Những cầu dẫn nước bằng đá đồ sộ là một trong những công trình nổi tiếng còn sót lại từ thời La Mã cổ đại. Được xây dựng cách đây hàng nghìn năm, chúng từng đưa nước từ các nguồn xa xôi về thành phố, phục vụ sinh hoạt, nhà tắm công cộng và đài phun nước.

Phần lớn hệ thống hoạt động nhờ trọng lực. Người La Mã xây dựng các kênh dẫn có độ dốc rất nhỏ để nước tự chảy từ nơi cao xuống nơi thấp. Tuy nhiên, địa hình không phải lúc nào cũng thuận lợi. Khi gặp thung lũng sâu hoặc những đoạn đường phải đi lên dốc, họ cần những giải pháp phức tạp hơn.

Một trong những cách được sử dụng là hệ thống xi phông ngược, cho phép nước đi xuống đáy thung lũng rồi tự dâng lên ở phía bên kia mà không cần máy bơm.

Tại thành phố cổ Aspendos, thuộc Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay, người La Mã đã xây dựng một hệ thống như vậy vào thế kỷ II. Công trình gồm một bể chứa ở đầu thung lũng và một bể tiếp nhận nằm ở phía đối diện, với độ cao thấp hơn một chút. Giữa hai bể là hệ thống đường ống cùng những tháp dẫn nước.

Nước từ bể đầu tiên chảy xuống theo đường ống kín. Khi xuống thấp, áp lực nước tăng lên và đẩy dòng nước đi ngược lên sườn dốc bên kia. Nhờ đó, nước có thể vượt qua những đoạn địa hình cao hơn đáy thung lũng trước khi tiếp tục chảy về thành phố.

Toàn bộ hệ thống vẫn dựa vào sự chênh lệch độ cao giữa điểm bắt đầu và điểm kết thúc. Chỉ cần bể tiếp nhận thấp hơn bể cấp nước và đường ống đủ kín, áp lực có thể đẩy nước lên cao ở những đoạn giữa.

Theo Giovanni De Feo, giáo sư kỹ thuật công nghiệp tại Đại học Salerno (Italy), những bể chứa lớn ở hai đầu hệ thống giúp nước chảy chậm lại, tạo điều kiện để bọt khí nổi lên và thoát ra ngoài. Nhờ đó, nguy cơ tắc nghẽn do không khí được giảm bớt.

Việc xây dựng đường ống chịu áp lực cao khá phức tạp, nên khi điều kiện cho phép, các kỹ sư thường chọn xây cầu dẫn nước bắc qua thung lũng.

Một ví dụ nổi tiếng là cầu dẫn nước Segovia ở Tây Ban Nha. Công trình có những hàng vòm đá cao lớn, phía trên là kênh dẫn giúp nước tiếp tục chảy theo độ dốc tự nhiên.

Ngoài xi phông ngược, người La Mã còn sử dụng nhiều thiết bị để nâng nước từ nơi thấp lên cao. Một trong số đó là vít Archimedes. Thiết bị gồm một trục xoắn nằm bên trong ống, được đặt nghiêng với một đầu ngập trong nước. Khi trục quay, nước bị giữ trong những khoảng giữa các vòng xoắn và được đưa dần lên phía trên.

Vít Archimedes có thể vận hành bằng sức người hoặc sức kéo của động vật, thường được sử dụng để đưa nước từ sông lên những khu đất cao hơn phục vụ tưới tiêu.

Một phương pháp khác là bánh xe nâng nước. Xung quanh bánh xe lớn có gắn nhiều thùng hoặc khoang chứa nhỏ. Khi bánh xe quay, các khoang này múc nước ở phía dưới, đưa lên cao rồi đổ vào máng dẫn.

Người La Mã từng sử dụng những bánh xe như vậy trong các khu mỏ để đưa nước ra ngoài, giúp công nhân có thể tiếp tục khai thác ở những vị trí sâu dưới lòng đất.

Họ còn biết sử dụng một loại bơm vận hành bằng tay, thường được gọi là bơm Ctesibius. Thiết bị có hai xi lanh và các piston nối với một khoang chung. Khi người vận hành di chuyển cần gạt qua lại, nước được hút vào rồi đẩy ra qua đường ống.

Nhờ kết hợp các phương pháp này với hệ thống kênh dẫn được tính toán cẩn thận, người La Mã có thể vận chuyển nước qua những quãng đường dài và vượt qua nhiều trở ngại địa hình mà không cần đến máy bơm chạy điện như ngày nay.