Κοχλίας του Αρχιμήδη

Ο κοχλίας του Αρχιμήδη, ή αντλία με κοχλία, είναι μια κατασκευή που από την αρχαιότητα χρησιμοποιούταν για να αντλεί και να μετακινεί νερό από κάποιο χαμηλό μέρος κυρίως σε κανάλια άρδευσης. Η εφεύρεση της αντλίας με κοχλία (βίδα) αποδίδεται στον Αρχιμήδη, αν και πιθανότερο είναι, να ήταν γνωστό στους αρχαίους Έλληνες μηχανικούς, κατά την Ελληνιστική περίοδο.

Ο χειροκίνητος κοχλίας του Αρχιμήδη που ανεβάζει νερό με μεγάλη αποτελεσματικότητα Ένας κοχλίας του Αρχιμήδη στη Σουηδία (στο Huseby) Κοχλίας του Αρχιμήδη Κοχλίας του Αρχιμήδη για την άντληση νερού από ορυχεία στην Ισπανία Σύγχρονη μορφή κοχλία του Αρχιμήδη που αντικατέστησε ανεμόμυλους και χρησιμοποιούνται για την αποξήρανση πόλντερ στην Ολλανδία Ο κοχλίας του Αρχιμήδη ως τέχνη από τον Tony Cragg στο Hertogenbosch της Ολλανδίας

Ιστορία

Η εφεύρεση της αντλίας νερού με κοχλία αποδίδεται στον πολυμαθή Αρχιμήδη από τις Συρακούσες τον 3ο αιώνα π.Χ. Ένα μεγάλο μέρος του έργου του Αρχιμήδη στη μηχανική προέκυψε από την εκπλήρωση των αναγκών της γεννέτειρας πόλης του των Συρακουσών. Ο Έλληνας Αθηναίος συγγραφέας Ναύκρατις περιέγραψε πώς ο βασιλιάς Ιέρων Β΄ανέθεσε στον Αρχιμήδη να σχεδιάσει ένα τεράστιο πλοίο, τη Συρακουσία, το οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ταξίδια πολυτελείας, για μεταφορά προμηθειών και ως ναυτικό πολεμικό πλοίο. Σύμφωνα με τον Αθήναιο, ήταν ικανό να μεταφέρει 600 άτομα και περιλάμβανε διακοσμητικούς κήπους, ένα γυμναστήριο και ένα ναό αφιερωμένο στη θεά Αφροδίτη μεταξύ των εγκαταστάσεών του. Δεδομένου ότι σε ένα πλοίο αυτού του μεγέθους θα διέρρεε ένα σημαντικό ποσό νερού διαμέσου του κύτους, ο κοχλίας του Αρχιμήδη υποτίθεται ότι αναπτύχθηκε με σκοπό την απομάκρυνση του νερού. Η μηχανή του Αρχιμήδη ήταν μια συσκευή με ένα περιστρεφόμενο κοχλία σε σχήμα έλικας μέσα σε έναν κύλινδρο. Γυρνούσε χειροκίνητα και μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά νερού από ένα χαμηλού επίπεδου σώμα του νερού σε κανάλια άρδευσης.

Ο κοχλίας του Αρχιμήδη όπως περιγράφονταν στα ρωμαϊκά χρόνια από τον Βιτρούβιο μπορεί να ήταν μια βελτίωση σε σχέση με μία μπρούντζινη αντλία-κοχλία που είχε χρησιμοποιηθεί για την άρδευση των Κρεμαστών Κήπων της Βαβυλώνας 350 χρόνια πριν. Σε αυτό συγκαταλέγεται και η περιγραφή του κλασικού συγγραφέα Στράβωνα ότι οι κρεμαστοί κήποι ποτίζονταν με κοχλίες.

Το πρώτο στον κόσμο θαλασσοπόρο ατμόπλοιο με βιδωτή έλικα ήταν το SS Archimedes, το οποία ξεκίνησε να λειτουργεί το 1839 και ονομάστηκε έτσι προς τιμήν του Αρχιμήδη και του έργου του πάνω στον κοχλία.

Σχεδιασμός

Ο κοχλίας του Αρχιμήδη αποτελείται από έναν κοχλία σε κενό σωλήνα (ελικοειδής επιφάνεια μέσα σε κύλινδρο). Ο κοχλίας περιστρέφεται μέσω ενός ανεμόμυλου ή ακόμα και χειροκίνητα. Ο κοχλίας βρίσκεται σε κλίση με το έδαφος και καθώς γυρίζει, ποσά νερού εγκλωβίζονται και μεταφέρονται μέχρι το πάνω μέρος της κατασκευής, από όπου το νερό χύνεται και τροφοδοτεί κανάλια άρδευσης.

Η επαφή της κυλινδρικής επιφάνειας και του κοχλία δεν χρειάζεται να είναι υδατοστεγής, εφόσον το ποσό που ρίχνει μέσα στο κανάλι είναι μεγαλύτερο από αυτό που διαρρέει. Επίσης λόγω του σχεδιασμού, το νερό που διαρρέει πηγαίνει στο χαμηλότερο τμήμα, που με τη σειρά του ανεβαίνει, οπότε δημιουργείται μια μηχανική ισορροπία κατά τη χρήση.

Σε μερικούς σχεδιασμούς, ο κοχλίας είναι ενωμένος με το κυλινδρικό περίβλημα και περιστρέφονται μαζί, αντί να περιστρέφεται μόνο ο κοχλίας. Αυτό φαίνεται και σε απεικονίσεις της αρχαίας Ελλάδας και της αρχαίας Ρώμης, που δείχνουν συνήθως έναν άνδρα να περιστρέφει ολόκληρη την κατασκευή.

Χρήσεις

Εκτός από το να τροφοδοτεί κανάλια άρδευσης, ο κοχλίας του Αρχιμήδη, χρησιμοποιούνταν για άντληση νερού από ορυχεία ή από χαμηλές περιοχές που γέμιζαν ανεπιθύμητο νερό. Χρησιμοποιείται για να αποστραγγίσει ξηρά που βρίσκεται κάτω από το επίπεδο της θάλασσας (όπως στην Ολλανδία) και σε περιοχές για τη δημιουργία πόλντερ, περιοχές που περιφράσσονται από θαλάσσης και το νερό που περικλείεται αντλείται ώστε να χρησιμοποιηθεί η γη για γεωργία.

Ο κοχλίας του Αρχιμήδη είναι ακόμα σε χρήση για την άντληση υγρών και στερεών σε κόκκους, όπως ο άνθρακας και το σιτάρι. Σε θεριζοαλωνιστικές μηχανές, σε μηχανές απομάκρυνσης χιονιού, σε υδραυλικές αντλίες,στις μηχανές κοπής κρέατος σε κιμά, στα τυρμπουσόν για τους φελλούς των μπουκαλιών.Μια παραλλαγή του κοχλία είναι τα διάφορα τρυπάνια.

Η αρχή του κοχλία, μπορεί να βρεθεί ακόμα σε ανυψωτήρες, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται από ιχθυοτροφεία για τα ψάρια, για την ασφαλή μεταφορά τους από λίμνες σε άλλη τοποθεσία, καθώς θέλουν να μειώσουν όσο γίνεται τη φυσική επαφή με αυτά.

Ο κοχλίας του Αρχιμήδη χρησιμοποιήθηκε το 2001, από τον Βρετανό μηχανικό John Burland, στην επιτυχή σταθεροποίηση του πύργου της Πίζας. Μικρές ποσότητες του υπεδάφους που μαλάκωσαν λόγω υπόγειων υδάτων, αφαιρέθηκαν κάτω από τη βόρεια πλευρά του πύργου και το βάρος του Πύργου διόρθωσε από μόνο του την κλίση.

Παραλλαγές

Κοχλίας του Αρχιμήδη σε θεριζοαλωνιστική μηχανή

Ένας κοχλίας μεταφοράς είναι στην ουσία ένα κοχλίας τους Αρχιμήδη σε ένα σωλήνα που περιστρέφεται με μοτέρ, για να μεταφέρει υλικό από τη μια άκρη στην άλλη. Χρησιμεύει ιδιαιτέρα για τη μεταφορά υλικών σε κόκκους, όπως κόκκοι πλαστικών για τη χύτευση με έγχυση και η μεταφορά δημητριακών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα για τη μεταφορά υγρών και ως περιστροφικός τροφοδότης ή μεταβλητής ροής τροφοδότης για συγκεκριμένες ποσότητες υλικού.

Επίσης παραλλαγή του χρησιμοποιείται σε αεροσυμπιεστές και σε συμπύκνωση αποβλήτων.

Αντίστροφη δράση

Αν νερό χυθεί στο πάνω μέρος του κοχλία του Αρχιμήδη, θα αναγκάσει τον κοχλία να περιστραφεί. Ο περιστρεφόμενος άξονας μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια με μια ηλεκτρική γεννήτρια, ώστε να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια. Μια τέτοια εγκατάσταση, λόγω του κοχλία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ βρώμικο νερό και σε διαφορετικά ποσά ροής του νερού, με πολύ υψηλή απόδοση. Τέτοιες γεννήτριες παράγουν υδροηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιούνται σε ποτάμια με τρεχούμενο νερό (όχι φράγματα) για μικρά ποσά ενέργειας (μέχρι 100 kW).

Πηγές

• P. J. Kantert: „Manual for Archimedean Screw Pump“, Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6.
• P. J. Kantert: „Praxishandbuch Schneckenpumpe“, Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5.
• Oleson, John Peter (1984), Greek and Roman mechanical water-lifting devices. The History of a Technology, Dordrecht: D. Reidel, ISBN 90-277-1693-5 
• Oleson, John Peter (2000), «Water-Lifting», στο: Wikander, Örjan, επιμ., Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History, 2, Leiden, σελ. 217–302 (242–251), ISBN 90-04-11123-9 
• Nuernbergk, D. and Rorres C.: „An Analytical Model for the Water Inflow of an Archimedes Screw Used in Hydropower Generation", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Published: 23 July 2012
• Nuernbergk D. M.: „Wasserkraftschnecken – Berechnung und optimaler Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine", Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. Edition. 2012, 272 papes, ISBN 978-3-87696-136-1
• Rorres C.: The turn of the Screw: Optimum design of an Archimedes Screw", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, Volume 126, Number 1, Jan.2000, pp. 72–80
• Nagel, G.; Radlik, K.: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen; Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH, Wiesbaden, Berlin (1988)
• White, Jr., Lynn (1962), Medieval Technology and Social Change, Oxford: At the Clarendon Press 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Technology and Culture Volume 44, Number 1, January 2003 (PDF) Dalley, Stephanie. Oleson, John Peter. "Sennacherib, Archimedes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World"
• The Turn of the Screw: Optimal Design of an Archimedes Screw, by Chris Rorres, PhD.
• "Archimedean Screw" by Sándor Kabai, Wolfram Demonstrations Project, 2007.