tornillo de Arquímedes

Los orígenes del tornillo hidráulico son desconocidos; ^{[ 2 ]} Se le atribuye a Arquímedes la invención del tornillo hidráulico, pero es controvertido entre los historiadores. ^{[ 3 ]} Según Posidonio , Arquímedes inventó el tornillo hidráulico cuando visitó Egipto, posiblemente entre 283 y 246 a. C., ^{[ 4 ]} y los académicos argumentan que lo inventó basándose en una rueda hidráulica que vio en funcionamiento. ^{[ 5 ]} Otros académicos postulan que Arquímedes posiblemente encontró a los egipcios ya usando el tornillo, aunque el arqueólogo canadiense John Peter Oleson señala que "nunca se proporciona ninguna explicación para la posterior identificación del dispositivo con Arquímedes o para la total falta de evidencia literaria o arqueológica de la existencia del tornillo hidráulico antes de ca. 250 a. C.", y argumenta que pudo haber habido confusión sobre los términos utilizados por Posidonio. ^{[ 4 ] [ b ]} Los estudiosos también argumentan que las investigaciones de Arquímedes sobre espirales y la cuadratura de un círculo llevaron al desarrollo del tornillo de Arquímedes. ^{[ 8 ]}

La asirióloga Stephanie Dalley argumentó en varias de sus publicaciones que, según una inscripción del rey asirio Senaquerib , se usaban tornillos de agua de bronce para irrigar los Jardines Colgantes de Babilonia ; ^{[ 9 ] [ c ]} también interpretó la Geografía de Estrabón y Sobre las Siete Maravillas del Mundo de Filón de Bizancio para implicar que se usaban tornillos de agua en los Jardines Colgantes de Babilonia. ^{[ 12 ]} Un tornillo de Arquímedes, bajo la supervisión de Dalley, fue construido a partir de la inscripción de Senaquerib como parte de un documental de la BBC para determinar si el tornillo era conocido en Asiria , con Oleson supervisando la construcción de un tornillo usando la descripción de Vitruvio en De Architectura . ^{[ 13 ]} El académico Yaman Boluk propuso que si la teoría de Dalley era cierta, entonces los tornillos habrían tenido una abertura en su cilindro exterior, y sus aspas habrían estado separadas del cilindro exterior a diferencia del tornillo construido en el documental de la BBC, que tenía las aspas del tornillo unidas al cilindro exterior. ^{[ 14 ]}

Moschion informó en el Tratado sobre el gran barco de Hierón de Siracusa , escrito entre 250 y 220 a. C., que el tornillo se usaba como bomba de achique en un barco construido para Hierón II de Siracusa , ^{[ 15 ]} y Posidonio también registró tornillos de agua en minas españolas utilizadas para drenaje. ^{[ 15 ]} Oleson señala que se encontraron restos arqueológicos del tornillo de agua en el territorio del Imperio Romano, como Egipto, España, Francia e Italia, ^{[ 16 ]} mientras que textos literarios e inscripciones describen la presencia del tornillo en Mesopotamia, Egipto, Siria y España, aunque la falta de tornillos en Roma y el norte de Europa sugiere que el tornillo no se utilizó mucho allí, ya que la irrigación y la minería tenían menor prioridad en esas regiones. ^{[ 1 ]}

A finales del siglo I a. C. o siglo I d. C., no había muchos registros que mencionaran el tornillo, según la investigación de Oleson en Fayum ; postula que eran poco comunes en la ciudad o no estaban sujetos a impuestos y, por lo tanto, no se registraron. ^{[ 17 ]} Diodoro describe el uso del tornillo de Arquímedes para el riego en el delta del Nilo para campamentos militares y ciudades cercanas en su Bibliotheca Historica , ^{[ 18 ]} y Vitruvio detalla un tornillo de Arquímedes de madera con ocho aspas en su De Architectura , escrito entre 27 y 22 a. C. ^{[ 19 ]} La representación más antigua del tornillo de agua es un fresco en la villa Casa di P. Cornelius Teges en Pompeya que data de antes del 79 d. C. ^{[ 20 ]} El tornillo de Arquímedes continuó usándose en Europa hasta que cayó en desuso a finales del siglo III. ^{[ 1 ]} El historiador Lynn White Jr. postula que el tornillo continuó utilizándose en la España visigoda e islámica , ^{[ 21 ]} mientras que Oleson teoriza que los árabes pudieron haber reintroducido el tornillo en Europa tras la conquista de España en el siglo VIII. ^{[ 1 ]}

La primera ilustración del tornillo de Arquímedes después de la antigüedad fue del ingeniero alemán Konrad Kyeser en su manuscrito Bellifortis de 1405. ^{[ 22 ]} Durante el Renacimiento , científicos como Leonardo da Vinci y Agostino Ramelli representaron el tornillo de Arquímedes en varios de sus libros del "teatro de la máquina", que catalogaban máquinas, y Galileo Galilei explicó la función del tornillo de Arquímedes en su Mecchanice . ^{[ 23 ]} Los molinos de pólder , que consistían en tornillos de Arquímedes impulsados ​​por molinos de viento, se utilizaron durante la Edad de Oro holandesa para el drenaje de tierras , ya que podían mover grandes cantidades de agua en bajas alturas. ^{[ 24 ]} En 1612, el jesuita italiano Sabatino de Ursis junto con el funcionario chino Xu Guangqi publicaron Métodos hidráulicos del Lejano Oeste , un libro que describía el uso del tornillo de Arquímedes en la agricultura y su construcción; ^{[ 25 ]} Aunque se publicaron otros libros, el uso del tornillo fue limitado en China y Corea, a pesar de los elogios de los eruditos. ^{[ 26 ]} Albert Koenig sugiere que el tornillo no se usó ampliamente allí porque los eruditos imperiales preferían obras de filosofía, entre otros factores como los altos costos de producción de un tornillo de Arquímedes y la impracticabilidad del diseño de Virtuvius. ^{[ 27 ]} Los comerciantes portugueses aparentemente introdujeron el tornillo de Arquímedes en Japón en 1637, ^{[ 21 ]} con rollos que datan de entre las décadas de 1730 y 1850 que sugieren que los mineros en Sado usaban el tornillo de Arquímedes para extraer oro. ^{[ 28 ]}

En 1738, Daniel Bernoulli investigó el tamaño de una bolsa de agua transportada por un tornillo hidráulico; Leonhard Euler desarrollaría más tarde una pregunta sobre la teoría del tornillo como parte de sus Quaestiones Mathematicae , 14 preguntas matemáticas que se leyeron en la Academia de San Petersburgo en 1757. ^{[ 29 ]} Sin embargo, los tornillos de Arquímedes no se usaban comúnmente como bombas de agua cuando se establecieron los primeros sistemas públicos de agua a principios del siglo XIX debido a su baja altura de impulsión. ^{[ 30 ]} El ingeniero holandés Joan Muysken investigó la eficiencia y la capacidad de descarga del tornillo de Arquímedes en 1932 y desarrolló la fórmula para la velocidad de rotación del tornillo. ^{[ 31 ]} En 1991, Karl-August Radlik presentó una patente para la turbina de tornillo de Arquímedes (AST), en la que la energía mecánica se generaría vertiendo agua desde la parte superior. ^{[ 32 ]} Los académicos señalan que el tornillo de Arquímedes se propuso como generador de energía mecánica desde 1862, ^{[ 33 ]} y se utilizó para generar energía desde principios del siglo XX en lugares como Japón. ^{[ 34 ]} Klaus Brada experimentó con el tornillo de Arquímedes como turbina entre 1993 y 1995 en la Universidad de Praga y descubrió que la mayor parte de la energía hidráulica recolectada por un tornillo puede convertirse en energía mecánica. ^{[ 35 ]}

El tornillo se utilizó históricamente como bomba de agua. ^{[ 15 ]}

Las turbinas de tornillo (AST) son un nuevo tipo de generador para pequeñas centrales hidroeléctricas que podrían aplicarse incluso en emplazamientos con poca altura de caída. La baja velocidad de rotación de las AST reduce los efectos negativos sobre la vida acuática. Si se introduce agua en la parte superior de un tornillo de Arquímedes, este girará. El eje giratorio puede utilizarse entonces para accionar un generador eléctrico. Christian Rorres y Oleson sostienen que la eficiencia del tornillo de Arquímedes como generador de energía, junto con la necesidad de que las centrales hidroeléctricas en Europa sean respetuosas con los peces, ha fomentado su uso. ^{[ 42 ]} Dicha instalación ofrece las mismas ventajas que el uso del tornillo para el bombeo: la capacidad de manejar aguas muy sucias y caudales muy variables con alta eficiencia. Settle Hydro y Torrs Hydro son dos microcentrales hidroeléctricas de tornillo inverso que operan en Inglaterra. El tornillo funciona bien como generador en alturas de caída bajas , comunes en los ríos ingleses, incluido el Támesis , que alimenta el Castillo de Windsor . ^{[ 43 ]}

Los tornillos de Arquímedes se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales porque se adaptan bien a caudales variables y a sólidos en suspensión. ^{[ 44 ]} A mayor escala, los tornillos de Arquímedes de paso decreciente se utilizan para la compactación de residuos.

Una variante del tornillo de Arquímedes también se encuentra 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. Asimismo, se utiliza en compresores de aire de tornillo rotativo .

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 es accionado por un motor para trasladar el material de un extremo al otro, siendo especialmente adecuado para el transporte de materiales granulares. También puede utilizarse para transportar líquidos. En aplicaciones de control industrial, el transportador puede funcionar como alimentador rotatorio o alimentador de caudal variable para suministrar una cantidad o velocidad medida de material a un proceso.

Esta tecnología se utiliza principalmente en piscifactorías para extraer los peces de los estanques de forma segura y transportarlos a otro lugar. Un tornillo de Arquímedes se empleó en la exitosa estabilización de la Torre Inclinada de Pisa en 2001. Se extrajeron pequeñas cantidades de subsuelo saturado por agua subterránea de la parte inferior del lado norte de la torre, y el propio peso de la torre corrigió la inclinación.

Otros inventos que utilizan el tornillo de Arquímedes incluyen el transportador de tornillo sin fin en una máquina quitanieves , el elevador de granos , la mezcladora de concreto y la fuente de chocolate .