tornillo de Arquímedes

El tornillo de Arquímedes , también conocido como tornillo de Arquímedes , tornillo hidrodinámico , tornillo de agua o tornillo egipcio , ^[1] es una de las primeras máquinas hidráulicas que lleva el nombre del matemático griego Arquímedes , quien lo describió por primera vez alrededor del 234 a. C., aunque el dispositivo había sido utilizado en el Antiguo Egipto . ^[2] Es una máquina hidráulica reversible, y hay varios ejemplos de instalaciones de tornillo de Arquímedes donde el tornillo puede funcionar en diferentes momentos como bomba o generador, dependiendo de las necesidades de energía y el flujo del curso de agua.

Como máquina utilizada para elevar agua desde un cuerpo de agua de baja altitud hasta las acequias de riego , el agua se eleva girando una superficie en forma de tornillo dentro de una tubería. En el mundo moderno, las bombas de tornillo de Arquímedes se utilizan ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales y para desagotar regiones bajas. Al funcionar en sentido inverso, las turbinas de tornillo de Arquímedes actúan como una nueva forma de central hidroeléctrica pequeña que se puede aplicar incluso en sitios de baja altura . Estos generadores funcionan en una amplia gama de caudales (0,01 a 14,5 ) y alturas (0,1 m a 10 m), incluidos los de baja altura y los caudales moderados que no son ideales para las turbinas tradicionales y no están ocupados por tecnologías de alto rendimiento.$Estilo de visualización m3/s$$Estilo de visualización m3/s$

La bomba de tornillo es la bomba de desplazamiento positivo más antigua . ^[1] Los primeros registros de un tornillo de agua, o bomba de tornillo, se remontan al Egipto helenístico antes del siglo III a. C. ^{[1] [3]} El tornillo egipcio, utilizado para elevar agua del Nilo , estaba compuesto de tubos enrollados alrededor de un cilindro; a medida que toda la unidad gira, el agua se eleva dentro del tubo espiral a la elevación superior. Un diseño posterior de bomba de tornillo de Egipto tenía una ranura en espiral cortada en el exterior de un cilindro de madera sólida y luego el cilindro estaba cubierto por tablas o láminas de metal que cubrían estrechamente las superficies entre las ranuras. ^[1]

Algunos investigadores han propuesto que este dispositivo se utilizó para regar los Jardines Colgantes de Babilonia , una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo . Stephanie Dalley ^[4] ha interpretado una inscripción cuneiforme del rey asirio Senaquerib (704-681 a. C.) para describir la fundición de tornillos de agua en bronce unos 350 años antes. Esto es coherente con el historiador griego Estrabón , que describe los Jardines Colgantes como irrigados por tornillos. ^[5]

La bomba de tornillo fue introducida posteriormente desde el Egipto helenístico a Grecia. ^[1] Fue descrita por Arquímedes , ^[6] con ocasión de su visita a Egipto , alrededor del 234 a. C. ^[7] Esta tradición puede reflejar solo que el aparato era desconocido para los griegos antes de la época helenística . ^[6] Ateneo de Naucratis cita a un tal Moschion en una descripción de cómo Hierón II de Siracusa encargó el diseño del Syracusia , un barco de lujo que sería una exhibición de poder naval . ^[8] Se dice que fue el barco más grande construido en la antigüedad clásica y fue botado por Arquímedes, quien diseñó un dispositivo con una cuchilla giratoria en forma de tornillo dentro de un cilindro para eliminar cualquier posible fuga de agua a través del casco. ^[9] El tornillo de Arquímedes se giraba a mano y también podía usarse para transferir agua desde un cuerpo de agua bajo a canales de irrigación. ^{[10] [11]}

Arquímedes nunca se atribuyó el mérito de su invención, pero Diodoro se lo atribuyó 200 años después , creyendo que Arquímedes inventó la bomba de tornillo en Egipto. ^[1] Las representaciones de los tornillos de agua griegos y romanos los muestran siendo accionados por un humano que pisaba la carcasa exterior para girar todo el aparato como una sola pieza, lo que requeriría que la carcasa estuviera unida rígidamente al tornillo.

El ingeniero alemán Konrad Kyeser equipó el tornillo de Arquímedes con un mecanismo de manivela en su Bellifortis (1405). Este mecanismo reemplazó rápidamente la antigua práctica de hacer funcionar el tubo pisando. ^{[12] El primer} barco de vapor del mundo impulsado por una hélice de tornillo fue el SS Archimedes , que se botó en 1839 y recibió su nombre en honor a Arquímedes y su trabajo en el tornillo. ^[13] Los avances en el transporte marítimo se produjeron durante los siguientes 180 años desde el diseño de doble pala de Fawcett, Preston and Company y las patentes de Sharrow Marine para abordar la propulsión rotatoria y el control de flujo en embarcaciones a través de hélices de bucle. La generación de electricidad a través de bombas hidroeléctricas como el proyecto Meriden operado por New England Hydropower también utiliza el tornillo de Arquímedes para dirigir el agua hacia la parte superior, en lugar de la parte inferior, del tornillo, lo que lo obliga a girar. ^{[14] [15]}

Los tornillos de Arquímedes se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales porque se adaptan bien a diferentes tasas de flujo y a los sólidos suspendidos. ^[16] Las turbinas de tornillo (AST) son una nueva forma de generador para pequeñas centrales hidroeléctricas que podrían aplicarse incluso en sitios de baja altura. La baja velocidad de rotación de las AST reduce los impactos negativos en la vida acuática y los peces. Esta tecnología se utiliza principalmente en criaderos de peces para levantar peces de forma segura de los estanques y transportarlos a otra ubicación. Un tornillo de Arquímedes se utilizó en la exitosa estabilización de 2001 de la Torre Inclinada de Pisa . Se eliminaron pequeñas cantidades de subsuelo saturado por agua subterránea desde muy por debajo del lado norte de la torre, y el peso de la propia torre corrigió la inclinación.

Otros inventos que utilizan tornillos de Arquímedes incluyen el transportador de barrena en una máquina quitanieves , un elevador de granos , una hormigonera y una fuente de chocolate .

El tornillo de Arquímedes consiste en un tornillo (una superficie helicoidal que rodea un eje cilíndrico central) dentro de un tubo hueco. El tornillo generalmente se hace girar mediante un molino de viento, trabajo manual, ganado o por medios modernos, como un motor. A medida que el eje gira, el extremo inferior recoge un volumen de agua. Luego, el helicoidal giratorio empuja el agua hacia arriba por el tubo hasta que sale por la parte superior del tubo.

La superficie de contacto entre el tornillo y la tubería no necesita ser perfectamente estanca, siempre que la cantidad de agua que se extraiga con cada vuelta sea grande en comparación con la cantidad de agua que se filtra de cada sección del tornillo por vuelta. Si el agua de una sección se filtra a la siguiente inferior, será transferida hacia arriba por el siguiente segmento del tornillo.

En algunos diseños, el tornillo se fusiona con la carcasa y ambos giran juntos, en lugar de que el tornillo gire dentro de una carcasa estacionaria. El tornillo se puede sellar a la carcasa con resina de brea u otro adhesivo, o el tornillo y la carcasa se pueden fundir juntos como una sola pieza en bronce.

El diseño del tornillo de agua griego y romano de uso cotidiano, en contraste con el pesado dispositivo de bronce de Senaquerib , con sus problemáticas cadenas de transmisión, tiene una poderosa simplicidad. Se construía una hélice doble o triple con tiras de madera (o en ocasiones láminas de bronce) alrededor de un pesado poste de madera. Se construía un cilindro alrededor de las hélices utilizando tablas largas y estrechas sujetas a su periferia e impermeabilizadas con brea. ^[5]

Los estudios muestran que el volumen de flujo que pasa a través de los tornillos de Arquímedes es una función de la profundidad de entrada, el diámetro y la velocidad de rotación del tornillo. Por lo tanto, la siguiente ecuación analítica podría utilizarse para diseñar tornillos de Arquímedes:

${\displaystyle D_{O}={\sqrt[{3}]{\frac {16\pi Q}{\sigma \omega (2\theta _{O}-sin2\theta _{O}-\delta ^{2}(2\theta _{i}-sin(2\theta _{i}))}}}}$

¿Dónde está en y?:${\displaystyle D_{O}}$${\estilo de visualización (m)}$

${\estilo de visualización \omega}$:Velocidad de rotación del tornillo de Arquímedes (rad/s)

${\estilo de visualización Q}$: Caudal volumétrico${\displaystyle (m^{3}/s)}$

Basándose en los estándares comunes que utilizan los diseñadores del tornillo de Arquímedes, esta ecuación analítica podría simplificarse como: ^[17]

${\displaystyle D_{O}\approx \eta Q^{3/7}}$

El valor de η se puede determinar simplemente utilizando el gráfico o gráfica. ^[17] Mediante la determinación de , se pueden calcular otros parámetros de diseño de los tornillos de Arquímedes utilizando un método analítico paso a paso.${\estilo de visualización \eta}$${\estilo de visualización \Theta}$${\displaystyle D_{O}}$

Un transportador de tornillo es un dispositivo similar que transporta materiales a granel, como polvos y granos de cereales . Está contenido dentro de un tubo y gira mediante un motor para entregar material de un extremo del transportador al otro y es particularmente adecuado para el transporte de materiales granulares, como gránulos de plástico utilizados en el moldeo por inyección. También se puede utilizar para transportar líquidos. En aplicaciones de control industrial, el transportador se puede utilizar como un alimentador rotatorio o un alimentador de velocidad variable para entregar una velocidad o cantidad medida de material a un proceso.

También se puede encontrar una variante del tornillo de Arquímedes en algunas máquinas de moldeo por inyección , máquinas de fundición a presión y extrusión de plásticos, que emplean un tornillo de paso decreciente para comprimir y fundir el material. También se utiliza en un compresor de aire de tornillo rotativo . A una escala mucho mayor, los tornillos de Arquímedes de paso decreciente se utilizan para la compactación de material de desecho.

Si se introduce agua en la parte superior de un tornillo de Arquímedes, se obligará a que gire. El eje giratorio se puede utilizar entonces para accionar un generador eléctrico. Una instalación de este tipo tiene los mismos beneficios que el uso del tornillo para bombear: la capacidad de manejar agua muy sucia y tasas de flujo muy variables con alta eficiencia. Settle Hydro y Torrs Hydro son dos microcentrales hidroeléctricas de tornillo inverso que funcionan en Inglaterra. El tornillo funciona bien como generador en baja presión , algo que se encuentra comúnmente en los ríos ingleses, incluido el Támesis , que alimenta el castillo de Windsor . ^[18]

• Espiral de Arquímedes
• Vehículo propulsado por hélice
• Tornillo (máquina simple)
• Bomba espiral
• Hélice toroidal
• Vitruvio

• PJ Kantert: "Manual de la bomba de tornillo de Arquímedes", Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6 . 
• PJ Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe", Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5 . 
• PJ Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe" - 2.ª edición 2020, DWA, ISBN 978-3-88721-888-1 . 
• Oleson, John Peter (1984), Dispositivos mecánicos griegos y romanos para elevar el agua. La historia de una tecnología , Dordrecht: D. Reidel, ISBN 90-277-1693-5
• Oleson, John Peter (2000), "Elevación de agua", en Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, vol. 2, Leiden, págs. 217–302 (242–251), ISBN 90-04-11123-9{{citation}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
• Nuernbergk, D. y Rorres C.: „Un modelo analítico para la entrada de agua de un tornillo de Arquímedes utilizado en la generación de energía hidroeléctrica”, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, publicado: 23 de julio de 2012
• Nuernbergk DM: "Wasserkraftschnecken – Berechnung und Optimum Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine", Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. Edición. 2012, 272 artículos, ISBN 978-3-87696-136-1 
• Rorres C.: "El giro del tornillo: diseño óptimo de un tornillo de Arquímedes", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, volumen 126, número 1, enero de 2000, págs. 72-80
• Nagel, G.; Radlik, K.: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen; Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH, Wiesbaden, Berlín (1988)
• White, Lynn Jr. (1962), Tecnología medieval y cambio social , Oxford: En Clarendon Press

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Wikisource tiene el texto del artículo de la Encyclopædia Britannica de 1911 " Arquímedes, tornillo de ".

• La vuelta de tuerca: diseño óptimo de un tornillo de Arquímedes, por Chris Rorres, PhD.
• "Tornillo de Arquímedes" de Sándor Kabai, Proyecto de Demostraciones Wolfram , 2007.
• "Ejemplos de tornillos de Arquímedes Varias fuentes, 2021