Винт Архимеда: что это такое и как работает?

Винтовые механизмы сегодня используются повсеместно, но мало кто знает, что прародителем современного шнека был древний механизм для подъема воды, изобретенный великим Архимедом. Давайте разберемся, что представлял собой этот легендарный винт Архимеда и как он работал.

История создания винта Архимеда

Согласно историческим источникам, винт Архимеда был изобретен великим древнегреческим ученым Архимедом примерно в 250 году до н.э. в городе Сиракузах на Сицилии. Изначально этот механизм предназначался для подъема воды из рек и озер в оросительные каналы и таким образом помогал в развитии сельского хозяйства.

Винт можно представить, как наклонную плоскость, навернутую на цилиндр.

Действительно, конструктивно винт Архимеда представлял собой винтовую поверхность, размещенную внутри наклонной полой трубы. Внизу труба опускалась в водоем, а вверху из нее вытекала вода, поднятая по спиральному желобу вращающегося винта. В качестве привода использовалось обычно ветряное колесо или ворот с ручным приводом.

Принцип работы винта Архимеда

Несмотря на кажущуюся простоту, винт Архимеда обладал высокой эффективностью и мог поднимать значительные объемы воды. Достигалось это за счет оригинальной гидродинамической схемы работы. Рассмотрим ее подробнее.

1. При вращении винта нижний конец трубы погружается в воду и захватывает nå некоторый ее объем.
2. Этот объем воды под действием гравитации и сил трения скользит вверх по винтовому желобу.
3. Вверху трубы вода выливается в оросительный канал.

Такая схема работы обеспечивала высокую производительность, ведь за один оборот винта поднималось относительно большое количество воды. Кроме того, конструкция обладала саморегулирующимися свойствами - при уменьшении притока воды внизу ее расход вверху тоже автоматически снижался.

Интересный факт: для обеспечения работоспособности винта не требовалась идеальная герметичность между спиралью и корпусом. Небольшое количество просачивающейся назад воды компенсировалось за счет поступления новых порций внизу, так обеспечивалось динамическое равновесие.

Таким образом, несмотря на кажущуюся примитивность, винт Архимеда был весьма эффективным гидравлическим устройством для своего времени.

Применение винта в ирригации и мелиорации

Уже при Архимеде винтовые подъемники активно применялись в сельском хозяйстве Древней Греции для орошения полей. Они позволяли забирать воду из рек и направлять ее по каналам к посевам. Также, по некоторым данным, подобные устройства использовались в висячих садах Семирамиды в Вавилоне.

Это устройство также использовалось для отвоевывании земли у моря в Голландии и других местах при создании польдеров.

В средние века и в Новое время винт Архимеда применялся при осушении земель в Нидерландах, Италии и других прибрежных районах. Перекрывая дамбой участок морского побережья и откачивая воду при помощи винтовых механизмов, люди получали новые плодородные земли для сельского хозяйства.

Прочие области применения архимедова винта

Кроме ирригационного водоподъема, винт Архимеда нашел широкое применение и в других отраслях.

• В горнодобывающей промышленности он использовался для подъема руды на поверхность.
• В промышленности применялся в насосах для перекачки жидкостей с высоким содержанием взвесей.
• В очистных сооружениях винтовые конструкции эффективно справляются с загрязненными стоками.

На основе архимедова винта были разработаны гидравлические турбины и гребные винты для судов. Также он послужил прообразом транспортирующего шнека, о чем речь пойдет далее.

Архимедов винт в механизмах перемещения сыпучих материалов

Цо временем на базе архимедова винта был разработан механизм для транспортировки сыпучих материалов - современный шнек. Если изначально винт Архимеда применялся в основном для жидкостей, то шнек оказался эффективен и для сухих веществ - зерна, угля, строительных смесей.

Шнек представляет собой винт, помещенный в цилиндрический кожух с небольшим зазором. За счет вращения лопастей сыпучий материал перемещается вдоль оси шнека. Такие конструкции широко используются в различных отраслях промышленности.

Области применения транспортирующих шнеков

Транспортирующие шнеки широко используются:

• В пищевой промышленности - для транспортировки муки, сахара, крупы, комбикормов;
• В агропромышленном комплексе - для транспортировки зерна, семян, удобрений;
• В горнодобывающей отрасли - для транспортировки угля, руды, породы и других сыпучих материалов;
• В строительстве - для транспортировки цемента, гипса, извести.

Преимущества и недостатки шнека

По сравнению с ленточными конвейерами шнековые транспортеры обладают рядом преимуществ:

• Простота и надежность конструкции;
• Возможность транспортировки под углом до 90 градусов;
• Относительно невысокая стоимость;
• Легкость монтажа и обслуживания.

Однако есть и недостатки:

• Ограничение по производительности и длине;
• Повышенный износ при транспортировке абразивных материалов;
• Возможность заклинивания инородными объектами.

Использование архимедова винта в качестве движителя транспортных средств

Уникальные свойства архимедова винта как гидродинамического движителя позволяют использовать его в качестве двигателя для перемещения по воде и грунту.

Так, в 1920-30-х годах предпринимались попытки создания вездеходов со шнековым движителем, способных передвигаться по снегу, болотам и другим труднопроходимым поверхностям. И хотя из-за низкой скорости они не получили широкого распространения, в наше время интерес к подобным конструкциям возрождается.