Článek
Úvod
Cílem není honba za co největším průtokem. Jde o účinnost „držení“ vody proti gravitaci – o to, aby se voda bez čerpadla posouvala vzhůru díky chytré geometrii a fyzikálním jevům. Základem je kapilární štěrbina: úzký prostor mezi dvěma povrchy, kde povrchové napětí a smáčivost stěn dokážou vodu „pověsit“. Vytvořením série takových štěrbin rozdělíme výšku nad hladinou na malé kroky, které voda zvládne. Hydrostatický tlak spodní části se pak postará o to, aby voda samovolně vytékala ven.
Princip 1: Kapilární držení vody
V úzké štěrbině se vytváří zakřivený povrch vody – meniskus. Povrchové napětí a smáčivost (hydrofilita) stěn tento meniskus stabilizují a voda se „neutrhne“. Štěrbina tím udrží část vodního sloupce proti gravitaci. Čím je štěrbina užší a povrch hydrofilnější, tím větší „výšku“ dokáže sama udržet.
Princip 2: Rozdělení gravitace na schody
Místo snahy vytlačit celý sloupec najednou rozdělíme výšku nad hladinou na mnoho malých kroků. Každý krok: štěrbina → malá komora → další štěrbina… Tak vznikne kapilární žebřík. Voda se dostane přes první schod, potom přes druhý, třetí… až dorazí k ústí zařízení nad hladinou.
Princip 3: Jednosměrnost bez ventilů
Mezi štěrbinami je vhodné tvarovat proud tak, aby se voda nevracela zpátky. Toho dosáhneš plynulým rozšířením (difuzorem), který zvýší statický tlak a chová se jako „zarážka“ bez pohyblivých částí. Vzniká tak efekt fluidické diody: vpřed to jde, zpět ne.
Princip 4: Povrch a materiály
- Hydrofilní povrch (co nejmenší kontaktní úhel) je klíčový. Voda po něm neklouže jako kapka po teflonu, ale rozlije se a drží.
- Ultrahladký povrch (vyleštěná nerez, speciální nanovrstvy) zmenšuje tření a omezuje vznik bublin.
- Zaoblené hrany štěrbin brání „přetržení“ menisku.
Princip 5: Start (naplnění)
Aby žebřík fungoval, musí se nejdřív celý zaplnit vodou. Kapilární štěrbiny start významně usnadní: voda se do nich aktivně nasává, vzduch vytlačují ven. Jakmile je řetěz plný, kapilární „zarážky“ drží vodu na místě a zbytek tlaku ji tlačí vzhůru.
Princip 6: Co neděláme
Nezvyšujeme „magicky“ tlak. Neporušujeme Bernoulliho ani gravitaci. Hydrostatický tlak je stále hlavní zdroj energie. Kapilární žebřík jen zabrání tomu, aby gravitace stáhla vodu zpět, a umožní tak zbylému tlaku konat práci (třeba vytlačit vodu o metr výš).
Princip 7: Limity a realita
- Povrchové napětí klesá s teplotou a znečištěním vody. Proto je dobré mít rezervu v počtu štěrbin a kvalitní povrch.
- Užší štěrbiny lépe drží, ale snáze se ucpou a více brání průtoku. Je potřeba najít kompromis mezi držení a odporom.
- Časem se může tvořit biofilm – je nutné s tím počítat při údržbě nebo při volbě materiálu.
Princip 8: Jak si to navrhnout
- Rozhodni výšku, kterou chceš překlenout nad hladinou.
- Zvol, kolik „schodů“ chceš mít a jakou výšku má každý schod udržet.
- Navrhni šířku štěrbiny tak, aby každý schod spolehlivě „unesl“ svou porci vody.
- Vytvoř mezi štěrbinami komory – plynulé, bez ostrých změn průřezu, aby se voda nevracela.
- Po naplnění žebříku spočítej (nebo změř) průtok – až potom se řeší výkon, primárně jde o účinnost držení.
K čemu je to dobré
- Pasivní zavlažování nebo recirkulace bez elektřiny.
- Systémy, kde nechceš pohyblivé díly (sterilní prostředí, potravinářství, biotechnologie).
- Nouzové systémy, které musí běžet bez údržby a moci.
Závěr
Kapilární žebřík je elegantní způsob, jak využít fyziku povrchových jevů a rozdělit gravitaci na porce, které voda zvládne. Žádné ventily, žádná čerpadla – jen chytrá geometrie a správný povrch. Když se to navrhne správně, voda sama vystoupá nad hladinu a pokračuje dál. A teprve potom má smysl řešit průtoky a výkon.
Chceš navazující článek o konstrukčních detailech (výběr materiálů, údržba, modulární segmenty)? Dej vědět.
