아르키메데스의 나사

아르키메데스 나사는 아르키메데스 나사, 유체역학 나사, 물 나사 또는 이집트 나사로도 알려져 있으며,^[1] 가장 초기의 유압 기계 중 하나입니다. 아르키메데스 나사를^[1] 물 펌프(아르키메데스 나사 펌프(^[2]ASP) 또는 나사 펌프)로 사용한 것은 수세기 전으로 거슬러 올라갑니다. 압력을 발생시킬 수 없기 때문에 펌프가 아닙니다. 저지대의 물을 관개용 도랑으로 끌어올리는 데 사용되는 기계로서, 파이프 내부에 나사 모양의 표면을 돌려 물을 들어올립니다. 현대 세계에서 아르키메데스 나사 펌프는 폐수 처리 공장과 저지대의 탈수를 위해 널리 사용됩니다. 반대로 달리면 아르키메데스 나사 터빈은 낮은 헤드 사이트에서도 적용할 수 있는 새로운 형태의 소형 수력 발전소 역할을 합니다. 이러한 발전기는 전통적인 터빈에 이상적이지 않고 고성능 기술이 차지하지 않는 낮은 헤드와 적당한 유량을 포함하여 광범위한 흐름(0.${\displaystyle {01m3\mathrm{}}^{}s}$ ${\displaystyle$ $m$$^{3}/s}~$14$$.${\displaystyle {5m3\mathrm{}}^{}s}$ ${\displaystyle$ $m$$^{3}/s$과 헤드(0.1m~10m)에서 작동합니다. 아르키메데스 나사는 가역적인 유압 기계이며, 전력 및 수로 흐름의 필요에 따라 펌프 또는 발전기로 다른 시간에 나사가 작동할 수 있는 아르키메데스 나사 설치의 몇 가지 예가 있습니다.

아르키메데스 나사는 기원전 234년경에 처음 기술한 그리스 수학자 아르키메데스의 이름을 따서 지어졌지만, 이 장치가 그의 시대보다 훨씬 이전에 고대 이집트에서 사용되었다는 증거가 있습니다.^[3] 스크류 컨베이어는 분말과 곡물과 같은 벌크 물질을 운반하는 유사한 장치입니다.

역사

스크류 펌프는 가장 오래된 양변위 펌프입니다.^[1] 물나사 또는 스크류 펌프에 대한 최초의 기록은 기원전 3세기 이전의 헬레니즘 이집트까지 거슬러 올라갑니다.^[1][4] 나일강에서 물을 끌어올리는 데 사용되는 이집트 나사는 원통에 감긴 튜브로 구성되어 있었습니다. 장치 전체가 회전하면 나선형 튜브 내에서 물이 더 높은 고도로 올라갑니다. 나중에 이집트에서 제작된 나사 펌프 디자인은 단단한 나무 원통의 바깥쪽에 나선형의 홈을 가른 다음, 그 홈 사이의 표면을 촘촘히 덮는 판재나 금속 판재로 실린더를 덮었습니다.^[1]

일부 연구원들은 이 장치가 고대 세계 7대 불가사의 중 하나인 바빌론의 공중정원에 물을 대는 데 사용되었다고 제안했습니다. 아시리아 왕인 Sennacherrib (기원전 704년–681년)의 설형문자 비문은 Stephanie Dalley에^[5] 의해 약 350년 전 청동으로 주조된 물나사를 묘사하기 위해 해석되었습니다. 이것은 공중정원을 나사로 관개된 것으로 묘사한 고전 작가 스트라보와 일치합니다.^[6]

나사 펌프는 나중에 이집트에서 그리스로 도입되었습니다.^[1] 기원전 234년경,^[7] 이집트를 방문했을 때 아르키메데스에 의해 묘사되었습니다.^[8] 이 전통은 헬레니즘 시대 이전에 그리스인들에게 이 기구가 알려지지 않았다는 것을 반영할 수 있습니다.^[7] 아르키메데스는 자신의 발명에 대한 공로를 주장한 적이 없지만, 200년 후 디오도로스는 아르키메데스가 이집트에서 나사 펌프를 발명했다고 믿었습니다.^[1] 그리스와 로마의 물 나사를 묘사하면 사람이 외부 케이스를 밟아서 전체 장치를 하나로 만드는 동력을 얻을 수 있습니다. 이 경우 케이스가 나사에 단단히 부착되어야 합니다.

독일의 기술자 콘라트 카이저는 그의 벨리포르티스(1405)에 크랭크 메커니즘을 갖춘 아르키메데스 나사를 장착했습니다. 이 메커니즘은 트레드로 파이프를 작업하는 고대의 관행을 빠르게 대체했습니다.^[9]

설계.

아르키메데스 나사는 중공 파이프 내부의 나사(중앙 원통형 샤프트를 둘러싼 나선형 표면)로 구성됩니다. 나사는 일반적으로 풍차, 육체 노동, 소 또는 모터와 같은 현대적인 방법으로 돌립니다. 샤프트가 회전하면 하단이 많은 양의 물을 퍼 올립니다. 그러면 회전하는 헬리코이드가 튜브의 위쪽에서 쏟아질 때까지 이 물을 밀어올립니다.

스크류와 파이프의 접촉면이 완벽하게 수밀할 필요는 없습니다. 한 번 돌 때마다 퍼내는 물의 양이 한 번 돌 때마다 스크류의 각 섹션에서 새어 나오는 물의 양에 비해 많은 양이면 됩니다. 한 섹션의 물이 다음 하부 섹션으로 누출될 경우 나사의 다음 세그먼트에 의해 위쪽으로 이송됩니다.

일부 설계에서는 스크류가 고정된 케이싱 내에서 회전하는 대신에, 스크류가 케이싱에 융합되어 둘 다 함께 회전합니다. 나사는 피치 수지 또는 기타 접착제로 케이스에 밀봉할 수도 있고, 나사와 케이스는 청동으로 하나의 조각으로 주조될 수도 있습니다.

일상적인 그리스와 로마의 물 스크류의 디자인은 문제가 있는 구동 체인을 가진 센나체리브의 무거운 청동 장치와 대조적으로 매우 단순합니다. 이중 또는 삼중 나선은 무거운 나무 기둥 주위에 나무 스트립(또는 때때로 청동 시트)으로 만들어졌습니다. 원통은 주변부에 고정되고 피치로 방수 처리된 길고 좁은 판을 사용하여 나선 주위에 세워졌습니다.^[6]

연구에 따르면 아르키메데스 나사를 통과하는 유량은 나사의 입구 깊이, 직경 및 회전 속도의 함수입니다. 따라서 아르키메데스 나사를 설계하는 데 다음과 같은 해석식을 사용할 수 있습니다.

${\displaystyle D_{O}={\sqrt[{3}]{\frac {16\pi Q}{\sigma \omega (2\theta _{O}-sin2\theta _{O}-\delta ^{2}(2\theta _{i}-sin(2\theta _{i}))}}}}$

${\displaystyle {DO}_{}}$ ${\$가${\displaystyle }$(${\displaystyle m)}$ ${\displaystyle (m)}$에 있는$$ 경우:

$ω$ $displaystyle$\omega } : 아르키메데스 나사의 회전 속도(rad/s)

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$: 체적 유량$({\displaystyle m3{}^{}}$/ s${\displaystyle )}$ ${\displaystyle (m^{3}/s)}$

아르키메데스 나사 설계자들이 이 해석식을 사용하는 일반적인 기준에 따라 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.^[2]

${\displaystyle D_{O}\approxy \eta Q^{3/7}}$

η $값$은 η ${\$$displaystyle$ \eta} 그래프 또는$$θ {\displaystyle \Theta} 그래프를 $사용$하여 간단히 결정할 수 있습니다. ${\displaystyle {DO}_{}}$ ${\$를 결정하면$$단계별 분석 방법을 사용하여 아르키메데스 나사의 다른 설계 파라미터를 계산할 수 있습니다.

사용하다

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나사는 주로 관개 시스템으로 물을 운반하고 광산이나 기타 저지대에서 물을 빼는 데 사용되었습니다. 그것은 네덜란드와 다른 곳에서 꽃가루를 만드는 데 바다 밑에 있는 땅을 배수하는 데 사용되었습니다.

아르키메데스 나사는 다양한 유량과 부유 고형물에 잘 대처하기 때문에 하수 처리장에서 사용됩니다. 스노우 블로어 또는 곡물 엘리베이터의 오거는 본질적으로 아르키메데스 나사입니다. 콘크리트 믹서 트럭은 재료를 섞거나 내리기 위해 드럼 내부에 아르키메데스 나사를 사용합니다.

이 원리는 연못에서 물고기를 안전하게 들어올려 다른 장소로 운반하도록 설계된 아르키메데스 나사인 에스컬레이터에서도 발견됩니다. 이 기술은 주로 어류의 물리적 취급을 최소화하는 것이 바람직한 어류 부화장에서 사용됩니다.

아르키메데스 나사는 2001년 피사의 사탑을 안정화하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 탑의 북쪽 훨씬 아래에서 지하수에 의해 포화된 소량의 지하토가 제거되었고, 탑의 무게 자체가 희박함을 보정했습니다. 아르키메데스 나사는 초콜릿 분수에도 사용됩니다.

나사 터빈(AST)은 저헤드 현장에서도 적용할 수 있는 소형 수력 발전소용 새로운 형태의 발전기입니다. ASTs의 낮은 회전 속도는 수중 생물과 어류에 대한 부정적인 영향을 줄여줍니다.

변종

나사 컨베이어는 튜브 내에 들어 있고 컨베이어의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 물질을 전달하기 위해 모터에 의해 회전되는 아르키메데스 나사입니다. 특히 사출 성형에 사용되는 플라스틱 과립 및 곡물과 같은 과립 재료의 운송에 적합합니다. 액체를 운반하는 데도 사용할 수 있습니다. 산업 제어 응용 분야에서 컨베이어는 회전 피더 또는 가변 속도 피더로 사용되어 측정된 속도 또는 양의 재료를 프로세스로 전달할 수 있습니다.

아르키메데스 나사의 변형은 일부 사출 성형 기계, 다이캐스팅 기계 및 플라스틱 압출기에서도 찾아볼 수 있으며, 이 기계는 재료를 압축하고 녹이기 위해 피치를 감소시키는 나사를 사용합니다. 회전 나사식 공기 압축기에도 사용됩니다. 훨씬 더 큰 규모로, 아르키메데스의 감소하는 피치의 나사는 폐기물의 압축을 위해 사용됩니다.

역작용

아르키메데스 나사 상단에 물이 들어가면 나사가 강제로 회전합니다. 그런 다음 회전축을 사용하여 전기 발전기를 구동할 수 있습니다. 이러한 설비는 펌핑에 나사를 사용하는 것과 동일한 이점이 있습니다. 매우 더러운 물과 매우 다양한 유량을 높은 효율로 처리할 수 있습니다. Settle Hydro와 Torrs Hydro는 영국에서 작동하는 두 개의 역나사 마이크로 수력 체계입니다. 나사는 낮은 머리 부분에서 발전기로 잘 작동하며, 템즈강을 포함한 영국 강에서 흔히 볼 수 있으며, 윈저 성에 동력을 공급합니다.^[10]

2017년, 미국 최초의 역나사 수력발전소가 코네티컷주 메리든에 문을 열었습니다.^[11][12] Meriden 프로젝트는 New England Hypower에 의해 건설되어 운영되고 있으며 193 kW의 명판 용량과 5년의 운영 기간 동안 약 55%의 용량 계수를 가지고 있습니다.

참고 항목

• 아르키메데스 나선형
• 나사추진차량
• SS 아르키메데스 – 스크류 프로펠러로 움직이는 최초의 증기선.
• 나사(간편기)
• 나사터빈
• 나선펌프
• 트로이달 프로펠러
• 비트루비우스

메모들

원천

• P. J. Kantert: "고대 나사 펌프용 설명서", Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6.
• P. J. Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe", Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5.
• P. J. Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe" - 2nd edition 2020, DWA, ISBN 978-3-88721-888-1.
• 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", in Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History, vol. 2, Leiden, pp. 217–302 (242–251), ISBN 90-04-11123-9{{citation}}: CS1 maint: 위치 누락 게시자(링크)
• Nuernbergk, D. and Rorres C.: 수력발전에 사용되는 아르키메데스 나사의 물 유입에 대한 „해석 모델", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 출판: 2012년 7월 23일
• Nuernbergk D. M.: "바세르크래프트슈네켄 – 최적의 베레흐눙 (Berechnung und optimal der Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine), 베를라그 모리츠 셰퍼, 데트몰드, 1.판. 2012, 272 papes, ISBN 978-3-87696-136-1
• Rorres C.: "스크류의 회전: 아르키메데스 스크류의 최적설계", ASCE 유압공학 저널, 제126권, 2000년 1월 1일, pp. 72-80
• G. Nagel, G., Radlik, K.: Wasserförderschnecken – Planung, Bauund Betrieb von Wasserhebeanlagen, Berlin, Wiesbaden, Bauverlag GmbH의 Udo Pfriemer Buchverlag (1988)
• White, Lynn Jr. (1962), Medieval Technology and Social Change, Oxford: At the Clarendon Press

외부 링크

• 나사의 회전: 아르키메데스 나사의 최적 설계, Chris Rorres, PhD.
• Sandor Kabai의 "Archimedean Screw", Wolfram Demonstrations Project, 2007.
• "아르키메데스 스크루 예제 다양한 출처, 2021.