Fizica unei mașini de pompieri din secolul al XVIII-lea

Când Don Lemon, un fizician la Bethel College din Kansas, a întâlnit o mașină de pompieri din secolul al XVIII-lea proiectată de inventatorul englez. Richard Newsham expus la Sala Flăcării muzeu din Phoenix, a fost intrigat de acesta mecanismul pompei. Această curiozitate l-a inspirat să facă echipă cu colegul fizician Trevor Lipscombe de la Universitatea Catolică din America din Washington, DC, pentru a examina mecanica fluidelor de bază și a veni cu un model analitic simplu. Analiza lor, descrisă într-o nouă lucrare publicată în American Journal of Physics, a oferit o perspectivă asupra designului inovator al lui Newsham, care a încorporat un dispozitiv cunoscut sub numele de „windkessel”.

O căutare rapidă pe Google pe „efectul windkessel„ oferă o intrare pe un termen fiziologic pentru a descrie livrarea sângelui inimă-aortă, datând de la omul care l-a inventat în 1899: fiziolog german Otto Frank. „Windkessel” este în germană „cameră de vânt”, dar sistemul circulator uman nu are o cameră de vânt literală, așa că utilizarea lui Frank a fost clar metaforică. Cu toate acestea, există utilizări anterioare ale terminologiei camerei de vânt în limba engleză care se referă la o cameră etanșă atașată la o pompă de apă cu piston pentru a netezi scurgerea apei în mașinile de pompieri precum cele proiectate de Newsham, pentru Lemon și Newsham.

Dispozitivele rudimentare de stingere a incendiilor există încă din anul 2 î.Hr., când Ctesibius al Alexandriei a inventat prima pompă de incendiu; a fost reinventat în Europa secolului al XVI-lea. Urmărind 1666 incendiu care a distrus o mare parte din Londra, era o nevoie stringentă de mai eficient stingere a incendiilor strategii. Acest lucru a condus în cele din urmă la inventarea așa-numitelor „motoare cu vierme aspiratoare”: furtunuri din piele atașate la pompe cu acţionare manuală. John Lofting este de obicei creditate odată cu inventarea, brevetarea și comercializarea acestor dispozitive, care extrageau apă dintr-un rezervor în timp ce furtunul („vierme”) le permitea utilizatorilor să pompeze acea apă într-un flux presupus continuu, cu atât mai bine pentru a combate incendiile. Dar nu se știe nimic despre viermii săi supt după 1696.

În 1721 și 1725, Newsham a brevetat modele pentru un „motor cu apă pentru stingerea și stingerea incendiilor”, cu o cisternă care putea conține până la 170 de galoane de apă. Design-urile lui Newsham au dominat piața mașinilor de pompieri până în anii 1770, extinzându-se chiar peste ocean. New York-ul își folosea motoarele în 1731. Și când clădirea Capitoliului Williamsburg a ars în 1747, colonia a importat una dintre mașinile de pompieri ale lui Newsham pentru a combate mai bine incendiile viitoare; este încă expusă într-un muzeu colonial din Williamsburg.

„Există multe probleme fascinante de fizică care se ascund la vedere în cărți și lucrări scrise cu secole în urmă.” spuse Lipscombe. „Recent am lucrat la aplicarea mecanicii fluidelor elementare la sistemele biologice și am găsit o descriere comună în reviste medicale: că inima acționează ca un windkessel. Asta ridică întrebarea ce este, mai exact, un windkessel? Urmând traseul, am găsit descrieri ale dispozitivului „vierme de suge” al lui Lofting și, în mașina de pompieri a lui Newsham, o aplicație de salvare.”

Pentru a afla mai multe, ei au colectat date din documentele timpurii (brevete, reclame, fotografii și așa mai departe) și videoclipuri actuale ale mașinilor de pompieri în funcțiune și au putut inspecta personal un windkessel supraviețuitor la Phoenix Hall of Flame. De exemplu, materialele de marketing pentru viermele sugetor al lui Lofting susțin că a fost capabil să pompeze „un flux continuu” de apă „înălțime de 400 de picioare”.

Autorii cred că ambele afirmații sunt probabil exagerări, bazate pe examinarea mecanicii fluidelor. În timp ce o pompă acționată manual ar putea produce un flux cu viteza necesară la nivelul solului de 22 de metri/secundă, „fără adăugarea unui dispozitiv care să regleze și să netezi fluxul de apă, o pompă cu piston ar produce apă în stropi, mai degrabă decât , așa cum este anunțat, în mod continuu”, au scris aceștia. „Dar niciun astfel de dispozitiv de reglare nu este menționat în brevetul lui Lofting din 1690 sau ilustrat în reclamele sale.”

Se menționează un astfel de dispozitiv de reglare pentru a produce un curent continuu de apă într-un tratat olandez din 1690 al lui Jan van der Heyden, dar van der Heyden nu a furnizat niciodată detalii despre „părțile interne”, conform Lemon și Lipscombe, poate pentru a evita brevetul. încălcare. Din fericire, există mai multe mașini de pompieri Newsham care au supraviețuit care încorporează un dispozitiv de reglare a fluxului. (Nu este clar cine a inventat dispozitivul de reglare, dar se pare că nu a fost Newsham sau Lofting.) De obicei, doi bărbați au tras mașina de pompieri la locul unui incendiu, în timp ce o brigadă cu găleată își păstra recipientul deschis în formă de sicriu umplut cu apă.

Pistoanele acționate manual au tras apa din rezervor și au pompat-o prin windkessel. Apa pompată ar intra inițial în windkessel cu o rată mare de injecție, captând și comprimând aerul în partea superioară a camerei. Când viteza de injecție a scăzut, aerul comprimat s-a extins și a expulzat apă printr-o țeavă sau furtun metalic spre foc. Cele două pompe aveau fiecare clape din piele, astfel încât una să poată extrage apa din rezervor, în timp ce cealaltă pompa apa în vânt, producând un flux în mare parte continuu, cu excepția cazului în care pistoanele își inversau direcția. „Chiar și așa, puterea unei pompe cu doi pistoane variază în timp”, au scris autorii.