Винт архимеда как двигатель

Архимедов винт

Архимедов винт, винт Архимеда — механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из нескольких изобретений и открытий, традиционно приписываемых Архимеду, жившему в III веке до н. э. Архимедов винт стал прообразом шнека.

Содержание

• 1 Принцип работы
• 2 Применение
• 3 См. также
• 4 Литература
• 5 Ссылки

Принцип работы [ править | править код ]

Устройство состоит из наклоненной под углом к горизонту полой трубы с винтом внутри. Она была изобретена Архимедом примерно в 250 году до н. э. либо в Греции ранее. Винт можно представить, как наклонную плоскость, навёрнутую на цилиндр.

Винт вращается обычно с помощью ветряного колеса, либо вручную. В то время, как поворачивается нижний конец трубы, он собирает некоторый объём воды. Это количество воды будет скользить вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока наконец вода не выльется из вершины трубы, снабжая ирригационную систему.

Контактная поверхность между винтом и трубой не обязана быть идеально водонепроницаемой, потому что относительно большое количество воды черпается за один поворот по отношению к угловой скорости винта. Кроме того, вода, просачивающаяся из верхней секции винта, попадает в предыдущую секцию и так далее, таким образом, в машине достигается динамическое равновесие, что препятствует уменьшению механической эффективности.

«Винт» не обязан поворачиваться внутри неподвижной оболочки, он может вращаться вместе с нею как одно целое. Винт может быть герметично прикреплён с помощью смолы или другого связующего к оболочке либо отлит из бронзы как одно целое с оболочкой, как, по предположению некоторых исследователей, были сделаны устройства, орошавшие висячие сады в Вавилоне. Изображения древнегреческих и древнеримских водяных винтов показывают, что винт двигался человеком, наступавшим на внешнюю оболочку, чтобы вращать весь аппарат как единое целое, что требовало, чтобы корпус был жестко скреплён с винтом.

Применение [ править | править код ]

Издавна архимедов винт применялся для подъёма воды в оросительные каналы. Кроме того, это устройство также использовалось для отвоёвывании земли у моря в Голландии и других местах при создании польдеров. Участок моря перекрывался дамбой, и вода удалялась из него, начинался процесс осушения земли для использования в земледелии.

Архимедовы винты использовались в установках по обработке сточных вод, потому что они успешно справляются с разными мощностями потока и с суспензиями.

Тот же принцип можно увидеть в «пескалаторах» — архимедовых винтах, предназначенных для безопасного подъёма рыбы из прудов. Эта технология применяется в основном на рыбоводных заводах (рыбопитомниках), поскольку она позволяет транспортировать рыбу, не травмируя.

Архимедов винт легко узнать в качестве гребного винта водометного движителя. Здесь он представлен почти без изменений.

В автомобильной технике архимедовы винты могут применяться вместо колес. Принцип движения шнекороторного вездехода прост. Машина оборудована двумя или более соосными с направлением движения роторами — винтами Архимеда. При вращении они отталкиваются от кашеобразной или жидкой субстанции, по которой движется вездеход, и продвигают его вперед.

Шнекоходу не страшно ничего. Там, где вязнет болотоход с огромными бескамерными шинами, где из-за неровностей рельефа не может пройти судно на воздушной подушке, шнекоход будет медленно, но верно продираться вперед. Для спасательных операций в условиях, например, северных болот, он может стать незаменимым помощником. Кроме того, полые роторы-шнеки могут служить поплавками, превращая вездеход в амфибию. Основной недостаток — это полная неспособность шнекохода передвигаться по хотя бы чуть-чуть твердой поверхности. Как только шнек «чувствует» землю, машину начинает сносить в сторону и трясти. Вроде бы этого нетрудно избежать, сделав поворотной кабину вездехода. Пусть на шнеках он идет по оси X, а по дороге катится по оси Y. Но, увы, так сделать нельзя, потому что от качения шнеки будут попросту разрушаться, теряя присущие им свойства архимедова винта. А если сделать их сверхпрочными, шнекоход будет дробить асфальт или другое покрытие. Есть и еще один недостаток: крайне низкая скорость движения при высоких энергетических затратах. Именно невозможность существования шнекохода в качестве самостоятельной транспортной единицы и не позволило подобным вездеходам получить должное распространение. В том крайне узком сегменте, где без них не обойтись, делают просто: привозят шнекоход в кузове другой машины и спускают его на воду или грязь.

Гидравлика в основе вечных двигателей

Изобретатели с самой глубокой древности пытались использовать гидравлику для изготовления такого желанного вечного двигателя. Зная о способностях воды приводить в движение водяное колесо – а такая система была основой энергетики Европы в средние века – великие ученые пытались найти способ использовать силу воды в своих целях. Правда, для этого было необходимо вначале найти способ заставить воду совершать работу вне привязки к конкретному водоему. Поскольку водяное колесо приводилось в движение потоком воды, создаваемым естественным течением реки. Поэтому все основные усилия ученых-изобретателей были направлены на то, чтобы создать ток воды без естественного источника.

Подобные изобретения, правда, появились еще в античности – винт Архимеда. Если это устройство будет соединено с водяным колесом – цикл станет замкнутым. Только останется дополнительно усовершенствовать конструкцию, добавив бассейн с водой наверху. По представлениям средневековых ученых, так можно было создать настоящий вечный двигатель, который должен работать по следующей схеме: стекая из бассейна, вода будет приводить в движение колесо, которое, в свою очередь, приведет в движение винт. Роль винта сводилась к подаче воды обратно в резервуар.

Конечно, сейчас подобная идея выглядит несколько странно и даже наивно, поскольку уже известен закон о сохранении энергии. Но в то время ученым казалось, что гидравлический вечный двигатель – вполне реальная конструкция. Поэтому над ее воплощением и бились многие ученые умы. И только нескольким было ясно, что такая машина не сможет работать. Среди провидцев был и знаменитый Леонардо да Винчи. Он также работал на вечным двигателем. В его записях найдено описание гидравлической конструкции, состоявшей из двух устройств. Одно из них (винт Архимеда) подавало воду из резервуара в чашу наверху. Второе устройство вращалось, приводимое водой в движение, а затем крутила первое устройство. А отработавшая вода вновь сливалась в резервуар.

При этом Леонардо понимал, что подобная система не будет работать на практике. Это он объяснял тем, что в отсутствии разности уровней вода работать не может. И даже дал такой воде название – мертвая. Кроме того, да Винчи понимал, что даже при идеальных условиях падающая вода может совершить лишь такую работу, которая смогла бы только подня ть наверх тот же объем жидкости. На практике же и такое оказалось невозможным, поскольку часть работы тратится на трение в опорах конструкции.

И все же несмотря на приведенные Леонардо да Винчи доказательства, многие и дальше пытались разработать гидравлический perpetuum mobile. Для этого ученые искали обходные пути, считая, что воду можно заставить подниматься обратно, если будет меньший перепад высот. Для этого конструировались каскадные системы из нескольких рабочих колес, которые последовательно соединялись с насосами. Подобную машину описал известный ученый Уилкинс. Суть его исследований сводилась к тому, что винтовой насос, состоящий из наклонной трубы с вращающимся внутри нее ротором, поднимал воду. Сам насос приводили в движение сразу несколько рабочих колес – 3. Вода на эти колеса подавалась из трех сосудов, расположенных каскадом.

Д. Уилкинс дал этому проекту однозначную оценку – гидравлический perpetuum mobile создать невозможно. Кроме того, он подсчитал, что для вращения винтового насоса необходимо в три раза больше воды, чем то ее количество, которое он подает обратно.

Жертвами заблуждений о том, что с помощью гидравлической системы можно создать настоящий perpetuum mobile, были и довольно крупные ученые, в том числе Дени Папин – создатель предохранительного клапана, центробежного насоса и первой паровой машины с поршнем и цилиндром. Кроме того, этот ученый смог установить, как зависит давление пара от температуры и показать, как на основе этого получить повышенное давление и вакуум. Удивительно, как такой гений мог работать над вечным двигателем, еще и опубликовать свой проект в научном журнале.

Идея Папина была очень простой. Он использовал систему сосудов: из широкого сосуда выходила тонкая трубка. Ее конец располагался сверху над сосудом. Ученый предполагал, что вода из широкого сосуда будет буквально выдавливать жидкость из узкой трубки из-за разности давлений. А под эту струю нужно только будет подставить водяное колесо.

На самом деле, это, естественно оказалось невозможным. Вода в широком и узком сосудах просто установилась на одном уровне, что обычно происходит в любых резервуарах, которые сообщаются между собой. В результате Папин отказался от дальнейших разработок в этой области и начал вести исследования в направлении изобретения паровой машины. Как оказалось, это принесло человечеству намного больше пользы.

Таким образом, вскоре всем ученым стало ясно, что получить вечный двигатель, даже используя гидравлические системы, невозможно. Поэтому от подобной идеи вскоре отказались. Зато гидравлика нашла свое применение практически во всех областях промышленности.

Винт архимеда как двигатель

Леонардо да Винчи и принцип невозможности вечного двигателя.
Представление о невозможности вечного двигателя является одним из самых важных положений физики, которые школа надежно вкладывает в учащихся. И у многих создается внутренняя убежденность, что тот, кто пытается построить вечный двигатель, — или неграмотный, или сумасшедший. При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки и техники многих поколений средневековых ученых.

Между тем мотивы попыток построения вечного двигателя вполне понятны. Во-первых, создание эффективных и недорогих машин и источников энергии есть одна из важнейших задач общества. (Интересно отметить, что идей и попыток разработки вечного двигателя не было в Античном мире, несмотря на существование развитых научных школ. Причина проста: широкое использование дешевой рабочей силы — рабов.) Первые изобретения в этой области отмечаются в различных странах в XII — XIII веках в связи с потребностями ремесленного производства. Во-вторых, имеется очень сильный психологический фактор — тот, кому удастся решить эту проблему, облагодетельствует человечество, и его имя останется в веках. И наконец, в-третьих, каждый может наблюдать вечные, безостановочные движения в природе: движение Луны, планет, течение рек. Если такое движение имеет место в природе, неужели же человек с техническим опытом и научными знаниями не сможет создать искусственный, рукотворный вечный двигатель? Если твоя модель не работает, попытайся внести усовершенствования. Такие мысли, возможно, подвигали многих людей, связанных с наукой и техникой, к активным поискам конструкции вечного двигателя.

Предшественники
Считается, что первая схема вечного двигателя была предложена индийцем Бхаскара около 1150 года. Как показано на рисунке 1,а, устройство должно было представлять колесо с набором трубок с тяжелой жидкостью (ртутью), закрепленных под некоторым углом к радиусу. По мнению изобретателя, перетекание жидкости в трубках должно было создать несимметрию в распределении грузов, которая и обеспечивала бы вечное вращение. Известный французский архитектор и инженер примерно через его лег предложил аналогичную схему вечного двигателя, показанную на рисунке 1,6. Предполагалось, что нечетное число грузов на колесе обеспечит несимметрию и будет причиной вечного движения. По-видимому, попытки сделать двигатель именно в виде «вечного колеса» опирались на наиболее распространенный в средневековой Европе двигатель — водяное колесо. Одна из модификаций схемы (рис. 1, в) была предложена в 1438 году из Сиены (город недалеко от Флоренции — родины Леонардо да Винчи).

Первый уровень — изучение известных или слегка измененных схем вечного двигателя типа колеса с грузами. Леонардо неоднократно бывал в крупнейших университетских центрах Италии — Болонье, Парме, Пизе, Риме, работал в библиотеках, активно общался с коллегами. Не исключено, что он изготавливал и исследовал модели различных известных двигателей. Однако ни один из них не работал. «Препятствия не могут согнуть меня. Любое препятствие вызывает усилие», — и Леонардо пошел дальше.

Второй уровень — существенные изменения в схеме колеса. Внутренняя убежденность в возможности разработки конструкции для получения вечного движения заставила Леонардо да Винчи попытаться добиться положительного результата посредством разумных существенных модификаций известных схем «вечного колеса». «Следы» таких попыток можно найти в его записях, из которых легко понять общую идею — добиться несимметрии вращающего момента с помощью введения дополнительного физического эффекта. Так, в схеме, изображенной на рисунке 2, нижняя часть колеса погружалась в воду, и выталкивающие силы, действующие на полые коробки, должны были бы создать дополнительные усилия, обеспечивающие вращение колеса.

На рисунке 4 представлен знаменитый чертеж колеса с вычислениями положения центра масс. Здесь показано, что горизонтальная координата центра масс системы грузов совпадает с положением оси (справа от оси центр масс 4 грузов находится на расстоянии 7 интервалов, слева — центр масс 7 грузов на расстоянии 4 интервалов от оси). Следовательно, вместо ожидавшегося perpetuum mobile схема представляет собой perpetuum stabile.

«Я пришел к выводу о невозможности нахождения непрерывного движения, а также вечного колеса. Поиск конструкции вечного колеса — источника вечного движения -можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили мною времени и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что с искателями золота : всегда находилась какая-либо мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания».

Далее следует довольно пространное упоминание о, по-видимому, хорошо известном в то время скандале, связанном с попыткой построить в Венеции установку, работающую на неподвижной воде. В комментарии по тому же поводу, написанном позднее сбоку мелким почерком, вода названа дословно «спокойной, на уровне моря». В основном тексте и в других местах Леонардо употребляет образный термин «мертвая вода» («aqua morta»).

Запись о неработающем двигателе на «мертвой воде» неупомянутой схемы (поскольку теперь уже для Леонардо это не имеет значения) есть свидетельство его убежденности в общности сделанного вывода.

«Какая либо мелочь (!)» — этими словами Леонардо да Винчи декларирует, что в любой известной схеме вечного двигателя и в любой схеме, которая может быть предложена в будущем, существуют некоторые внутренне присущие эффекты, накладывающие вето на вечный двигатель. На современном языке физики слова «какая-либо мелочь» могут означать разные виды неучтенных потерь или превращений энергии — таких, как тепловая энергия (нагревание, плавление, испарение), возбуждение механических и электромагнитных волн и т. п. вплоть до излучения нейтрино в ядерных процессах.

Экономим на электронасосах: винт Архимеда для подъёма воды

Устройство, называемое винтом Архимеда, мало кто использует в быту, однако это удобный механизм, который вы можете сделать своими руками на даче. Два основных варианта использования винта – осушение ям или полив участков, но также он подходит для подкачивания воды из земли. Сегодня редакция Homius расскажет, что такое винт Архимеда и как его сделать своими руками.

Что такое винт Архимеда

Винт Архимеда – механизм, с помощью которого вы сможете переносить воду из глубин воды наверх, на садовый участок. Этот метод использовался в древности и применяется сегодня в некоторых отраслях, в том числе в сельскохозяйственной индустрии, а также в рыболовстве.

Основная зона применения – осушение территорий и транспортировка воды без затрат на электричество. Винт Архимеда используется не во всех случаях, но если на вашем участке очень трудно добывать воду, либо дача находится в зоне, расположенной слишком низко над уровнем моря, то установка винта может стать настоящим спасением.

Считается, что данный механизм был изобретен Архимедом в 250 году до нашей эры. Другое название этого устройства – Архимедов винт. Чаще всего Архимедов винт используется на даче при строительстве глубокого колодца. Колодцы воздвигаются на большой глубине для того, чтобы обеспечить поток чистой воды, а винт передвигает грунтовые воды ближе к поверхности. Архимедовы винты прекрасно справляются с разными мощностями потока, поэтому также используются в установках по обработке сточных вод.

Главное преимущество винта в том, что он хорошо работает в любых условиях, даже там, где обычный болтоход вязнет. Однако скорость движения винта по сравнению со скоростью закачивания воды насосом очень медленная, поэтому, чтобы получить результат, придётся подождать. Кроме того, не получится автоматически закачивать воду – нужно крутить ручку механизма.

Принцип работы устройства

Архимедов винт – простое устройство, которое состоит из двух основных деталей – трубы и самого винта. При помощи ветряного колеса, механического или работающего вручную, винт вращается и транспортирует жидкость по спирали. При этом важно, чтобы вся конструкция располагалась под наклоном к горизонту.

Вам необязательно обеспечивать полную водонепроницаемость контактной поверхности между трубой и винтом, поскольку большая часть воды зачёрпывается за один поворот. Вода, которая просачивается из верхней части винта, сразу же попадает в следующую секцию и дальше вниз. При этом сам винт может вращаться вместе с оболочкой.

Если приобрести готовый насос, он будет состоять из двух частей – ротора и статора. Чаще всего данное устройство отливается из стали высокого качества.

Собираем винт Архимеда

Вы можете купить готовый винт в магазине или заказать его с учётом нужного вам размера, или собрать изделие самостоятельно. Сделать это совсем не сложно, с такой задачей сможет справиться даже школьник.

Чтобы собрать винт, необходимо использовать:

• бур, с помощью которого бурят лунки для рыбалки;
• прозрачную трубу;
• герметик.

Заранее приобретите бур в рыболовном магазине и только потом подбирайте трубу так, чтобы она подходила по размеру. Можно приобрести обычную сантехническую трубу длиной в 1 м. Лучше всего взять трубу с заглушками из пластика, но если такой модели нет в наличии, то заглушки вы сможете сделать самостоятельно из герметика.

Просверлите в трубе два осевых отверстия и вставьте шпильку, на которой закрепляется ручка, а затем закрепите ручку и проверьте, как она крутится. Должен возникнуть некоторый нажим, но при этом ручка не должна вращаться еле-еле, так, чтобы вам приходилось прилагать большую силу для получения воды.

ФОТО: static.360tv.ru Чтобы получить воду из колодца, вам нужно сначала покрутить рычаг самодельного насоса с винтом, а потом набрать очищенную воду в ведро

В качестве трубки для герметизации можно использовать простой поливочный шланг с диаметром в три четверти дюйма. Трубку закрепите с помощью стальных скоб. Соберите устройство таким образом, чтобы у него присутствовали две части – рабочая и направляющая. Вращая ручку, вы заставляете винт вращаться, за счёт чего в него поступает та вода, которая есть в земле, и поднимается наверх.

Колодец на даче с винтом Архимеда

Распространённый вариант использования винта Архимеда на даче – при строительстве колодца на участке для добычи воды. Вода поступает в механизм из нижних слоёв грунта. Если у вас есть проблемы с доступом к воде, вы можете построить небольшой колодец на основе винта Архимеда, это не займёт много времени и не потребует больших финансовых вложений.

ФОТО: polypipegroup.ru Подберите пластиковую трубу, подходящую по размеру, и проденьте внутрь винт. Прокрутите его несколько раз и убедитесь, что он двигается, но не болтается в трубе. Это важно для того, чтобы вода проходила по винту и не утекала по стенкам назад

Сначала нужно выбрать материал, из которого будет собран сам колодец:

• кирпич;
• бетон;
• дерево;
• камень.

Лучший вариант для дачи – русский колодец, он очень доступный, удобный и не требует больших вложений. Конструкция русского колодца включает в себя шахту глубиной не более 20 м и механизм для подъёма: замок, ворота и отмостку.

Особенности строительства колодца с винтом Архимеда:

• необходимо выкопать колодец до того уровня, где протекают грунтовые воды. Перед началом работ проводится проверка грунта, вы должны заранее решить, до какой глубины копать, чтобы получить доступ к воде и установить винтовой механизм для её подъёма наверх;
• процесс обустройства колодца включает в себя установку простейшего фильтра из гравия и песка. Затем устанавливается внешняя часть конструкции, выступающая над землёй – оголовок;
• оголовок необходимо закрыть крышкой для того, чтобы предотвратить загрязнение колодца.

Монтаж колодца лучше всего начинать либо в конце февраля, либо в августе, но не в весенний сезон. Учитывайте, что когда вы начнёте работу, её нужно будет довести до конца без перерывов. Если остановиться, можно допустить залипание колонны.

Важно понимать, что обустройство дачного колодца на основании использования винта Архимеда – технически сложный процесс, несмотря на то, что используется простое, примитивное оборудование. Если вы никогда не занимались строительством и не знаете, как собираются колодцы и из каких деталей они состоят, лучше доверьте работу профессионалу или работайте с помощником.

Несмотря на то, что сегодня в продаже есть различные насосы, которые быстро качают воду без присутствия человека, винты Архимеда продолжают использоваться некоторыми дачниками, поскольку это – лучший вариант для экономии на покупке и последующей установке дорогостоящего насоса.

Преимущества и недостатки

Если вы задумались о том, чтобы установить винт Архимеда на своем дачном участке, но не знаете, подойдёт ли эта конструкция или нет, изучите все плюсы и минусы.

ФОТО: conveyer-es.ru Для закачки воды выбирайте прочный металлический винт. Обычный, сделанный из пластика − для этих целей не подойдёт

Преимущества насоса, созданного Архимедом:

• высокий коэффициент полезного действия системы – до 70 %;
• дешёвое оборудование и процесс установки;
• простота конструкции не допускает образования засоров;
• лёгкость монтажа и демонтажа;
• низкий уровень шума;
• отсутствие вибрации.

• необходимо ставить отдельный мотор;
• вода, полученная на выходе, должна пройти фильтрацию;
• детали должны быть плотно подогнаны друг к другу.

Главный минус насоса с винтом Архимеда в том, что данная конструкция не автоматизирована. Для того чтобы получить воду, вам нужно будет качать её самостоятельно, вращая ручку. Кроме того, всю полученную из земли воду придётся фильтровать и отделять от грязи.

В заключение

Винт Архимеда – не самое современное и удобное решение, но бюджетное и простое. Если вы не хотите тратить деньги на установку мощного автоматизированного насоса, то можете собрать конструкцию для подъёма воды своими руками из обычного винта и трубы.

Использовали ли вы когда-нибудь винт Архимеда? Как относитесь к установке этого устройства на дачном участке?