centro sobre un poste de apoyo, con una varilla de pistón conectada a cada extremo de la viga. Cuando un extremo de la viga desciende (empujando un pistón hacia abajo), el otro extremo asciende (tirando del otro pistón hacia arriba). Este movimiento de balancín impulsa los dos cilindros en oposición precisa: cuando el pistón A está en la parte inferior de su carrera de descarga, el pistón B está en la parte superior de su carrera de succión, y viceversa. La viga debe ser lo suficientemente rígida para transmitir la fuerza de bombeo completa sin flexionarse.

Fabrique la viga de roble de veta recta, de aproximadamente 5 cm × 8 cm en sección transversal y de longitud suficiente para proporcionar la carrera deseada. Para una carrera de pistón de 10 cm, los extremos de la viga deben recorrer 10 cm verticalmente; con una media longitud de 60 cm desde el pivote hasta el extremo, un desplazamiento vertical de 10 cm requiere una rotación angular de arcsin(10/60) ≈ 10°, lo cual es cómodo para el accionamiento manual. Pivote la viga sobre un pasador de bronce a través de un soporte de apoyo de madera dura o bronce montado por encima y entre los dos cilindros.

Cada pistón está conectado al extremo correspondiente de la viga mediante una varilla de pistón de hierro de aproximadamente 1 cm de diámetro. La varilla debe transmitir fuerza de empuje (en la carrera de descarga) y fuerza de tracción (en la carrera de succión); esto significa que la varilla debe estar alternadamente en tensión y compresión, por lo que las conexiones en ambos extremos deben ser positivas (sin depender únicamente de la gravedad para mantener el contacto). Fija el extremo superior de la varilla a la viga con un pasador de horquilla de hierro que atraviese el extremo de la viga; fija el extremo inferior de la varilla al pistón con un pasador transversal a través de un orificio perforado en la cabeza del pistón.

La varilla del pistón debe estar alineada exactamente en vertical con el ánima del cilindro; cualquier desalineación angular crea una carga lateral que empuja el pistón contra la pared del cilindro, aumentando la fricción y acelerando el desgaste del empaque de cuero. Verifica la alineación bajando el pistón al interior del cilindro con su varilla y con la viga en posición media: la varilla debe colgar a plomo sin tocar la pared del cilindro. Ajusta la posición del pivote de la viga o el montaje del cilindro hasta lograr la verticalidad.

Ikonekta ang mga inlet valve housing sa isang common suction pipe (o indibidwal na suction tube) na patungo sa pinagmumulan ng tubig. Dapat na airtight ang suction pipe — anumang air leak sa suction side ay nangangahulugang ang piston ay hihila ng hangin sa halip na tubig, at masisira ang prime. Ang teoretikal na pinakamataas na suction lift ng anumang piston pump ay 10.3 metro (katumbas ng atmospheric pressure na sumusuporta sa isang haligi ng tubig), ngunit sa praktika, 5–6 metro ang maaasahang limitasyon gamit ang mga piston na may leather seal at mga joint na tinatakan ng pine pitch sa halip na machined metal.

I-prime ang pump bago ang unang operasyon: punuin nang lubusan ng tubig ang mga silindro at valve housing sa pamamagitan ng pagbuhos sa pamamagitan ng removable plug sa itaas ng bawat silindro. Ang priming water ang lumilikha ng liquid seal na nagpapahintulot sa check valves na gumana at sa mga piston na makabuo ng suction pressure. Kung walang priming, ang mga piston ay magkakompress at magpapalawak ng hangin nang walang saysay — hihinga lamang ang pump nang hindi humihila ng tubig. Paandarin nang dahan-dahan ang beam gamit ang kamay sa unang 20 stroke upang mapalabas ang mga air bubble sa outlet bago ilapat ang buong working speed.

Sa 60 strokes kada minuto (30 buong ikot ng rocking beam) na may 10 cm stroke at 5 cm bore (nagbabagong dami kada stroke = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0.2 litro), ang teoretikal na bilis ng daloy ay 0.2 × 30 × 2 silindro = 12 litro kada minuto. Ang aktwal na daloy ay magiging 70–80% ng teoretikal dahil sa pagtagas ng balbula, bypass ng piston, at friction ng tubo — asahan ang 8–10 litro kada minuto. Tumutugma ito sa aplikasyon ng Romanong pagsugpo ng sunog: ang 10 litro kada minuto ay isang malaking jet kapag inihatid sa 0.5–1 bar gauge pressure sa pamamagitan ng nozzle na may diyametro na 1.5 cm.

Subukan ang presyon ng paghahatid sa pamamagitan ng pagsukat ng taas kung saan maaaring itulak ng pump ang tubig mula sa bukas na patayong tubo na nakakabit sa outlet manifold. Ang bilis ng daloy na 10 litro kada minuto at delivery head na 5 metro (0.5 bar) ay kumakatawan sa hydraulic power output na humigit-kumulang 8 watts — katamtaman ayon sa modernong pamantayan, ngunit nakamit gamit ang compact na device na pinapatakbo ng kamay na may timbang na marahil 15–20 kg at kayang paandarin ng isang tao. Ang bersyon ng Romanong pagsugpo ng sunog (ang sipho) ay gumamit ng dalawang operator sa beam para sa mas mataas na bilis ng daloy.

Ang mga leather piston seal ang pinakamaraming nangangailangan ng maintenance na bahagi. Ang leather packing ay lumiliit at tumitigas kapag natuyo at naiwan sa labas ng tubig, kaya nawawala ang kakayahan nitong magselyo. Kung ang pump ay hindi gagamitin nang higit sa isang linggo, ibabad ang mga leather seal sa linseed oil o animal fat bago itago upang maiwasan ang pagkatuyo. Sa muling pagpapatakbo, ibabad muli ang pump sa tubig nang 30 minuto bago subukang i-prime at paandarin ito — kailangan ng leather ng panahon upang bumalik ang laki nito para sa pagselyo.

Ang check valve lapping (muling paggiling ng mga magkadikit na ibabaw ng seat at flap) ay dapat gawin taun-taon o tuwing bumababa ng higit sa 25% ang delivery output kumpara sa performance noong commissioning. Tanggalin ang mga plug ng valve housing, alisin ang mga valve flap, at gilingin muli ang seat at flap nang magkasama gamit ang pinong emery paste hanggang ang mga magkadikit na ibabaw ay magpakita ng pare-parehong kulay-abong contact pattern sa buong paligid ng seat opening, na walang maliliwanag (hindi nagdidikit) na bahagi. Ang perpektong na-lap na check valve ay kayang pigilan ang 1 bar na back-pressure nang walang tagas — subukan sa pamamagitan ng paglalagay ng hangin gamit ang bellows at tiyaking walang bula sa kasukasuan gamit ang sabon at tubig.

Los vigiles romanos (cuerpo de bomberos) fueron establecidos por Augusto alrededor del año 6 d. C. y distribuidos en siete cohortes a lo largo de los catorce distritos de Roma. Cada cohorte transportaba varios sipho (bombas de fuerza de Ctesibio) montadas sobre carros con ruedas, llenadas mediante una cadena de cubos desde la cisterna más cercana o el punto de toma 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 interno y 18 cm de carrera, con una viga basculante accionada por asas en cada extremo. La bomba superviviente pesa aproximadamente 12 kg y podría haber suministrado unos 7–8 litros por minuto a la velocidad de bombeo de un hombre. El constante riesgo de incendio de Roma en las insulae (bloques de apartamentos) densamente poblados hacía que la bomba de fuerza fuera tan crítica para la infraestructura urbana como el acueducto que suministraba su agua.