Idag finns vattentrycksteknik överallt, och alla personer som duschar, vattnar en trädgård eller släcker bränder drar nytta av den teknik som tagits fram för att utnyttja den. På 1600- och 1700-talen var dock en jämn vattenström utan tryckfall ett stort genombrott.
År 1666, när hinkbrigader var den bästa försvarslinjen, brände den stora branden i London nästan alla stadens tätt packade träkonstruktioner. Katastrofen förstörde hundratusentals hem och dussintals kyrkor, vilket visar på behovet av bättre brandbekämpningsmetoder och utrustning.
Ett landmärke framsteg var uppfinningen av "sugmaskar", läderslangar kopplade till manuellt manövrerade pumpar. Sedan kom Windkessel, en kammare i botten av en trävagn som komprimerade luft för att pumpa vatten kontinuerligt genom en slang, vilket skapade en jämn ström.
Inspirerad av en brandbil från 1725 som pumpade vatten på större avstånd och högre hastigheter än tidigare möjligt, publicerade författare i American Journal of Physics analyserade tryckkammarens Windkessel-effekt för att fånga fysiken bakom denna allmänt använda, varaktiga teknologi.
"Det finns många fascinerande fysikproblem som döljer sig i böcker och tidningar som skrevs för århundraden sedan," sa författaren Trevor Lipscombe. "Nyligen har vi arbetat med att tillämpa elementär vätskemekanik på biologiska system, och stötte på en vanlig beskrivning i medicinska tidskrifter:att hjärtat fungerar som en Windkessel. Det väcker frågan om vad, exakt, är en Windkessel? Att följa spåret , vi hittade beskrivningar av Loftings "sugande mask"-anordning och i Newshams brandbil, ett livräddande program."
För att peka ut vilka faktorer som är mest inflytelserika i Windkessel-effekten jämförde författarna kammarens initiala tillstånd, hastigheten med vilken hinkbrigader kunde hälla in vatten (volymetriskt inflöde), längden på tidstrycket som byggs upp och effekterna på utflödet kurs.
"När en fysiker står inför Loftings design, eller Newsham-brandbilen, vill reda ut den grundläggande vetenskapen som är involverad - helt enkelt för att den finns där," sa Lipscombe. "Det är glädjen att göra fysik. Men det finns också en pedagogisk aspekt. Vår artikel bygger en enkel modell som visar hur en Newsham-brandbil fungerar. Vi svarar delvis på "när kommer jag någonsin att använda det här?" fråga."
Därefter planerar författarna att undersöka den fysiologiska Windkessel som är involverad i hjärt-aorta-systemet.
"Kunskap om Bernoullis lag, den ideala gaslagen och isotermisk expansion är de tre ingredienserna vi bakade in i en modell för att utforska hur den här enheten fungerade," sa Lipscombe. "Men om vi förstår det här systemet bättre kan vi titta på parametrarna som är viktiga och se hur en ändring av dem kan förbättra enheten."
Mer information: Från sugande maskar till Windkessels:Fysiken bakom en brandbekämpningsanordning från tidigt 1700-tal, American Journal of Physics (2024). DOI:10.1119/5.0147573
Journalinformation: American Journal of Physics
Tillhandahålls av American Institute of Physics
