The Effect of Air Bubbles in Ancient Long-Distance Pipelines

Air-water interaction in certain types of gravity-flow water pipelines, so-called inverted siphons, has the potential to disturb the flow of water significantly. If such a pipeline is laid across high points in the landscape, air bubbles can, in extreme cases, render the pipeline useless. The mechanics of air-water interaction in pipes is very complex and represents an engineering challenge even today. In antiquity, the builders of a number of aqueducts chose, nonetheless, to lay the pipelines across such high points, running the risk of air bubbles disrupting the flow of water. This article illustrates the precise phenomenon by which large air bubbles become enclosed in pipelines with intermediate high points, quantifies the problem of air bubbles for the pipelines at Pergamon, Smyrna, Alatri, and Lyon, suggests a procedure by which the ancient technicians could have identified and solved the problems associated with air pockets in the line, and points to archaeological evidence that they may, indeed, have done so.

Résumé:

L'interaction de l'air et de l'eau dans certains types de conduites d'eau à écoulement par gravité, appelées siphons inversés, possède un potentiel de perturbation significative du flux de l'eau; si une telle canalisation est posée sur des élévations du paysage, des bulles d'air peuvent, dans des cas extrêmes, la rendre inutilisable. La mécanique de l'interaction air-eau dans les tuyaux est très complexe et représente un défi technique même encore aujourd'hui. Dans l'Antiquité, les constructeurs d'un certain nombre d'aqueducs ont néanmoins choisi de les faire passer sur de telles élévations, au risque de voir des bulles d'air perturber l'écoulement de l'eau. Cet article illustre le phénomène exact par lequel de grosses bulles d'air se retrouvent coincées dans les canalisations à point culminant intermédiaire, quantifie le problème des bulles d'air dans les aqueducs de Pergame, Smyrne, Alatri et Lyon, suggère une procédure par laquelle les techniciens de l'Antiquité auraient pu identifier et résoudre les problèmes associés aux poches d'air dans les tuyaux, et finalement relève des indices archéologiques suggérant qu'ils auraient pu, en réalité, avoir agi ainsi.