Tornell de Arquímedes

Un tornell de Arquímedes és una màquina gravimétrica helicoidal utilisada per a l'elevació d'aigua, farina, cereals o material excavat. Se sol considerar que va ser inventat en el III a. C. per Arquímedes, del que rep el seu nom, encara que és molt provable que ya fora utilisat en époques molt més antigues en l'Antic Egipte.^[1] És un cilindre buit, situat sobre un pla inclinat, que permet elevar el cos o decorregut situat per baix de l'eix de gir. Des de la seua invenció fins ara s'ha amprat per al bombeig. També és cridat tornell sense fi pel seu circuit infinit.

Actualment, el tornell s'usa també per a transportar sòlits en facilitat per a tot tipo d'indústries. Estos mòduls polimèrics d'alta calitat són elegits com a primera opció tant per a aplicacions de reduït tamany com per a aplicacions de grans dimensions.

Història

Erro al crear miniatura:

Una bomba d'aigua en Egipte de la década de 1950 que utilisa el mecanisme del tornell de Arquímedes.

La bomba de tornell és la bomba de desplaçament positiu més antiga.^[2] Els primers registres d'un tornell d'aigua, o bomba de tornell, es remonten a l'Egipte helenístic abans de el III^[2]^[3] El tornell egipcíac, utilisat per a elevar l'aigua del Nilo, es componia de tubos enrollados al voltant d'un cilindre; a mida que tota l'unitat gira, l'aigua s'eleva dins del tubo en espiral fins a l'elevació més alta. Un disseny posterior de bomba de tornell egipcíaca tenia un recalat en espiral tallada en l'exterior d'un cilindre de fusta massiça i després el cilindre estava cobert per taules o làmines de metal que cobrien estretament les superfícies entre els recalats.^[2]

Alguns investigadors han propost que este dispositiu es va utilisar per a regar els Jardins Colgantes de Babilonia, una de les Sèt Maravelles del Món Antic. Una inscripció cuneïforme del rei assiri Senaquerib (704-681 a. C.) ha segut interpretada per Stephanie Dalley^[4] per a descriure la fundició de tornells d'aigua en bronze uns 350 anys abans. Açò concorda en l'autor clàssic Estrabón, que descriu els Jardins Colgantes com regats per tornells.^[5]

La bomba de tornell va ser introduïda posteriorment d'Egipte a Grècia.^[2] Va ser descrita per Arquímedes,^[6] en motiu de la seua visita a Egipte, cap al 234 a. C..^[7] Esta tradició pot reflectir únicament que l'aparat era desconegut per als grecs abans del periodo helenístic.^[6] Arquímedes mai es va atribuir el mèrit de la seua invenció, pero li va ser atribuïda 200 anys més tart per Diodoro, qui creïa que Arquímedes va inventar la bomba de tornell en Egipte.^[2] Les representacions dels tornells d'aigua de l'Antiga Grècia i del Imperi Romà els mostren accionados per un ser humà que chafa la carcassa exterior per a fer girar tot l'aparat com una sola peça, lo que requeriria que la carcassa estiguera rígidamente unida al tornell.

L'ingenier alemà Konrad Kyeser va dotar al tornell de Arquímedes d'un mecanisme de manivela en el seu Bellifortis (1405). Este mecanisme va substituir ràpidament l'antiga pràctica de fer funcionar el tubo chafant-ho.^[8]

Disseny

Erro al crear miniatura:

Paràmetros de disseny del tornell de Arquímedes^[9]

Consistix en un tornell (superfície helicoidal que rodeja a un cilindre) dins d'un tubo. El moviment d'este aparat es conseguix gràcies a un molí o per treball manual. Degut a que el tornell trencada, est fa que el líquit que es troba davall ascendixca per la superfície helicoidal que ho rodeja. Es va usar principalment per a sistemes de irrigació i per a traure aigua de mines o atres llocs poc accessibles.

Si cau aigua d'una secció, esta és arreplegada per la següent que provablement faça que puge de nou. No obstant, este fet reduïx l'eficiència del tornell.

En alguns dissenys, el tubo que rodeja al tornell també trencada al mateix temps que este en lloc de quedar-se fix. El tornell podria ser sagellat en resina o algun atre adhesiu en la seua part exterior. Aixina mateix pot fondre's sobre una peça de bronze. Alguns investigadors afirmen que este sistema és el que s'utilisava per al rec dels jardins de Babilonia, una de les sèt maravelles del món antic. Tenim descripció dels que usaven els grecs i romans, els qui es valien de la força humana per a posar-los en moviment en la carcassa, de manera que tot era una peça.

És important tindre en conte que el volum del tornell no deu estar completament ple d'aigua; deu haver una bona cantitat d'aire "recollit" junt en cada cullerada d'aigua. Per esta raó, la bomba deixa de funcionar si el fondo de la canonada està completament sumergit, de modo que no es puga aspirar aire. Açò es deu a que les bosses d'aigua individuals deuen estar separades entre sí per bosses d'aire, o be no hi hauria diferència entre un tornell de Arquímedes i un tubo (enrollado), que permetria que l'aigua fluïra de la conca superior a la conca inferior, com un sifón.

No és necessari que la superfície de contacte entre el tornell i la canonada siga perfectament impermeable, sempre que la cantitat d'aigua que s'arreplega en cada regrés siga gran en comparació a la cantitat d'aigua que s'escapa de cada secció del tornell per regrés. Si l'aigua d'una secció es filtra cap a la següent inferior, serà transferida cap a dalt pel següent segment del tornell.

En alguns dissenys, el tornell està fusionat en la carcassa i abdós giren junts, en lloc de que el tornell gire dins d'una carcassa estacionaria. El tornell podria sagellar-se a la carcassa en resina d'alquitrà o un atre adhesiu, o el tornell i la carcassa podrien fondre's junts com una sola peça de bronze.

El disseny del tornell d'aigua grec i romà quotidià, en contrast en el pesat dispositiu de bronze de Senaquerib, en les seues problemàtiques cadenes de transmissió, té una poderosa simplicitat. Una hèliç doble o triple es construïa en tires de fusta (o ocasionalment làmines de bronze) al voltant d'un poste de fusta pesat. Al voltant de les hèlices es va construir un cilindre utilisant taules llargues i estretes fixades a la seua perifèria i impermeabilisades en alquitrà.^[5]

Els estudis mostren que el volum de fluix que passa a través dels tornells de Arquímedes està en funció de la profunditat d'entrada, el diàmetro i la velocitat de rotació del tornell.^[10] Per lo tant, la següent equació analítica podria usar-se per a dissenyar tornells de Arquímedes:^[9]

$D_{O} = \sqrt[3]{\frac{16 π Q}{σ ω (2 θ_{O} - s i n 2 θ_{O} - δ^{2} (2 θ_{i} - s i n (2 θ_{i}))}}$

a on $D_{O}$ és en $(m)$ i:

$ω$ : Velocitat de rotació del tornell de Arquímedes (rad/s)

$Q$ : Taxa de fluix volumètric $(m^{3} / s)$

Basant-se en els estàndarts comuns que utilisen els dissenyadors de tornells de Arquímedes, esta equació analítica podria simplificar-se com:^[11]

$D_{O} \approx η Q^{3 / 7}$

El valor de η podria determinar-se simplement usant la grafia $η$ ^[9] o la grafia $Θ$ .^[11] Per determinació de $D_{O}$ , atres paràmetros de disseny dels tornells de Arquímedes es poden calcular utilisant un método analític pas a pas.^[9]

Referències

↑ Enciclopèdia italiana treccani.it, veu «còclea» (en italià)
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Stewart, Bobby Alton (2003). Encyclopedia of water science, USA: CRC Press, p. 759. ISBN 0-8247-0948-9.
↑ (2011) «com/EBchecked/topic/529876/screw Tornell}», , The Encyclopaedia Britannica Co..
↑ Stephanie Dalley, The Mystery of the Hanging Garden of Babylon: an elusive World Wonder traced, (2013), OUP ISBN 978-0-19-966226-5
↑ ^5,0 ^5,1 “Senaquerib, Arquímedes i el tornell d'aigua: The Context of Invention in the Ancient World” (12 de octubre 2003). Technology and Culture 44 (1): 1-26. doi:10.1353/tech.2003.0011.
↑ ^6,0 ^6,1 Oleson 2000, pàg. 242-251
↑ Haven, Kendall F. (2006). aneu=0gBwjLTUzEMC&q=tornell+història+inventat&pg=PA7 Cent grans invents científics de tots els temps, USA: Libraries Unlimited, pp. 6-. ISBN 1-59158-264-4.
↑ White 1962, pàg. 105, 111, 168
↑ ^9,0 ^9,1 ^9,2 ^9,3 “Archimedes Screw Design: An Analytical Model for Rapid Estimation of Archimedes Screw Geometry” (en) (1 de giner 2021). Energies 14 (22): 7812. doi:10.3390/en14227812.
↑ «Development of an Equation for the Volume of Flow Passing Through an Archimedes Screw Turbine».Sustaining Tomorrow.Springer International Publishing.
17–37.doi:10.1007/978-3-030-64715-5_2.
↑ ^11,0 ^11,1 “Design Guideline for Hydropower Plants Using One or Multiple Archimedes Screws” (en) (1 de decembre 2021). Processes 9 (12): 2128. doi:10.3390/pr9122128.

Este artícul conté una traducció derivada de «Tornillo de Arquímedes» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] Enciclopèdia italiana treccani.it, veu «còclea» (en italià)

[Stewart-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Stewart, Bobby Alton (2003). Encyclopedia of water science, USA: CRC Press, p. 759. ISBN 0-8247-0948-9.

[Britannica-3] (2011) «com/EBchecked/topic/529876/screw Tornell}», , The Encyclopaedia Britannica Co..

[4] Stephanie Dalley, The Mystery of the Hanging Garden of Babylon: an elusive World Wonder traced, (2013), OUP ISBN 978-0-19-966226-5

[DO-5] 5,0 ^5,1 “Senaquerib, Arquímedes i el tornell d'aigua: The Context of Invention in the Ancient World” (12 de octubre 2003). Technology and Culture 44 (1): 1-26. doi:10.1353/tech.2003.0011.

[Oleson_2000_242-251-6] 6,0 ^6,1 Oleson 2000, pàg. 242-251

[Haven-7] Haven, Kendall F. (2006). aneu=0gBwjLTUzEMC&q=tornell+història+inventat&pg=PA7 Cent grans invents científics de tots els temps, USA: Libraries Unlimited, pp. 6-. ISBN 1-59158-264-4.

[8] White 1962, pàg. 105, 111, 168

[:1-9] 9,0 ^9,1 ^9,2 ^9,3 “Archimedes Screw Design: An Analytical Model for Rapid Estimation of Archimedes Screw Geometry” (en) (1 de giner 2021). Energies 14 (22): 7812. doi:10.3390/en14227812.

[:3-10] «Development of an Equation for the Volume of Flow Passing Through an Archimedes Screw Turbine».Sustaining Tomorrow.Springer International Publishing.
17–37.doi:10.1007/978-3-030-64715-5_2.

[:4-11] 11,0 ^11,1 “Design Guideline for Hydropower Plants Using One or Multiple Archimedes Screws” (en) (1 de decembre 2021). Processes 9 (12): 2128. doi:10.3390/pr9122128.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]