น้ำพุเฮรอน

น้ำพุเฮรอน

น้ำพุเฮรอน (อังกฤษ: Heron's fountain) เป็นเครื่องกลชลศาสตร์ คิดค้นโดยเฮโรแห่งอเล็กซานเดรีย (Heron of Alexandria) ผู้เป็นนักประดิษฐ์ นักคณิตศาสตร์ และนักฟิสิกส์ชาวอียิปต์โบราณในศตวรรษที่ 1

เฮรอนได้ศึกษาเรื่องความดันอากาศและไอน้ำ อธิบายถึงเครื่องจักรไอน้ำเป็นครั้งแรก และประดิษฐ์ของเล่นที่สามารถพ่นน้ำได้หลายชิ้น หนึ่งในนั้นรู้จักกันในชื่อ น้ำพุของเฮรอน ในปัจจุบันรูปแบบต่าง ๆ ของน้ำพุเฮรอนถูกนำมาใช้เป็นอุปกรณ์สาธิตหลักการของชลศาสตร์ (hydraulics) และนิวเมติก (pneumatics) ในชั้นเรียนวิชาฟิสิกส์

การสร้าง

น้ำพุเฮรอน สร้างขึ้นได้ดังต่อไปนี้:

• เริ่มต้นมีชามอ่างใส่น้ำ ขวดแก้วหรือกระป๋องใช้เป็นภาชนะสำหรับอัดลมที่มีฝาปิด แล้วทำการต่อท่อจากรูที่ด้านล่างของอ่างเพื่ออัดลมเข้าสู่ภาชนะจ่ายลม ภาชนะจ่ายลมตั้งอยู่อย่างมีนัยสำคัญที่ด้านล่างของอ่าง
• ทำการต่อท่ออื่นจากด้านบนของภาชนะจ่ายลมนั้นขึ้นไปด้านบนของภาชนะแหล่งจ่ายน้ำพุอัดลมซึ่งเต็มไปด้วยน้ำ
• จากภาชนะแหล่งจ่ายน้ำพุ มีท่อที่ยาวมาเกือบถึงด้านล่างของภาชนะบรรจุ ผ่านด้านบนขึ้นไปสู่พวยของน้ำพุ แล้วปรับแต่งให้พวยของน้ำพุหันพุ่งตรงมาผ่านศูนย์กลางของอ่าง ตราบเท่าที่ภาชนะจ่ายลมอยู่ต่ำกว่าภาชนะแหล่งจ่ายน้ำพุอัดลม
• เติมน้ำลงในอ่าง
• น้ำจากอ่างจะไหลโดยแรงโน้มถ่วงลงไปในภาชนะจ่ายลม มันจะเติมภาชนะด้วยการแทนที่อากาศ
• อากาศจะไหลเข้าสู่ภาชนะแหล่งจ่ายน้ำพุ เข้าแทนที่น้ำ ซึ่งจะถูกยิงออกมาเป็นน้ำพุสูงกว่าตัวอ่างเดิม
• การไหลจะหยุดลงก็ต่อเมื่อภาชนะแหล่งจ่ายน้ำนั้นว่างเปล่า (กล่าวคือเมื่อระดับน้ำลดลงต่ำกว่าปลายล่างของท่อส่งน้ำพุ)

กลไกของน้ำพุเฮรอน

น้ำพุเฮรอนไม่ได้เป็นเครื่องจักรนิรันดร์ ถ้าหัวฉีดของพวยแคบ น้ำพุอาจจะพุ่งออกมาเป็นเวลาหลายนาที แต่ในที่สุดก็มาหยุดลง น้ำที่ออกมาจากท่ออาจจะไปได้สูงกว่าระดับในภาชนะบรรจุใด ๆ แต่การไหลสุทธิของน้ำลดลง แต่ถ้าทำให้ปริมาตรของภาชนะของแหล่งจ่ายลมและแหล่งจ่ายน้ำพุ ให้มีขนาดใหญ่กว่าปริมาตรของอ่าง ที่มีอัตราการไหลของน้ำจากหัวฉีดของพวยน้ำพุอย่างต่อเนื่อง น้ำพุจะสามารถทำงานได้สำหรับช่วงเวลาที่ยาวนานมากขึ้น

กลไกของมันอาจดูเหมือนขัดแย้งกันน้อยกว่าถ้าพิจารณาว่าเป็นกาลักน้ำ (siphon) แต่ด้วยโค้งด้านบนของท่อที่ถูกเอาออกและความดันอากาศระหว่างสองภาชนะบรรจุที่ต่ำกว่าการให้ความดันที่เป็นบวกที่จะยกน้ำให้เหนือกว่าโค้ง อุปกรณ์นี้เป็นที่รู้จักกันคือกาลักน้ำเฮรอน (Heron's siphon)

พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำซึ่งไหลลงมาเป็นทางยาวจากอ่างลงสู่ภาชนะที่ต่ำกว่าจะถูกถ่ายโอนโดยท่อแรงดันลม (เฉพาะอากาศจะถูกเคลื่อนย้ายขึ้นไปในขั้นตอนนี้) ที่จะผลักดันน้ำจากภาชนะที่บรรจุน้ำที่อยู่ส่วนบนให้เป็นพวยน้ำพุระยะทางสั้น ๆ เหนืออ่าง

น้ำพุจะสามารถพุ่ง (เกือบ) เป็นลำสูงเหนือภาชนะด้านบนเป็นน้ำตกและจะไหลผ่านท่อลงมาจากอ่างลงสู่ภาชนะสำหรับจ่ายลมที่อยู่ต่ำกว่าได้นั้น เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ให้วางภาชนะบรรจุน้ำให้อยู่ชิดข้างใต้อ่างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และวางภาชนะจ่ายลมให้อยู่ต่ำกว่าลงไปเป็นทางยาวอยู่เบื้องล่างของภาชนะทั้งสองให้มากที่สุด

ทันทีที่ระดับน้ำในภาชนะบรรจุแหล่งจ่ายน้ำพุด้านบนได้ลดต่ำลงจนท่อส่งน้ำพุไม่สามารถสัมผัสกับระดับพื้นผิวของน้ำได้ น้ำพุก็จะหยุดลง เพื่อที่จะทำให้น้ำพุเกิดขึ้นอีก ภาชนะจ่ายลมจะต้องทำให้ปราศจากน้ำก่อน และภาชนะบรรจุแหล่งจ่ายน้ำพุกับอ่างใส่น้ำจะต้องถูกเติมน้ำให้เต็มอีกครั้ง การขับดันน้ำให้เคลื่อนที่ไปนั้นจะทำให้ได้พลังงานที่ต้องการออกมา

ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยา

เป็นไปได้ว่าไกเซอร์จะทำงานผ่านกลไกแบบนี้ แต่มีความแตกต่างตรงที่การพุ่งขึ้นของน้ำที่พื้นผิวนั้นจะเกิดขึ้นแบบไม่ต่อเนื่อง

ดูเพิ่ม

• Hydraulic ram
• Water hammer
• Venturi effect

อ้างอิง

• Brown, Henry T.; "507 Mechanical Movements, Mechanisms and Devices", p. 111; 19th edition 1901.
• Hiscox, Gardner D.; "1800 Mechanical Movements, Devices and Appliances", p. 162; 16th edition published 1926 under the name "Mechanical Movements, Power and Devices".