A dugattyúk története a római kortól
(2026 február)
Az ókori rómaiak használták először szivattyúkban a víz és talán más folyadékok mozgatására. Kteszibiosz (i. e. 3. század) alexandriai feltalálót tartják az első dugattyús szivattyú feltalálójának, a szerkezet hengerekben mozgó dugattyúkkal és csapószelepekkel tette lehetővé a víz emelését. a tűzoltást. Már a római mérnökök is tökéletesítették a technológiát, bronzból vagy ólommal bélelt fából készült kettős dugattyús szivattyúkat használtak bányák víztelenítésére, hajók fenékvizének kiszivattyúzására és tűzoltásra.
A római kori dugattyúk ( a vízszivattyúkban, mint a Kteszibiosz-féle szivattyú) leggyakrabban bronzból vagy fából készültek. A tehetősebb városokban vagy igényesebb szerkezeteknél (pl. tűzoltófecskendőkben) a hengerek és a dugattyúk is bronzból készültek. A British Museumban is található egy Bolsenából származó, 3. századi római bronzdugattyú. A szélesebb körben elterjedt, olcsóbb szivattyúk esetében a dugattyúkat keményfából (például tölgyfából) faragták ki. A szoros illeszkedés és a vízzáróság érdekében a dugattyúk aljára gyakran bőrből vagy gyapjúból készült tömítőgyűrűket (gallérokat) rögzítettek szögekkel. A dugattyúk többnyire bronz-, ólom- vagy fahengerekben mozogtak.
Ókori vizióra, fent egy papírhengerre írta az időt. Alul cseppenként folyt ki a víz, a dugíttyú lassan lesűllyedt
(https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/Water_clocks/)
A római mérnökök a dugattyús szerkezeteket nemcsak vízemelésre, hanem hajók fenékvíz-szivattyúzására és oltógépekhez is használták.
A római mérnökök a dugattyús szerkezeteket nemcsak vízemelésre, hanem hajók fenékvíz-szivattyúzására és oltógépekhez is használták.
Ismerték a vízemelő kerekeket is, taposómalommal hajtott kerekeket és arkhimédészi csavarokat használtak bányákban, öntözésnél, ahol a vizet alacsonyabb szintről kellett magasabbra emelni. Ritka esetekben, ha a domborzati viszonyok megkövetelték, szivattyúkkal emelték a vizet egy magasabb tartályokba, vagy gravitációs úton táplálták a szökőkutakat.
Aquincumi Múzeum rajza a római víziorgonáról: Kteszibiosz féle dugattyúkat használtak a víziorgonában is, hogy egyenletes légnyomást biztosítson a sípok megszólaltatásához (https://www.aquincum.hu/).
Bár a rómaiak ismerték a dugattyú, a henger, a szelepek és a hajtókar elvét, de a gőzgép feltalálásától messze voltak, részben mert a dugattyúk és hengerek közötti szigetelést bőrtömítéssel oldották meg, amelyet vízzel tartottak nedvesen, a jobb záródás és csúszás érdekében, de főleg azért, mert a gőz hajtóerejét nem ismerték fel. Az alexandriai Hérón (i. sz. 1. század) megalkotta az Aeolipile-t, egy gőzturbinára hasonlító szerkezet, amit csak játékszerként, látványosságként mutogattak.
A római kettős dugattyús szivattyú (úgynevezett Ctesibius-szivattyú) felépítése és működése: a római szivattyú két függőleges hengerét bronzból öntötték, a tartósság és a sima belső felület miatt. Dugattyúk a hengerekben szorosan illeszkedő fémtárcsák voltak, amelyeket fel-le mozgattak. Bőrtömítések a dugattyúk peremére rögzített, vízzel (olajjal?) átitatott bőrdarabok akadályozták meg a víz visszafolyását a fal mellett.
Szívószelepek: a hengerek alján elhelyezett egyirányú szelepek (csappantyúk), amelyek csak egy irányban engedték a vizet.
Nyomószelepek a hengerek oldalán vagy tetején lévő szelepek voltak, amelyek a vízszállító cső felé nyíltak.
Közös gyűjtőcső a két hengerből érkező vizet egyetlen kimeneti csőbe terelte, amelyen keresztül a vízsugár távozott.
Emelőkar, vagy himba egy központi tengelyen nyugvó rúd, amelynek két végéhez kapcsolták a dugattyúkat, az egyik dugattyú emelkedett, míg a másik süllyedt. Működési részfolyamatok:
Szívó ütemben az emelőkar megemeli az egyik dugattyút, a hengerben vákuum keletkezik. Az alsó szelep kinyílik, és a víz beáramlik a hengerbe.
Nyomó ütemben a dugattyút lefelé nyomják, az alsó szelep lezárul, a nyomószelep pedig kinyílik. A dugattyú a vizet nagy erővel a gyűjtőcsőbe és onnan a kifolyócsőbe kényszeríti.
Folyamatos volt az áramlás, mert a két henger felváltva dolgozott, a vízsugár szinte megszakítás nélkül tör elő a fecskendőből.
Nyomószelepek a hengerek oldalán vagy tetején lévő szelepek voltak, amelyek a vízszállító cső felé nyíltak.
Közös gyűjtőcső a két hengerből érkező vizet egyetlen kimeneti csőbe terelte, amelyen keresztül a vízsugár távozott.
Emelőkar, vagy himba egy központi tengelyen nyugvó rúd, amelynek két végéhez kapcsolták a dugattyúkat, az egyik dugattyú emelkedett, míg a másik süllyedt. Működési részfolyamatok:
Szívó ütemben az emelőkar megemeli az egyik dugattyút, a hengerben vákuum keletkezik. Az alsó szelep kinyílik, és a víz beáramlik a hengerbe.
Nyomó ütemben a dugattyút lefelé nyomják, az alsó szelep lezárul, a nyomószelep pedig kinyílik. A dugattyú a vizet nagy erővel a gyűjtőcsőbe és onnan a kifolyócsőbe kényszeríti.
Folyamatos volt az áramlás, mert a két henger felváltva dolgozott, a vízsugár szinte megszakítás nélkül tör elő a fecskendőből.
A római tűzoltófecskendő (Sipho)
A rómaiaknál a tűzoltás állami feladat volt (a Vigiles nevű testület végezte). és a legfontosabb eszközük a Kteszibiosz-féle kettős dugattyús szivattyú volt. Két függőleges hengerből állt, amelyekben egy-egy dugattyú mozgott fel-le, egy közös himba, azaz emelőkar segítségével. (Hasonlókat a múlt században még elterjedten használtak.) Amikor az egyik dugattyút felemelték, vákuum keletkezett, ami felszívta a vizet a tartályból egy egyirányú szelepen keresztül. Amikor lenyomták, a víz egy másik szelepen át a közös nyomócsőbe távozott. A hengerek és dugattyúk bronzból készültek, a dugattyúk peremére puha bőrt rögzítettek, amit víz megduzzasztott, nedvesen tartott. A szivattyú képes volt folyamatos vízsugarat lövellni (mivel a két dugattyú felváltva dolgozott), ami a korabeli faépületek tüzénél létfontosságú volt. Több ilyen leletet találtak, például a spanyolországi Silchester vagy a magyarországi Aquincum környékén is találtak hasonló szerkezeteket. A római mérnökök technikája annyira fejlett volt, hogy hasonló hatékonyságú szivattyúkat legközelebb csak a 18-19. században építettek újra.
Kétkaros, azaz himbás tűzoltó fecskendő szivattyúja 1905-ből (https://fr.wikipedia.org/wiki/Pompe_volum%C3%A9trique)
Érdekesség: Leonardo da Vinci 15. század végi iratai között szerepel egy gőzzel működő ágyú, az Architonnerre terve, amely egy lezárt, vörösen izzó ágyúba hirtelen beáramló forró vízzel működött volna. 1606-ban a spanyol Jerónimo de Ayanz y Beaumont bemutatott és szabadalmat kapott egy gőzzel működő vízszivattyúra. A szivattyút sikeresen használták a spanyolországi Guadalcanal elárasztott bányáinak víztelenítésére.
A középkorban a technológia nem sokat fejlődött, de voltak próbálkozások, végül az áttörés csak a 17. században következett be, 1690-ban, amikor Denis Papin francia fizikus kifejlesztette az első dugattyút, amely gőznyomás hatására végzett munkát. Majd 1712-ben Thomas Newcomen a dugattyús gőzgépét már gyakorlati, ipari célokra (bányák víztelenítésére) használták. A 19. század-ban kezdték el használni a dugattyúgyűrűket (John Ramsbottom) és a belső égésű motorok (Nikolaus Otto) megjelenésével a dugattyú a modern közlekedés alapkövévé vált. A dugattyú fejlődésének utolsó nagy ugrása a vízemeléstől a robbanómotorokig tartott, a folyamat a 19. század végén vált teljessé, amikor a dugattyú már nem csak egy alkatrész, hanem a motor lett. A gőzgépek nehéz öntöttvas dugattyúi túl lassúak voltak a nagy fordulatszámhoz. A modern motorokhoz könnyű alumíniumötvözeteket használtak, ami lehetővé tette a percenkénti több ezres mozgást anélkül, hogy a motor szétrázkódna. Míg a rómaiak bőrt, a korai gépészek kendert használtak, a modern motorokban rugalmas acélgyűrűk biztosítják a tömítést, melyek felelnek azért is, hogy az olaj ne jusson be az égéstérbe. A modern autókban a dugattyú egy hajtókaron keresztül egy főtengelyhez kapcsolódik, amely a fel-le mozgást forgó mozgássá alakítja – ez forgatja meg végül a kerekeket. Bár a technológia évezredeket ugrott, az alapelv ugyanaz: egy zárt hengerben mozgó szoros illeszkedésű test, amely szelepek segítségével kontrollálja a nyomást.
Érdekesség: A 18. században a dugattyú szerepe alapvetően megváltozott: már nem a dugattyú mozgatta a folyadékot, hanem a gőz nyomása mozgatta a dugattyút. De Newcomen gépében (1712) még csak a légnyomás dolgozott! A gőzt befecskendezték a hengerbe, majd hideg vízzel lehűtötték. A gőz lecsapódott, vákuum keletkezett, és a külső légnyomás nyomta le a dugattyút. A hengerek ekkor még rosszul zártak, kézzel kalapálták, alakították a palástot, és a dugattyút kenderkötéllel és egy réteg vízzel tömítették, ami a tetején volt. Az ősi innováció másik főszereplője egy Humphrey Potter nevű fiú volt. A történet rávilágít arra, hogyan szülhet a "lustaság" (vagy a hatékonyságra való törekvés) zseniális technikai megoldásokat. Az 1700-as évek elején a bányák víztelenítésére használt Newcomen-féle gőzgépek még nem voltak automatizáltak. A gép működéséhez két szelepet kellett váltakozva nyitni és zárni minden egyes ütemnél, egy gőzszelepet a dugattyú felemeléséhez, egy hideg vizes szelepet a gőz lecsapatásához és a vákuum létrehozásához. A szelepek kezelése monoton, unalmas munka volt, amit gyakran gyerekekre bíztak. A történet szerint 1713-ban Humphrey Potter megunta, hogy egész nap a karokat rángassa, megfigyelte a gép mozgását. Rájött arra, hogy néhány erős zsinórral összekötötte a gép mozgó himbáját (a nagy lengőkar) a szelepek karjaival. A gép mozgása közben a felemelkedő himba magával rántotta a megfelelő zsinórt, ami kinyitotta az egyik szelepet, majd a leereszkedő kar elzárta azt és kinyitotta a másikat. A gép ezzel önműködővé vált. Humphrey Potter "trükkje" technikai áttörést is hozott: a gép percenkénti löketszáma 8-12-ről kb. 15-re nőtt, mert a mechanika pontosabb volt, mint az emberi kéz. Persze a zsinóros szerkezetet később tökéletesítették, fém rudazattal váltották fel.
James Watt újítása volt (1769), hogy különválasztotta a kondenzátort (a gőz lecsapatására szolgált), így a henger nem hűlt le. Watt már kettős működésű gépeket is tervezett, ahol a gőz a dugattyú mindkét oldalára hatott, amihez pontos hengermegmunkálásra volt szükség.
Watt jelentős erőfeszítéseket tett, hogy olyan tömítést találjon, amely jobban működik, és végül faggyú és olaj keverékének használatával érte el. A dugattyúrúd a felső hengerfedélen lévő, hasonló módon tömített tömítésen is áthaladt. A dugattyú tömítésének problémája abból adódott, hogy nem volt mód kellően kerek henger előállítására. Watt megpróbálta öntöttvasból kifúrni a hengereket, de kénytelen volt kalapált vashengert használni.
Összehasonlítás: Római szivattyúk vs. Gőzkorszak
Szempont Római szivattyú Ipari gőzgép
Anyag Bronz, ólom, fa Öntöttvas, acél
Hajtóerő Emberi izomerő Gőznyomás / Vákuum
Tömítés Bőr Kender, bőr, később fémgyűrűk
Cél Vízszállítás, tűzoltás Gyári gépek hajtása, bányászat