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El tornillo de Arquímedes se opera a mano y puede elevar el agua de manera eficiente.

El tornillo de Arquímedes , también conocido como tornillo de agua , bomba de tornillo o tornillo egipcio , [1] es una máquina que se utiliza para transferir agua desde una masa de agua baja a acequias de riego . El agua se bombea girando una superficie en forma de tornillo dentro de una tubería. Los tornillos de Arquímedes también se utilizan para materiales como polvos y granos. Además, los tornillos de Arquímedes podrían producir energía si son impulsados ​​por un fluido en lugar de un fluido de elevación ( turbinas / generadores de tornillo de Arquímedes ). [2] Aunque comúnmente se atribuye a Arquímedes , existe alguna evidencia de que el dispositivo se había utilizado enEl antiguo Egipto mucho antes de su tiempo. [3]

Historia [ editar ]

Una bomba de agua en Egipto de la década de 1950 que utiliza el mecanismo de tornillo de Arquímedes.

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] [4] El tornillo egipcio, utilizado para sacar agua del Nilo , estaba compuesto por tubos enrollados alrededor de un cilindro; a medida que gira toda la unidad, el agua se eleva dentro del tubo en espiral a la elevación más alta. Un diseño posterior de bomba de tornillo de Egipto tenía una ranura en espiral cortada en el exterior de un cilindro de madera maciza y luego el cilindro se cubría con tablas o láminas de metal que cubrían estrechamente las superficies entre las ranuras. [1]

Algunos investigadores han postulado que este es el dispositivo utilizado para regar los Jardines Colgantes de Babilonia , una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo . Stephanie Dalley [5] 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 consistente con el autor clásico Strabo , quien describe los Jardines Colgantes como irrigados por tornillos. [6]

La bomba de tornillo se introdujo más tarde de Egipto a Grecia. [1] Fue descrito por Arquímedes , [7] con motivo de su visita a Egipto , alrededor del 234 a. C. [8] Esta tradición puede reflejar solo que el aparato era desconocido para los griegos antes de la época helenística . [7] Arquímedes nunca reclamó el crédito por su invención, pero Diodoro se lo atribuyó 200 años después , quien creía que Arquímedes inventó la bomba de tornillo en Egipto. [1] Representaciones de griego y romano Los tornillos de agua muestran que son accionados por una persona que pisa la carcasa exterior para convertir todo el aparato en una sola pieza, lo que requeriría que la carcasa esté 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 trabajar la tubería pisando. [9]

Diseño [ editar ]

El tornillo de Arquímedes como forma de arte por Tony Cragg en 's-Hertogenbosch en los Países Bajos

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 gira con molino de viento, trabajo manual, ganado o con medios modernos, como un motor. A medida que el eje gira, el extremo inferior recoge un volumen de agua. Luego, esta agua es empujada hacia arriba por el tubo por el helicóptero giratorio hasta que sale por la parte superior del tubo.

No es necesario que la superficie de contacto entre el tornillo y la tubería sea perfectamente estanca, siempre que la cantidad de agua que se extrae con cada vuelta sea grande en comparación con la cantidad de agua que sale 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 cotidiano, en contraste con el pesado dispositivo de bronce de Sennacherib , con sus problemáticas cadenas de transmisión, tiene una poderosa simplicidad. Se construyó una doble o triple hélice con tiras de madera (u ocasionalmente láminas de bronce) alrededor de un pesado poste de madera. Se construyó un cilindro alrededor de las hélices utilizando tablas largas y estrechas fijadas a su periferia e impermeabilizadas con brea. [6]

Usos [ editar ]

El tornillo de Arquímedes moderno que ha reemplazado a algunos de los molinos de viento utilizados para drenar los pólderes en Kinderdijk en los Países Bajos

El tornillo se utilizó principalmente para el transporte de agua a los sistemas de riego y para la deshidratación de minas u otras áreas bajas. Se utilizó para drenar la tierra que estaba debajo del mar en los Países Bajos y otros lugares en la creación de pólders .

Los tornillos de Arquímedes se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales porque se adaptan bien a diferentes velocidades de flujo y sólidos en suspensión. Una barrena en un soplador de nieve o un elevador de granos es esencialmente un tornillo de Arquímedes. Muchas formas de bomba de flujo axial contienen básicamente un tornillo de Arquímedes.

El principio también se encuentra en pescalators, que son tornillos de Arquímedes diseñados para levantar peces de forma segura de los estanques y transportarlos a otro lugar. Esta tecnología se utiliza principalmente en los criaderos de peces, donde es deseable minimizar la manipulación física de los peces.

Se utilizó un tornillo de Arquímedes en la exitosa estabilización de 2001 de la Torre Inclinada de Pisa . Se eliminaron pequeñas cantidades de subsuelo saturado de agua subterránea desde muy por debajo del lado norte de la torre, y el peso de la torre corrigió la inclinación. Los tornillos de Arquímedes también se utilizan en fuentes de chocolate .

Las turbinas de tornillo de Arquímedes (AST) son una nueva forma de generadores para pequeñas centrales hidroeléctricas que podrían aplicarse incluso en sitios de baja altura. [2] La baja velocidad de rotación de los AST reduce los impactos negativos sobre la vida acuática y los peces. [2]

Variantes [ editar ]

Un tornillo de Arquímedes visto en una cosechadora
Artículo principal: transportador de tornillo

Un transportador de tornillo es un tornillo de Arquímedes contenido dentro de un tubo y girado por un motor para entregar material de un extremo del transportador al otro. Es particularmente adecuado para el transporte de materiales granulares como los gránulos de plástico utilizados en el moldeo por inyección y los granos de cereales . También se puede utilizar para transportar líquidos. En aplicaciones de control industrial, el transportador se puede utilizar como alimentador rotatorio o alimentador de tasa variable para entregar una tasa o cantidad medida de material en 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 . En una escala mucho mayor, los tornillos de Arquímedes de paso decreciente se utilizan para la compactación de material de desecho.

Acción inversa [ editar ]

Artículo principal: Turbina de tornillo

Si se introduce agua en la parte superior de un tornillo de Arquímedes, forzará al tornillo a girar. El eje giratorio se puede utilizar para impulsar un generador eléctrico. Esta instalación tiene los mismos beneficios que el uso del tornillo sinfín para el bombeo: la capacidad de manejar agua muy sucia y velocidades de flujo muy variables con alta eficiencia. Settle Hydro y Torrs Hydro son dos esquemas microhidráulicos de tornillo inverso que operan en Inglaterra. El tornillo funciona bien como generador a baja altura , que se encuentra comúnmente en los ríos ingleses, incluido el Támesis , que alimenta el Castillo de Windsor . [10]

En 2017, se inauguró la primera energía hidroeléctrica de tornillo inverso en los Estados Unidos en Meriden, Connecticut . [11] [12] El proyecto Meriden fue construido y es operado por New England Hydropower con una capacidad nominal de 193 kW y un factor de capacidad de aproximadamente el 55% durante un período de funcionamiento de 5 años.

Ver también [ editar ]

  • Espiral de Arquímedes
  • Vehículo propulsado por tornillo
  • SS Archimedes : el primer barco de vapor impulsado por una hélice de tornillo .
  • Tornillo (máquina simple)
  • Turbina de tornillo
  • Bomba espiral
  • Vitruvio

Notas [ editar ]

  1. ^ a b c d e f Stewart, Bobby Alton; Terry A. Howell (2003). Enciclopedia de la ciencia del agua . Estados Unidos: CRC Press. pag. 759. ISBN 0-8247-0948-9.
  2. ^ a b c YoosefDoost, Arash; Lubitz, William David (2020). "Turbinas de tornillo de Arquímedes: una solución de desarrollo sostenible para la generación de energía verde y renovable: una revisión del potencial y los procedimientos de diseño" . Sustentabilidad . 12 (18): 7352. doi : 10.3390 / su12187352 .
  3. ^ Nueva enciclopedia estándar . Standard Educational Corp. 1978. p. A-257. ISBN 9780873921831. Consultado el 30 de abril de 2020 . El tornillo de Arquímedes se desarrolló en el antiguo Egipto y posteriormente fue utilizado por Arquímedes (287-212 a. C.)
  4. ^ "Tornillo" . Encyclopædia Britannica en línea . La Encyclopaedia Britannica Co. 2011 . Consultado el 24 de marzo de 2011 .
  5. ^ Stephanie Dalley, El misterio del jardín colgante de Babilonia: una elusiva maravilla del mundo trazada , (2013), OUP ISBN 978-0-19-966226-5 
  6. ^ a b Dalley, Stephanie; Oleson, John Peter (2003). "Senaquerib, Arquímedes y el tornillo de agua: el contexto de la invención en el mundo antiguo" . Tecnología y Cultura . 44 (1): 1–26. doi : 10.1353 / tech.2003.0011 . S2CID 110119248 . 
  7. ↑ a b Oleson 2000 , págs. 242-251
  8. ^ Refugio, Kendall F. (2006). Cien inventos científicos más grandes de todos los tiempos . Estados Unidos: Bibliotecas ilimitadas. págs. 6–. ISBN 1-59158-264-4.
  9. ^ White, Jr. 1962 , págs. 105, 111, 168
  10. ^ BBC. "Turbina de agua del Castillo de Windsor instalada en el río Támesis" bbc.com , 20 de septiembre de 2011. Consultado el 19 de octubre de 2017.
  11. ^ HLADKY, GREGORY B. "Tornillo de Arquímedes que se utiliza para generar energía en la presa de Meriden" . courant.com . Consultado el 1 de agosto de 2017 .
  12. ^ "Planta de energía de Meriden utiliza turbina de tornillo de Arquímedes" . Consultado el 1 de agosto de 2017 .

Fuentes [ editar ]

  • PJ Kantert: "Manual para 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" - 2da edición 2020, DWA, ISBN 978-3-88721-888-1 . 
  • Oleson, John Peter (1984), dispositivos mecánicos de elevación de agua griegos y romanos. La historia de una tecnología , Dordrecht: D. Reidel, ISBN 90-277-1693-5
  • Oleson, John Peter (2000), "Water-Lifting", en Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden, págs. 217-302 (242-251), ISBN 90-04-11123-9
  • Nuernbergk, D. y Rorres C .: "Un modelo analítico para el flujo 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 optimaler Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine", Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. Edición. 2012, 272 papeles, ISBN 978-3-87696-136-1 
  • Rorres C .: "La vuelta del tornillo: diseño óptimo de un tornillo de Arquímedes", Revista de Ingeniería Hidráulica de la ASCE, 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, Jr., Lynn (1962), Tecnología medieval y cambio social , Oxford: en Clarendon Press

Enlaces externos [ editar ]

  • La vuelta del tornillo: diseño óptimo de un tornillo de Arquímedes , por Chris Rorres, PhD.
  • "Archimedean Screw" por Sándor Kabai, Wolfram Demonstrations Project , 2007.