Cachumbambé hidráulico

Por Alejandro Montecinos Larrosa

 

Jugar y bombear agua pueden convertirse en verbos que provoquen
un acercamiento de los niños a los principios de la hidráulica y la cultura energética y ambiental.

La nueva sección de Energía y tú –Parque hidráulico infantil– procurará facilitar la consecución de ese objetivo.

 

Los sociólogos y sicólogos conceden al juego una incidencia básica e inalienable en la formación de la personalidad y en el proceso cognitivo de los niños y niñas. El juego provoca una aprehensión creciente del mundo, con deleite. Muchos adultos –léase padres– pretenden que los niños nos iluminen con precocidades, pero en ocasiones descuidan una condición: los niños deberían ser libres de expresar sus energías para desarrollar sus talentos individuales, en un ambiente no restrictivo.

La fusión dialéctica de la educación familiar, los aportes de las escuelas y la actividad lúdica, en cada una de las etapas del proceso, facilita el desarrollo armónico de los niños, por lo que deben buscarse alternativas que satisfagan ese propósito.

Parque hidráulico infantil
El parque hidráulico infantil se concibe como un espacio donde los niños puedan ejercer su más vital actividad, el juego, de forma tal que con la motivación lúdica interactúe la apropiación de los principios de la hidráulica y el conocimiento del uso de las energías alternativas, además de contribuir a conformar criterios sobre la ne
cesidad de una cultura ecológica. El proyecto formula la creación de un parque de diversiones para los niños, en el que a los aparatos convencionales (tiovivo, cachumbambé, columpio, etc.) se le adaptan equipos para el bombeo o suministro de agua.

Algunos conocimientos hidráulicos y mecánicos pueden provocar la imaginación para proyectar y ejecutar los más disímiles artefactos o equipos para el parque, desde una bicibomba, unos pedales especiales (hidropaso) acoplados a bombas de diafragma y un tiovivo conectado a un malacate de cartabón, hasta un cachumbambé que bombee agua.
La bicibomba consiste en una bomba de soga de torre acoplada a una bicicleta, de forma tal que al pedalear se eleva el agua hasta un recipiente al que puede instalarse una ducha, un lavamanos e incluso otros elementos como una escultura o fuente, o un sistema de regadío.

El hidropaso permite bombear agua con el peso que ejerce una persona al caminar por unos pedales o pasos que accionan las bombas de diafragma correspondientes conectadas con la fuente de abasto.

Resulta muy sencillo adecuar el principio de funcionamiento de un malacate de cartabón
a un tiovivo, porque este equipo incorpora una transmisión por engranaje y un mecanismo de excéntrica o manivelas triangulares que convierten el movimiento de rotación del eje del tiovivo en movimiento rectilíneo alternativo de la varilla del cilindro de la bomba que se le incorpore.

Y el cachumbambé hidráulico resulta tan sencillo y seductor como el regocijo de los niños al verificar que por cada vez que suben y bajan en el tradicional aparato un chorro de agua se eleva por encima de ellos.

Especialistas del Centro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA), de Camagüey, lograron concebir una primera versión de este parque en el mayor recinto ferial de la Isla, EXPOCUBA, a finales de la última década del pasado siglo, y su aceptación superó las expectativas, como ocurrirá cada vez que se asuma un proyecto análogo.


¿Cachumbambé hidráulico?
Difícil imaginar un cubano que desconozca las bondades del cachumbambé. Casi todos podemos referir alguna anécdota relacionada con este omnipresente equipo en los parques infantiles. La novedad radica en su versión hidráulica, que en principio constituye un aparato mecánico al que se instalan aditamentos y una bomba de agua con sus respectivos conductos y accesorios, para bombear agua a partir del movimiento alternativo producido por el accionar del peso de los niños al columpiarse. Es susceptible de ubicación en parques y lugares de esparcimiento infantil, siempre que existan condiciones para las instalaciones hidráulicas y el abastecimiento de agua.

La utilización del peso del niño como fuente energética provoca en él la curiosidad, propiciatoria de su acercamiento a los elementos esenciales del bombeo y de las leyes más generales de la hidráulica.

A la intención didáctica se le incorpora la utilización del movimiento alternativo del cachumbambé hidráulico para bombear agua hacia un tanque colector u otros usos sociales, productivos, recreativos o artísticos, en las escuelas, círculos infantiles, campamentos pioneriles y comunidades.


Diseño
El equipo fusiona dos elementos esenciales: el cachumbambé y la bomba de agua
(Fig. 1).


Fig. 1. Esquema general del cachumbambé hidráulico. 1. Cachumbambé.
2. Base. 3. Cilindro de la bomba. 4. Cheque de succión. 5. Tubo de succión.
6. Tubos conductores.7. Tanque colector. 8. Fuente ornamental. 9. Regadíos.

El diseño del cachumbambé es convencional, similar a muchos instalados en el país.
Lo novedoso es la incorporación de elementos que permiten acoplarlo al cilindro de una bomba de agua, igualmente convencional.

Las bombas son las máquinas elevadoras de agua más comunes usadas en la práctica del riego o el bombeo en general. Estos equipos proporcionan diversos caudales de agua, en dependencia de sus parámetros constructivos y operacionales.

Por las características del movimiento del cachumbambé se debe optar por una bomba
de desplazamiento positivo, que impulsa el agua mediante el movimiento alternativo del émbolo o pistón en el interior de un cilindro colocado en posición vertical. La selección
de este tipo de bomba para conectar en el cachumbambé obedece a una serie de ventajas, entre las que sobresalen su flexibilidad, facilidad de conservación, robustez y moderado costo inicial.

Esta bomba puede emplearse en pozos de cualquier profundidad. Cuando el descenso
del nivel del agua es menor de 5 m, el cilindro suele instalarse fuera del pozo. En cambio, cuando el nivel hidrostático es superior a 5 m, el cilindro se conecta a una tubería de bajada y se instala dentro del pozo.

El caudal de la bomba instalada al cachumbambé está limitado por la fuerza que pueden ejercer uno o varios niños con sus propios pesos. En consecuencia, mientras mayor sea la profundidad de la que se extrae el agua, mayor es el esfuerzo y por tanto menor el caudal obtenido: Un hombre puede bombear 35 litros por minuto con una bomba instalada a 6 m de profundidad, y 6 litros por minuto con la misma bomba situada a una profundidad de 30 m.

Como el componente energético en el caso del cachumbambé hidráulico es el peso corporal de niños, incluso muy pequeños, entonces es necesario instalar la bomba
en lugares donde el nivel del agua esté lo más cercano a la base del aparato.

Las bombas instaladas de esta manera, cuando sufren mucho desgaste, tienen que cebarse para empezar a funcionar, o sea, la tubería de succión debe llenarse con agua tomada de un depósito exterior a fin de eliminar el aire, aunque esto no es una limitante significativa.

Según el esquema propuesto (Fig. 1), también pueden utilizarse las bombas alternativas de doble efecto o las bombas de diafragma. La primera basa su funcionamiento en el mismo principio que las de simple efecto, con la diferencia de que los dos movimientos son activos. Si bien aumenta el caudal de agua que se bombea en igual período, es mucho más costosa su fabricación. Por su parte, las bombas de diafragma son sencillas y de fácil fabricación, pero tienen muy poca capacidad de succión, por lo que pueden ser empleadas sólo para bombear desde cisternas o pozos con el nivel del agua cercano a la superficie del terreno (Fig. 2).


Fig. 2. Bombas de diafragma acopladas a un cachumbambé.

El otro elemento importante del equipo, el cachumbambé, tiene un diseño convencional, con cuatro capacidades. La decisión de usar tubos de dos pulgadas para la estructura fundamental del cachumbambé se debe a la experiencia negativa en EXPOCUBA, donde
el aparato instalado sufrió algunas roturas porque los tubos empleados eran de una pulgada y media de diámetro y no soportaron el peso de los adolescentes.

Inicialmente estaba previsto que el cachumbambé hidráulico lo utilizaran exclusivamente niños, pero su ubicación en un espacio público impide tal restricción. Por otro lado, la participación de adolescentes y adultos en el juego con los niños puede enriquecer el intercambio comunicacional y educativo. De ahí la necesidad de reforzar los elemtos constitutivos de su estructura.


Funcionamiento
La presión atmosférica es suficiente para sostener una columna de 760 mm de mercurio, al nivel del mar. Debido a que el agua es 13,6 veces menos pesada que el mercurio a igualdad de volumen, cabe suponer que la presión atmosférica puede mantener levantada una columna de agua de altura 13,6 veces mayor que la de mercurio. Por tanto, teóricamente la presión atmosférica al nivel del mar basta para elevar una columna de agua de 10,3 m en una tubería vertical en la que se ha hecho el vacío perfecto. Las condiciones en que suele hacerse el bombeo distan bastante de las ideales, por las imperfecciones de las bombas, las fugas de aire, la presencia de aire disuelto en el agua, etc.; por tanto, en la práctica, la altura de aspiración, es decir, la distancia vertical entre el cilindro de la bomba y el nivel del agua no debe ser nunca superior a 5 0 6 m.

A partir del principio formulado se explica el funcionamiento de este tipo de equipos,
que se divide en dos períodos que actúan simultáneamente (Fig. 3). En el primer período, que puede llamarse de acción o carrera ascendente, al moverse el pistón (2) en el sentido indicado por la flecha, aumenta el espacio vacío en la parte inferior del cilindro (1b).

La presión que se ejerce sobre la cara superior del pistón mantiene cerrada la válvula (3),
y el peso del aire o presión atmosférica que se ejerce sobre el nivel del agua obliga a ésta a subir por el tubo de succión (4), levanta las válvulas inferiores (5 y 6), y penetra en el cuerpo de la bomba para llenar el lugar ocupado antes por el aire en la parte inferior del cilindro (1b). En este momento, cuando el émbolo llega al final de su carrera, se tiene la parte inferior del cilindro llena de agua y las válvulas (3, 5 y 6) cerradas. En esta posición se inicia el segundo movimiento. La válvula de retención o cheque (6) cumple la función de mantener con agua el tubo de succión (4).

En el segundo período, llamado también de presión o carrera descendente, el pistón se mueve hacia abajo, obligando al agua contenida en la parte inferior del cilindro (1b) a pasar a la superior (1a), a través de la válvula (3), que se abre impulsada por la presión de la misma agua, mientras que las válvulas inferiores (5 y 6) permanecen cerradas. El pistón llega así hasta la parte inferior del cilindro. A continuación el pistón vuelve a subir y se llena nuevamente la parte inferior del cilindro (2b), e impulsa hacia arriba el agua de la parte superior (2a), obligándola a subir por el tubo de salida, ya que la válvula (3) se cierra.

Si en lugar de tener un simple tubo de descarga, la bomba tiene agregado un conducto de elevación, el agua será elevada hasta el recipiente colocado a la altura que se desee.
Considerada en su forma elemental, una máquina de esta naturaleza es un recipiente cilíndrico que se llena y vacía alternativamente, un número determinado de veces en un tiempo dado. De aquí se deduce que la ecuación fundamental para el cálculo de estas bombas es la misma que se emplea para determinar la capacidad de un cilindro. Donde
y es esta capacidad; h, el recorrido del pistón; y d, el diámetro del cilindro. Así, se tiene que y = d2h/4 = 0,7854 d2h.

En el tipo de bomba descrito, el émbolo en su primer movimiento cumple totalmente su función activa, pues absorbe el agua por la parte inferior y origina así la resistencia activa necesaria para vencer la diferencia de nivel existente entre las superficies del líquido en las partes inferior y superior del cilindro. En el segundo tiempo, al volver el pistón hacia abajo, la resistencia es teóricamente igual a cero, sin considerar las resistencias pasivas, es decir, en estas bombas la función activa solamente se ejerce en el movimiento del émbolo hacia arriba.

Al vincular la bomba con el cachumbambé se asegura la fuente energética por la acción del peso de los niños o adultos que jueguen sobre el aparato. En el esquema desarrollado, en el cachumbambé se acoplan las varillas de dos pistones, para propiciar el bombeo en cada uno de los movimientos alternativos del equipo.

Especificaciones constructivas
El diseño, los materiales y las tecnologías de elaboración y ensamblaje dependerán de las posibilidades financieras, técnicas y tecnológicas que existan en cada lugar.
Las soluciones deben ser locales, con un sentido de apropiación y enriquecimiento de las que aquí se ofrecen.

La construcción del cachumbambé no debe convertirse en un problema técnico significativo. Los materiales pueden ser los más diversos, en dependencia del diseño concreto que se asuma, y la construcción de los elementos puede ser, desde el punto
de vista tecnológico, mediante soldadura, sujeción mecánica o la combinación de ambos procedimientos.

La bomba es el elemento que mayores dificultades ofrece para su adquisición o fabricación; no obstante, puede emprenderse con éxito.

Para evitar problemas de corrosión, los materiales para la construcción de las bombas deben ser inoxidables, y especialmente el cilindro tendrá una superficie interior lo más pulida posible y un diámetro uniforme. Suelen hacerse de bronce, latón, hierro esmaltado
o plástico. Las zapatillas del émbolo por lo general son de cuero, aunque si el émbolo es de plástico, habrá que usar zapatillas flexibles (gomas especiales) para evitar ralladuras
en el cilindro a causa del accionar de las partículas arenosas durante el movimiento alternativo del émbolo.

Instalación
Para la instalación del cachumbambé hidráulico también se deben tener en cuenta las características de cada lugar, desde el punto de vista social, urbanístico y económico,
y en dependencia de las condiciones hidráulicas existentes.


Fig. 3. Funcionamiento de una bomba alternativa.

Siempre resulta útil fundir un dado de hormigón al que se fija la base del cachumbambé, de forma tal que al poner las bombas en las agarraderas, los tubos conductores o de descarga (o la parte inferior de la Tee) se sitúen al mismo nivel de la superficie de la tierra, arena o césped.

Las variantes para el acondicionamiento del lugar donde se instale el cachumbambé hidráulico serán diversas. Sólo se deben tener en cuenta la altura del cachumbambé (en posición horizontal) con respecto a la superficie del suelo, y las distancias desde el eje
de rotación hasta los extremos del cachumbambé y hasta los soportes de las varillas de la bomba. Estos parámetros son los que determinan el recorrido real del émbolo de la bomba, que debe ser menor que el recorrido potencial del émbolo dentro del cilindro seleccionado.

Si el cilindro tiene un recorrido potencial de 230 mm y recorre 158 mm, por cada movimiento completo del cachumbambé se podrá bombear 0,67 litros. Entonces, si los niños realizan diez movimientos completos en un minuto se obtendrán 6,7 litros por minuto. Por movimiento completo se entiende el desplazamiento de un extremo del cachumbambé desde la posición inferior hasta la posición superior, y como el cachumbambé tiene dos extremos y posee acopladas dos bombas de agua, se obtiene que al mismo tiempo se realizan dos movimientos completos y por tanto se obtendrán 13,4 litros por minuto.

La limitante para aumentar la capacidad de bombeo del cachumbambé hidráulico radica en que las fuerzas motrices del sistema son el peso y la fuerza que ejercen los niños sobre el cachumbambé.

Es importante señalar que debe preverse la ulterior utilización del agua bombeada, para que el sistema sea útil en sí y para hacer más efectiva la intención didáctica y formativa del equipo. En ese sentido las soluciones también pueden ser las más diversas. El destino del agua que se bombea dependerá de la creatividad con que se asuma el proyecto.

Si sólo se le otorga al cachumbambé una finalidad didáctica, por razones objetivas que impidan otra utilidad, la propia agua bombeada puede regresar a la fuente. Ese es el caso cuando no exista pozo u otra fuente de abasto. Entonces pueden instalarse las bombas
en estanques u otros espacios creados especialmente que suministren el agua necesaria para el bombeo en un circuito cerrado.


Fig. 4. Esquema del cachumbambé hidráulico.
1. Cachumbambé. 2. Cilindros de las bombas.

La existencia de una bomba alternativa (defectuosa o no) y un cachumbambé ya instalado, pueden ser los ingredientes primarios para iniciar el montaje de un cachumbambé hidráulico, que en un círculo infantil permite a los niños regar un pequeño huerto o en una escuela facilita el abasto de agua al comedor, o en un parque para que brote agua en una fuente ornamental.

A jugar
Los adultos –padres o abuelos casi todos– podemos ya desenterrar de la memoria nuestras experiencias con uno de los protagonistas en los juegos infantiles, el simple cachumbambé, y contribuir a la formación de una cultura energética y ambiental sostenible, de forma amena y potencialmente útil.