Wednesday, 27 August 2014

Vesioinas



Tiedekeskus Heurekan ulkonäyttelyalueella, tiedepuisto Galilein puutarhan läpi virtaavassa purossa klonksuttaa laite, jonka varmaan harva näyttelyvieras on havainnut, vielä harvempi luultavasti ymmärtänyt laitteen toimintaperiaatteen. Kyseessä on vesioinas, ilman sähköä veden virtauksen energialla vettä nostava pumppu. Laitteen hyötysuhde on aika huono, mutta vettä se pystyy nostamaan noin 20 kertaa niin korkealle, mitä on laiteeseen tuloputkessa virtaavan veden korkeusero.

Omituiselta kuulostava nimi tulee ilmeisesti laitteen tavasta "pökkiä" vettä ylöspäin putkea myöten. Englanniksi laite on hydraulic ram, eli hydraulinen oinas ja monissa muissa kielissä nimi on samantapainen. Esimerkiksi ruotsiksi vädurspump.

Laite on keksintönä aika vanha. Sen keksijänä pidetään ranskalaista Joseph-Michel Montgolfieria. Samaa heppua, jolle yhdessä veljensä on annettu kunnia myös kuumailmapallon keksimisestä. Vesioinaan keksimisvuodeksi on merkitty 1796 ja ensimmäisen kuumailmapallolennon  tekivät Pariisissa vuonna 1783 mukaan uskaltautuneet (vai olisivatko ehkä lennolle pakotettuina?) kukko, hanhi ja tähän vuohieläinteemaan hyvin sopien lammas. Kuumailmapallo puolestaan on Heurekan pitkäaikaisimpia näyttelykohteita. Tällä hetkellä se on sijoitettuna Heurekan klassikot näyttelyyn.

Kuvasta päätellen ensimmäinen kuumailmapallolento herätti suurta huomiota. Eläinten valinta oli tehty vähintäänkin poikkitieteellisin perustein

Heurekan vesioinas nostaa vettä purosta Galilei-puistossa olevan ekotalon edessä olevaan kylpyammeeseen. Käydessäni katsomassa sitä amme oli piripintaa myöten täynnä, mutta se johtui varmaan viime päivien rankoista sateista. Kun lapoin hieman vettä pois ammeesta, vesioinaan puskema vesinoro tuli näkyviin. Vettä ei tule kerralla paljon, mutta sitä tulee koko ajan.



Vesioinaan osat ja toimintaperiaate ovat Wikipedian mukaan seuraavat. Toimintaperiaate on ainakin tätä kirjoitettaessa Wikipediassa aika sekavasti ja minusta osin väärin selitettynä. Alla oleva on minun hypoteesin asteella oleva selitykseni laitteen toiminnasta. Oikaisevat ja täydentävät näkemykset ovat enemmän kuin tervetulleita.

1. Virtaavan veden tuloputki
2. Läpivirtaavan veden poistoputki
3. Paineveden nousuputki (tuottoputki)
4. Hukkaventtiili jossa paino
5. Takaiskuventtiili
6. Painetankki

Alla kerrottu tapahtumasarja toistuu jatkuvasti:

1. Pumpun läpi virtaava vesi (1→2) pudottaa ja samalla sulkee tietyssä virtausnopeudessa venttiilin (4).

2. Venttiilin (4) putoamisesta aiheutuva paineisku nostaa vettä painetankkiin (6), säiliön ilma paineistuu.

3. Takaiskuventtiili (5) estää veden paluun ja ylipaine säiliössä (6) työntää vettä putkessa (3) ylöspäin.

4. Virtaavan veden paine nostaa ylös ja samalla aukaisee painoventtiilin (4) ja vesi alkaa virrata poistoputkesta (2) "hukkaan" kunnes kohta 1. toistuu.


Tässä vaiheessa vesi valuu "hukkaan". Virtaavan veden tuloputki (1) on oikealla oleva paksumpi letku ja vastaavasti nousuputki (3) on keskellä oleva ohuempi letku.  

Painava venttiili on juuri pudonnut alas, jolloin "hukkaveden" tulo on hetkeksi ehtynyt. Samalla venttiilin isku on työntänyt vettä isoon säiliöön kasvattaen siellä olevan ilmapatsaan painetta. 

Toiminta perustuu nesteiden ja kaasujen ominaisuuksille. Nesteet ovat kokoon puristumattomia, kaasut eivät. Näiden avulla putoavan venttiilin paineisku työntää vettä putkeen (3) ja nostaa säiliössä olevan kaasun painetta.

Vaikeinta on ehkä ymmärtää, miksi pumpun läpi virtaava vesi sulkee tietyssä virtausnopeudessa venttiilin (4). Sitä varten täytyy tutustua toiseen Heurekan Klassikoissa esiintyvää herraan. Nimittäin Daniel Bernoulliin, jonka nimen saaneen nesteiden ja kaasujen virtaamiseen liittyvän teorian mukaisesti mm. Klassikoiden leijuva pallo pysyy ilmassa.



Bernoullin lain mukaan virtaavan kaasun virtauksen suuntaisen dynaamisen paineen ja virtausta vastaan kohtisuoran staattisen paineen summa on vakio. Kun venttiili (4) on kiinni, niin virtauksen dynaaminen paine kasvaa lopulta niin suureksi, että se työntää venttiilin auki. Veden virratessa venttiilin ohitse, virtauksen staattinen paine pitää venttiilin avonaisena niin kauan, kunnes virtauksen nopeus on niin suuri, että koko ajan pienenevä staattinen paine ei enää jaksa kannatella venttiiliä. Kun venttiili saa pudotessaan alaspäin suuntautuvaa "momentumia", niin dynaaminen vedenpainekaan ei pysty enää pidättelemään sitä. Venttiili sulkeutuu, paine vedessä nousee äkillisesti, takaiskuventtiili aukeaa ja vesi virtaa nousuputkeen.

Korjaus 29.8.2014

Yllä oleva sinisellä merkitty teksti Bernoullin laista ei liity vesioinaan toimintaan mitenkään. Se oli vääräksi osoittautunut hypoteesi. Jätän sen kuitenkin paikoilleen osoituksena siitä, että poikkitiedekin onerehtyväistä, mutta itseään korjaavaa. Seuraava hypoteesi on kommentissani 29.8.2014 klo 20:44.

  Mielenkiintoinen yksityiskohta laitteessa on tuloputkessa oleva pieni reikä. Kun vasemmalla oleva venttiili menee kiinni ja paine tulovedessä kasvaa, niin vesi suihkuaa kapeana suihkuna noin parin metrin korkeuteen. Suoraan sanoen en tiedä, mikä tämän paineen alentajan merkitys on. Pyritäänkö sillä ehkä poistamaan ilmakuplia vedestä, koska systeemin keskeinen fysikaalinen toimintaidea perustuu veden puristumattomuuteen, mikä ei todeudu, jos siinä on runsaasti ilmakuplia. Avoimia kysymyksia riittää ja tutkimukset jatkuvat.

Vesipisarat nousevat ohuena suihkuna pari metrin korkeuteen tuloputken pienestä reiästä.

Ainakaan minä en nähnyt mitään näyttelytekstejä tämän kohteen luona. Minusta vesioinas ansaitsisi sellaiset. Se on minun fyysikon silmälasein katsottuna yksi Heurekan kiehtovimmista kohteista.

Pieni video Heurekan vesioinaasta.

Lähikuvavideo vesioinaasta

ps. 8.9.2014

Sain tänään postia poikkitieteellisen innokkaaksi seuraajaksi ilmottautuneelta henkilöltä. Hän lähetti kuvan Keksintöjen kirjasta vuodelta 1937. Siinä ole oli kaavakuva vesioinaasta. Kuvassa ei näkynyt mitään niiskutusventtiiliä (sniff valve).

Artikkeli vesioinaasta Keksintöjen kirjasta vuodelta 1937. Ei näy niiskutusventtiiliä kaavakuvassa.

Tutkin myös kuva kuvalta hidastetusta videosta veden virtausta niiskutusventtiilistä yhden syklin aikana. Venttiilistä, joka siis on pelkkä pieni riekä tuloputkessa, virtaa vettä ulospäin lukuunottamatta 1/50 sekunnin aikaa, jolloin vettä ei tule. Kuvista ei pysty mitenkään näkemään, virtaako sinä aikana ilmaa sisään.




Neljän peräkkäisen kuvan sarja videolta, joka kuvaa 100 ruutua sekunnussa. Kahdessa keskimmäisessä kuvassa ei tule vettä putkessa olevasta reiästä. Jos venttiili ilmee ilmaa putkeen, niin sen täytyy tapahtua tämän 1/50 sekunnin aikana, koska kaikkina muina hetkinä syklin kestäessä vettä tulee ulos reiästä vaihtelevalla voimalla.

Joten tämän hetkinen hypoteesini niiskutusventtiilin suhteen on se, että se on keventämässä painetta ja vähentämässä venttiileihin kohdistuvaa rasitusta. Näin venttiilit saadaan kestämään pidempään.

Juoksevassa purovedessä on aina ilmaa. Sekä kuplina että liuenneena. Vaikka paine toisaalta pyrkii liuottamaan kaasuja veteen, niin toisaalta isku saa veteen liunneita kaasuja vapautumaan. Jokainen täräytettyä olut- tai limskapulloa avannut on varmasti havainnut tämän. Joten ilman saannin kannalta niiskutusventtiili ei välttämättä ole tarpeellinen.

Toimiiko laite siis sen ansiosta vai siitä huolimatta? Siinäpä yhtä kiperä arvoitus kuin Viiltäjä Jackin henkilöllisyys aikoinaan. Jos suomalainen tutkija pystyi selvittämään viimeksi mainitun mysteerin, niin varmaan se onnistuu vesioinaan arvoituksellisen niiskutusventtiilinkin tapauksessa. Katseet kohdistuvat Heurekan pajan suuntaan.

ps. 9.9.2014

Tilanteet vaihtelevat. Tämä video kallisti sittenkin mielipiteeni sen kannalle, että niiskuventtiili tarvitaan. Heurekan laitteessa se vain on hieman oudossa paikassa ja se on pelkkä reikä, ei edestakaisin liikkuva venttiili kuten videossa. Ellei mullistavaa ilmene, niin katson vesioinaan tulleen ratkaistuksi ja siirryn uusiin poikkitieteellisiin teemoihin. Käykää Heurekassa katsomassa laitetta, ennen kuin talvi tulee. Se on kerta kaikkiaan kiehtova laite. Kuten netissä aiheesta olevassa hyvin runsaasta materiaalista voi päätellä. Hakusanalla "hydraulic ram".

Ylen videossa henkilö koittaa luistaa laitteen toimintaperiaatteessa sanomalla, että se on niin yksinkertainen laite, että sitä ei osaa selittää. Fysikaalinen periaate ei ole ihan yksinkertainen. Poikkitieteilijäkin on erehtynyt useampaankin kertaan sen toimintaperiaatta selvitellessään.


17 comments:

  1. Justiinsa kuvasin moisen oinaan…jonkun keikan sivutuotteena saarsitossa. Se oli puskenut vettä kymmeniä vuosia isännän mukaan. Pitää tutkia kuva-arkistoa. Onkohan tämä periaate sama kuin sen pilssipumpun, joka liitetään veneen ja laiturin väliin ja joka pumppaa pilssin tyhjäksi kun venettä aallot liikuttaa, ei taida olla? Mutta tuo on mainio keksintö. Sääli etten voi sitä itse käyttää, nykyinen venekin on melkein 2000 kiloa ja suositus tais olla 200 -300 kiloa muuten pumpusta hajoaa paikat. luulin tuntevani Heurekan nurkat, muotia siellä kivien keskellä ja futurististen seinien vierellä on tullut kuvattua vuosien aikana usein…enpä ole pumppua keksinyt.

    ReplyDelete
  2. Tämä vaatii virtaavan veden, joten pilssipumpuksi siitä ei ole. Rakenne on tosiaan niin yksinkertainen, että hyvin tehty laite saattaa toimia vuosikymmeniä. Heurekassa se on ekaa vuotta ja aika hyvin piilossa ulkoalueen puutarhassa.

    ReplyDelete
  3. Onko tosiaan niin, että sen putoavan venttiilin voima nostaa vettä painesäiliöön? Itse olen ajatellut, että kun venttiili sulkeutuu, tuloputkessa virtaavan veden inertia työntää vettä takaiskun läpi.

    ReplyDelete
  4. Avainsana on iskun aiheuttama paine. Koska vesi on kokoonpuristumatonta, niin paine voi kohota hetkeksi aika suureksi.

    ReplyDelete
  5. Minä olisin kyllä Jarkon kanssa samoilla linjoilla. Hukkaventtiiliksi kävisi mikä vain nopeasti sulkeutuva venttiili ja paineisku syntyy siittä, että virtaava vesi pysäytetään nopeasti, ei venttiilin putoamisesta. Mutta ko. hukkaventtiili on tuossa paikallaan, koska se toimii omatoimisesti.

    ReplyDelete
  6. Ilmaisin itseni siinä mielessä huonosti, että jätin mainitsematta minun selitykseni olevan hypoteesin laitteen toiminnasta kaiken sen perusteella, mitä olen siitä lukenut ja katsellut Heurekan vesioinaan toimintaa.

    Jarkon ja nimettömän kommenttien perusteella olen itsekin kallistumassa siihen, että äkkiä pysäytetyn veden paine on ilmiön keskeinen syy. Tämä palautuu ihan perusfysiikkaan. F x delta t = m x delta v. (delta t on siis ajan ja delta v nopeuden muutos). Kun delta t on pieni ja sekä m että delta v kohtuullisen isoja, niin voima F tulee niin suureksi, että se aukaisee takaiskuventtiilin. Tämä malli selittää myös sen, että veden nostokorkeus on sitä suurempi, mitä suurempi no tuloveden korkeusero tuloputkessa. Selitys säilyttää ilmiön paremmin kuin minun hypoteesini, joka näin ollen hylätään. Näin tiede, jopa poikkitiede toimii.

    Kunnon selitystä vailla on vielä se, miksi venttiili (4) putoaa tietyllä veden virtauksella. Onko tähän parempia selityksiä kuin minun hypoteesini? Samoin tuloputkessa oleva reikä kaipaa sen olemassa olevaa selitystä.

    Reply

    ReplyDelete
  7. Saipahan poikkitieteilijä taas nenilleen. Ylpeys käy lankeemuksen edellä.

    ReplyDelete
  8. Mikähän näiden pahantahtoisten nimettömien kommenttien tarkoitus oikein on? Varmaan oman pahan olon lievittäminen.

    Tämän blogin pito on minulle paitsi harrastut, myös uuden tiedon oppimisen ja vanhan tedon tarkistamisen paikka. Esimerkiksi tässä vesioinaan tarinassa pari kommenttia auttoivat minua pääsemään selkeästi väärästä hypoteesista. Ihmisen mieli kun vain on sellainen, että kerran päähän saadusta ajatuksesta on hyvin vaikeaa päästä eroon ilman ulkopuolisen apua. Uskovaiset, niin hengelllisiin kuin maallisiinkin asioihin, ovat sitten ihan oma rotunsa. Heidän päässään olevaa ajatusta ei kammettua sieltä ulos edes tulisella raudalla. Espanjalaisen inkvisition arkistoista löytyy runsaasti todistusaineistoa tämän puolesta.

    ReplyDelete
  9. Arvoisa Poikkitieteilijä, olen samalla lailla hämmästynyt Anonymouksen kirjoituksesta "Saipahan jne.". Samalla tavalla ihmettelen kommentin tarkoitusta ja erityisesti mitkä syyt ajavat nimimerkin suojassa mollaamaan muita tai kuten äskettäin, oikaisemaan merkityksettömiä detaljeja.

    Blogisi on lukemisen arvoinen, useimmat kommentit tai vastakyselyt mukaan lukien. Mainio blogi, myös niissäkin kirjoituksissa, joissa oman arvioni mukaan melkeinpä kiivailet itsellesi läheisissä asioissa.

    ReplyDelete
  10. Joka härjillä kyntää se härjistä puhuu. Jos ei kiivaasti, niin ainakin intohimoisesti.

    ReplyDelete
  11. Pikkureikä ja venttiilin sulkeutuminen on juuri ne asiat, mitkä muakin on mietityttäny. Täytynee vähän mietiskellä tai tutkiskella asiaa lisää.

    ReplyDelete
  12. Tarkemmin asiaa tutkiessani toinenkin hypoteesini Bernoullista lentää roskakoriin. Bloggauksen lopussa on linkki toiseen videoon, josta käy ilmi venttiilin toiminta. Itse asiassa se näkyy kaavakuvastakin, kunhan vain osaa lukea sitä. Näin se menee, tästä olen jo lähes satavarma.

    Kun hukkaveden virtaus kasvaa riittävän voimakkaaksi, niin se nostaa venttiilin painon ylös. Tämä tapahtumien järjestys näkyy selvästi videolla.

    Samalla sulkeutuu kaavakuvassa painon alla olevan hukkaventtiilin läppä (4). Veden virtaus katkeaa ja veden kokoon puristumattomuudesta johtuen paino kasvaa äkillisesti avaten takaiskuventtiilin (5). Paine työntää vettä nousuputkeen ja painetankkiin, mutta myös tuloputken pienestä reiästä. Tästä johtuen paine laskee tuloputkessa, mikä mahdollistaa sekä takaiskuventtiilin sulkeutumisen että hukkaventtiilin avautumisen. Reikä tuloputkessa on niin pieni, että tässä vaiheessa vain vähäinen osa vedestä karkaa sen kautta pääsosan työntyessä nousuputkeen.

    ReplyDelete
  13. Luin jostain, että reikä tuloletkussa liittyy ilmaamiseen. Sillä otetaan lisäilmaa painesäiliöön. Mitäs poikkitieteilijä tähän sanoo?

    ReplyDelete
  14. Videolta näkyy selvästi, että reiästä suihkuaa koko ajan vettä, eniten tietysti paineen kasvaessa. Olisikin aika vaikea kuvitella, miten paine letkussa tässä kohtaa voisi olla pienempi kuin ilmanpaine. Ei edes Bernoullin periaatteen vuoksi, vaikka staattinen paine putkessa onkin sitä pienempi, mitä nopeammin vesi siellä virtaa.

    Painesäiliöön liittyy kuitenkin se ongelma, että ilma liukenee kovassa paineessa veteen ja näin ilmatila pyrkii pienenemään koko ajan. Monissa rakenteissa tämä on ratkaistu eristämällä ilma ja vesi toisistaan säiliön sisällä. Vaikka vain täyteen pumpatulla polkupyörän sisuskumilla, mitä ratkaisua olen lukenut käytetyn. Heurekan laitteen ratkaisua tähän en tunne. Heurekan vesioinashan on kaupallinen versio, ei Heurekan pajan omaa tuotantoa kuten monet muut Heurekan laitteet. Muun muassa minun sinne aikonaan rakennuttama valon nopeuden mittauslaitteisto. Mutta se on sitten jo toinen tarina.

    ReplyDelete
  15. Hei.
    Törmäsin tässä verkossa seikkaillessani muutamaan "pulse pumps" videoon ja siitä sitten taas vesioinakseen, jonka tunnen jo vuosikymmenten takaa.
    Tuosta ylimääräisetä reiästä hieman.
    Ainakin vanhoissa järjestelmissä oli aina tuo reikä ja sen tarkoitus on syöttää hieman ilmaa järjestelmään. Tämä siksi, etä painekello täyttyisi vähitellen ja toiminta lakkaise sen täyttyessä. Siitä pienestäkin reiästä kyllä menee ilmaa veden mukaan, vaikka ei siltä näytäkään, korvaamaan tuon painekellon ilmaa.
    Nykyaikainen painesäiliö tarpeeksi herkällä kumikalvolla pistaa tietenkin tuon reiän tarpeen.
    Jos jollakin on vanha tuotteliaan Vilho Setälän mainio Taitokira vaikka vuodelta 1952 niin sivulla 562 on sen aikainen selitys oinaan toiminnasta.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Kiitokset kommentista. Se vahvistaa käsitystäni reiän merkityksestä.

      Delete
  16. Hukkaventtiili avautuu koska paineiskua seuraa "takapotku" eli heijastunut vastakkaissuuntainen paineisku joka aiheuttaa hetkellisen alipaineen laitteeseen. Samalla pieni reikä imaisee hitusen ilmaa.

    Mielestäni hukkaventtiilin sulkeutuminen liittyy nimenomaan Bernoullin lakiin: Virtauksen kasvaessa venttiilin takapuolelle muodostuu alipaine joka imee venttiilin kiinni.

    Olen rakentanut muutaman vesioinaan LVI-osista. Mielenkiintoisin havainto oli että jo n. 30cm padotuskorkeudella saa pienen vesimäärän pumpattua 2 metrin korkeuteen. Eli kukkien kastelu onnistuu melkein tasamaan purosta.

    Terveisin,

    Hannu Joensuusta

    ReplyDelete