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Dec 10, 2023

Kann man wirklich Wasser ohne Strom pumpen?

Rhett Allain Ich bin überrascht, wie viele YouTube- und TikTok-Videos angezeigt werden

Rhett Allain

Ich bin überrascht über die Anzahl der YouTube- und TikTok-Videos, die neuartige Methoden zum Pumpen von Wasser zeigen, aber ich denke, es macht Sinn, weil die ganze Welt so ziemlich mit Wasser betrieben wird. Falls Sie diese noch nicht gesehen haben: Sie zeigen oft jemanden, der einige Rohre ins Wasser steckt und sie hin und her schüttelt, bis plötzlich endlose Mengen Flüssigkeit aus ihnen herausspritzen. Es sieht magisch aus: Es gibt keine offensichtliche Stromquelle, aber das Wasser fließt weiter, manchmal aus einem Gewässer im Freien, manchmal aus einem Behälter, den die Person ständig nachfüllt. Es ist, als würden diese Geräte mit „freier Energie“ betrieben, also mit Energie ohne ersichtlichen Ursprung.

Könnte man tatsächlich eine Wasserpumpe mit „freier Energie“ bauen?

Physik-Spoiler-Alarm: Es gibt tatsächlich zwei Methoden, Wasser zu bewegen, die keine externe Stromquelle erfordern – aber das ist nicht dasselbe wie der Betrieb mit freier Energie.

Die erste Methode ist die Siphonpumpe. Dieses ist ziemlich verbreitet und sehr einfach einzurichten. Folgendes benötigen Sie für eine einfache Demonstration: ein Glas Trinkwasser und einen biegsamen Strohhalm. Füllen Sie das Glas fast bis zum Rand. Biegen Sie nun den Strohhalm um und stecken Sie das kurze Ende so in das Glas, dass der längere Teil über den Rand hängt. So sollte das aussehen:

Als nächstes wird es etwas seltsam. Saugen Sie am langen Teil des Strohhalms, bis das Wasser bis zum Ende reicht. Lassen Sie dann dieses Ende los und achten Sie darauf, dass es niedriger ist als der Wasserstand im Glas. Hoffentlich befinden Sie sich draußen oder in der Nähe eines Waschbeckens, da dann Wasser aus dem Ende des Strohhalms herausfließt. Das ist es. Du hast gerade eine Siphonpumpe gebaut.

Solange diese beiden Bedingungen zutreffen, wird das Wasser weiter fließen – und möglicherweise eine Sauerei auf Ihrer Küchenarbeitsplatte anrichten: Das Ausgangsende des Strohhalms muss niedriger sein als der Wasserstand im Glas und die Eingangsseite muss unter Wasser sein . Einfach.

Aber wie funktioniert das? Hier ist eine Illustration dieses Aufbaus, wobei das Wasser durch den gebogenen Strohhalm fließt. Ein Teil des Strohhalms wird in ein Glas mit Wasser getaucht und ein anderer Teil hängt über den Rand, sodass das Wasser aus dem freien Ende „fallen“ kann.

Jeremy White

Kate Knibbs

Jeremy White

WIRED-Mitarbeiter

Stellen wir uns als Gedankenexperiment vor, dass das Wasser, wenn es aus dem freien Ende fließt, einen Raum zurücklässt, der bis auf vielleicht ein wenig Wasserdampf fast leer ist. Da sich in diesem Teil des Strohhalms nichts befindet, liegt der Druck dort sehr nahe bei Null. Da Druck als Kraft pro Flächeneinheit definiert ist, bedeutet ein Druck von Null, dass keine Kraft auf das restliche Wasser im Stroh wirkt.

Gehen wir nun zum anderen Ende des Strohhalms, dem im Becher mit Wasser. Dieser Teil des Strohhalms befindet sich unter Wasser und es entsteht ein Druck, der eine Kraft erzeugt, die das Wasser im Stroh nach oben drückt. Dieser Druck ist auf eine Kombination aus zwei Faktoren zurückzuführen: der Wassertiefe (je tiefer man geht, desto höher ist der Druck) und dem atmosphärischen Druck der gesamten Luft über der Wasseroberfläche. Aber hier ist der wichtige Teil: Da es eine Kraft (vom Gesamtdruck) gibt, die das Wasser den Strohhalm nach oben drückt, in diesem leeren Raum jedoch kein Druck herrscht, wirkt auf das Stück Wasser eine Nettokraft, die es den Strohhalm nach oben bewegt das freie Ende.

Natürlich gibt es im Stroh nicht wirklich einen leeren Platz. Das war nur ein Gedankenexperiment, um zu zeigen, dass Wasser, das aus dem freien Ende des Strohhalms fällt, nicht auf den Rest des Wassers zurückdrückt. Sobald das Wasser abfließt, fließt es einfach weiter.

Es ist auch hilfreich zu verstehen, warum der Strohhalm selbst wichtig ist. Es leitet nicht nur den Wasserfluss. Es verhindert, dass Luft ins Innere eindringt, was den Druck erhöhen würde, der auf das Wasser zurückdrückt und es am Fließen hindern würde. Damit diese Art von Pumpe funktioniert, benötigen Sie ein Rohr oder Rohr, das starr ist und nicht aufgrund des äußeren Atmosphärendrucks zusammenbricht. Für kleine Wassermengen eignet sich ein einfacher Plastikstrohhalm gut.

Jeremy White

Kate Knibbs

Jeremy White

WIRED-Mitarbeiter

Es gibt noch etwas zu bedenken: Erzeugt eine Heberpumpe „kostenlose“ Energie, da sie Wasser ohne externe Energiequelle bewegt?

Betrachten wir eine Siphonpumpe, die einen erhöhten Teich entwässert. (Denken Sie daran, dass es sich um einen erhöhten Teich handeln muss, da das Ausgangsende des Siphonrohrs niedriger sein muss als das Eingangsende.) Stellen Sie sich vor, dass 1 Kilogramm Wasser aus dem Teich gepumpt wird. Das Wasser landet irgendwo tiefer als dort, wo es angefangen hat – in diesem Beispiel würde ich sagen, dass es 1 Meter tiefer endet. In Bezug auf die Energie bedeutet diese Höhenabnahme, dass auch die potentielle Gravitationsenergie abnimmt. Wir können diese Änderung (Masse × g × h) sogar berechnen, um eine Verringerung von 9,8 Joule zu erhalten.

Der wichtige Teil ist, dass die Energie abgenommen hat. Sie müssen dem System keine Energie hinzufügen, um Energie zu verlieren – das erledigt das Wasser für Sie. Es handelt sich nicht um eine „Freie-Energie“-Pumpe, sondern um eine „Energieverlust“-Pumpe. Aus praktischen Gründen ist das in Ordnung, denn so können wir das Wasser immer noch bewegen, ohne dass wir dafür arbeiten müssen.

Machen wir einen kurzen Test, um zu sehen, ob es sich bei einigen dieser Online-Videos, die Pumpen ohne Strom zeigen, möglicherweise um Siphonpumpen handelt. (Ich mache eines als Beispiel, und Sie sollten in der Lage sein, die anderen selbst auszuprobieren.) Nehmen wir dieses Bild von einer Person an einem Fluss mit einer schicken Pumpe. Sie schütteln es hin und her, um es in Gang zu bringen, dann beginnt Wasser aus dem Ende eines Rohrs zu fließen. Es sieht ungefähr so ​​aus:

Könnte das eine Siphonpumpe sein? Die Antwort ist nein. Beachten Sie, dass das Einlassende der Pumpe tiefer liegt als das Auslassende – das bedeutet, dass es sich nicht um einen Siphon handeln kann.

Lassen Sie uns eine weitere Option erkunden: die Ram-Pumpe, kurz für hydraulische Ram-Pumpe. Grundsätzlich ist die Staupumpe eine Möglichkeit, Wasser ohne externe Energiequelle an einen höher gelegenen Ort zu befördern. Dieses ist etwas komplizierter, daher beginne ich mit einem Diagramm:

Jeremy White

Kate Knibbs

Jeremy White

WIRED-Mitarbeiter

In diesem Fall stammt das Wasser aus einer Quelle, die höher als die Pumpe liegt. (Das ist wichtig.) Wenn dieses Eingangswasser von der Quelle nach unten fließt, nimmt seine Geschwindigkeit zu und verlässt das Abwasserventil. Dieses bewegte Wasser führt jedoch dazu, dass das Rückschlagventil A schließt, wodurch der Wasseraustritt verhindert wird. Da sich das Wasser jedoch in ein geschlossenes Ventil bewegt, wird es am anderen Rückschlagventil B vorbei nach oben umgeleitet und führt zu einer Komprimierung des Luftraums. Sobald die Luft komprimiert ist, hört das Wasser auf zu fließen und Ventil B schließt. Sobald dieses Ventil schließt, wirkt die Druckluft wie eine Feder und drückt das eingeschlossene Wasser in die Ausgangsleitung. Dann beginnt der gesamte Prozess von vorne.

Das ist ziemlich kompliziert; Es ist schwierig, die Werte anzupassen, damit das Ding richtig funktioniert. Ich werde also keine Ram-Pumpe bauen, aber wenn Sie es versuchen möchten, finden Sie hier ein schönes Video, das eine zeigt, die wirklich funktioniert. (Viel Glück.)

Lassen Sie mich in der Zwischenzeit auf die wichtigsten Aspekte dieser Pumpe hinweisen. Erstens ist die Pumpe niedriger als die Wasserquelle, aber die Leistung ist höher als die der Wasserquelle. Das mag bizarr erscheinen, aber so ist es. Zweitens wird jedes Mal, wenn Wasser auf ein höheres Niveau gepumpt wird, etwas Wasser aus der Pumpe ausgestoßen – das ist das Abwasser.

OK, kehren wir zum TikTok-Video zurück. Könnte es eine Ram-Pumpe sein? Denken Sie daran, dass Sie für diese Art von Pumpe drei Ebenen benötigen: Die Leistung befindet sich auf der höchsten Ebene, die Wasserquelle befindet sich in der Mitte und schließlich befindet sich die Pumpe unten. Wenn Sie nicht über alle drei Stufen verfügen, verfügen Sie nicht über eine Ram-Pumpe.

In dem Diagramm, das ich oben gezeichnet habe und das auf diesem Video basiert, pumpt die Person Wasser aus einem Fluss, der scheinbar die Quelle des Wassers ist. Das kann also keine Staupumpe sein, denn das Wasser kann nicht direkt aus dem Fluss kommen. Denken Sie daran, dass sich die Pumpe auf einem niedrigeren Niveau als die Quelle befinden muss. Und in diesem Fall ist die Quelle, nicht die Pumpe, die unterste Ebene des Systems.

Die andere Sache, auf die man achten muss, ist das Abwasser. Bei einer echten Staupumpe sollte zusätzliches Wasser aus der unteren Ebene herausspritzen. Ohne das gibt es keine Ram-Pumpe. Und im Video ist kein Abwasser zu sehen.

Wie könnte es dann funktionieren? Wer weiß. Vielleicht ist es nur eine Illusion. Vielleicht gibt es eine elektrische Pumpe, die in den Fluss getaucht und an das Rohr angeschlossen ist. Ich habe versucht, der Person, die das Video gepostet hat, eine Nachricht zu senden, habe aber keine Antwort erhalten.

Die größere Frage ist: Erzeugt eine Staupumpe freie Energie? Das scheint auf jeden Fall so zu sein, denn Sie transportieren Wasser an einen höher gelegenen Ort. Das würde seine potenzielle Gravitationsenergie erhöhen, anstatt sie nach unten zu bewegen und ihr Potenzial zu verringern.

Aber das ist nicht wirklich das, was passiert. Stellen wir uns vor, wir hätten eine funktionierende Ram-Pumpe. Angenommen, ich beginne mit 20 Kilogramm Wasser an der Quelle. Es gibt ein Rohr, das 1 Meter tief zu einer Pumpe führt. Danach wird ein Teil des Wassers (sagen wir 10 Kilogramm) bis zu einer Höhe von 1 Meter über die ursprüngliche Quelle gepumpt, so dass die potenzielle Gravitationsenergie zunimmt. Das bedeutet, dass auf Pumpenebene nur 10 kg Wasser als Abfall ausgestoßen wurden – aber da es sich nach unten bewegte, verringerte sich das Gravitationspotential. Wenn 10 kg 1 Meter nach unten und 10 kg 1 Meter nach oben gehen, beträgt die Nettoenergieänderung insgesamt … Null. Die Pumpe „bezahlt“ für das energiereichere Wasser am Ausgang, indem sie das Wasser zu einem niedrigeren Punkt fließen lässt.

Natürlich wäre die Pumpe in diesem Beispiel zu 100 Prozent effizient – ​​und das passiert nie. Energie geht im ausgestoßenen Wasser und in der Reibung zwischen Wasser und Rohr verloren.

Und das führt uns zu einem letzten Problem: Selbst wenn Sie einen unglaublich effizienten Generator hätten, der durch das fallende Wasser der Staupumpe angetrieben würde, würde er Ihnen immer noch keine kostenlose Energie liefern. Da ein Teil des Wassers am unteren Ende ausgeworfen werden muss, würde die Wasserquelle irgendwann versiegen. Das würde bedeuten, dass Sie Energie aufwenden müssen, um mehr Wasser anzuheben und Ihrer Quelle hinzuzufügen. Ach nein! Jetzt haben Sie gerade Ihren Plan für kostenlose Energie verloren.

Am Ende bewegen sowohl die Siphon- als auch die Rammpumpe Wasser ohne externe Energiezufuhr – Sie erhalten jedoch nicht mehr Energie als zu Beginn. Möglicherweise erhalten Sie jedoch Wasser dort, wo Sie es möchten. Und das ist der Sinn einer Pumpe.

Update 27.03.2023 12:11 Uhr ET: Dieser Beitrag wurde aktualisiert, um die Richtung des Rückschlagventils B im Diagramm der Ram-Pumpe zu korrigieren.