アルキメデスのねじ

アルキメデスのねじは、アルキメデスのねじ、流体力学的ねじ、水ねじ、エジプトねじとも呼ばれ、^[1]古代エジプトで使用されていた装置であるが、紀元前234年頃に最初に説明したギリシャの数学者アルキメデスにちなんで名付けられた最も古い水力機械の1つである。^[2]これは可逆的な水力機械であり、アルキメデスのねじの設置例がいくつかあり、電力と水路の流れのニーズに応じて、ねじがポンプまたは発電機として異なる時間に動作することができます。

低地の水域から灌漑用水路に水を汲み上げる機械として、パイプ内のねじ状の表面を回転させることによって水を汲み上げます。現代では、アルキメデスのねじポンプは、廃水処理場や低地の排水に広く使用されています。逆回転すると、アルキメデスのねじ水車は、低落差の場所でも適用できる新しい形態の小型水力発電所として機能します。このような発電機は、従来の水車には理想的ではなく、高性能技術が対応していない低落差および中程度の流量を含む、広範囲の流量 (0.01 ～ 14.5 ) および落差 (0.1 m ～ 10 m) で動作します。 ${\displaystyle m^{3}/s}$${\displaystyle m^{3}/s}$

スクリューポンプは最も古い容積式ポンプです。^[1]水スクリュー、またはスクリューポンプの最初の記録は、紀元前3世紀以前のヘレニズム時代のエジプトにまで遡ります。 ^{[1] [3]}ナイル川から水を汲み上げるために使用されたエジプトのスクリューは、円筒の周りに巻かれたチューブで構成されていました。ユニット全体が回転すると、水はらせん状のチューブ内の高い位置まで汲み上げられます。エジプトの後期のスクリューポンプの設計では、頑丈な木製の円筒の外側にらせん状の溝が切られ、溝の間の表面を金属の板またはシートでしっかりと覆っていました。^[1]

一部の研究者は、この装置は古代世界の七不思議の一つであるバビロンの空中庭園の灌漑に使用されたと提案している。アッシリア王センナケリブ（紀元前704-681年）の楔形文字の碑文は、ステファニー・ダリー^[4]によって、約350年前に青銅で水ねじを鋳造したことを説明するものと解釈されている。これは、空中庭園がねじで灌漑されていたと述べているギリシャの歴史家ストラボンの考えと一致している。^[5]

スクリューポンプは後にヘレニズム時代のエジプトからギリシャに導入された。^[1]アルキメデスが紀元前234年頃エジプトを訪れた際に^[6]記述している。 ^{[7]この伝承は、}ヘレニズム時代以前にはギリシャ人がこの装置を知らなかったことを反映しているだけかもしれない。^[6]ナウクラティスのアテナイオスは、シラクサのヒエロ2世が海軍力を誇示する豪華船シラクシアの設計を依頼した経緯について、あるモスキオンの言葉を引用している。^{[8]この船は}古代に建造された最大の船と言われており、船体から漏れる可能性のある水を除去するために円筒の中に回転するスクリュー状のブレードを備えた装置を設計したアルキメデスによって進水された。 ^[9]アルキメデスのスクリューは手で回すことができ、低地の水域から灌漑用水路に水を移すのにも使用できた。^{[10] [11]}

アルキメデスはこの発明を決して主張しなかったが、200年後にディオドロスがアルキメデスの功績であると主張し、アルキメデスがエジプトでスクリューポンプを発明したと信じた。^[1]ギリシャとローマの水力スクリューの描写では、人間が外側のケースを踏んで装置全体を1つの部品として回転させることで動力を得ていることが示されており、ケースをスクリューにしっかりと取り付ける必要があった。

ドイツの技術者コンラッド・キーザーは、ベリフォルティス（1405年）でアルキメデスのスクリューにクランク機構を装備した。この機構は、足踏みでパイプを操作していた古代の方法をすぐに置き換えた。 ^[12]スクリュープロペラで駆動する世界初の海洋蒸気船はSSアルキメデスで、1839年に進水し、アルキメデスと彼のスクリューに関する研究にちなんで命名された。^[13]海上輸送の発展は、その後180年間にわたって、フォーセット、プレストン・アンド・カンパニーのダブルブレード設計と、ループプロペラによるボート船の回転推進と流量制御に対処するシャロー・マリンの特許から生まれた。ニューイングランド・ハイドロパワーが運営するメリデン・プロジェクトなどの水力発電ポンプによる発電でも、アルキメデスのスクリューを使用して、スクリューの下部ではなく上部に水を導き、スクリューを回転させている。^{[14] [15]}

アルキメデスのスクリューは、変化する流量や浮遊物質にうまく対応できるため、下水処理場で使用されています。 ^[16] スクリュータービン（AST）は、低落差の場所でも適用できる、小型水力発電所用の新しい形式の発電機です。ASTの回転速度が低いため、水生生物や魚類への悪影響が軽減されます。この技術は主に魚の養殖場で、池から魚を安全に持ち上げて別の場所に移動するために使用されています。アルキメデスのスクリューは、2001年に成功したピサの斜塔の安定化にも使用されました。地下水で飽和した少量の土層が塔の北側のはるか下から除去され、塔自体の重さで傾きが修正されました。

アルキメデスのねじを使用したその他の発明としては、除雪機のオーガーコンベア、穀物エレベーター、コンクリートミキサー、チョコレートファウンテンなどがあります。

アルキメデスのねじは、中空のパイプの中にあるねじ (中央の円筒形の軸を囲む螺旋状の面) で構成されています。ねじは通常、風車、手作業、牛、またはモーターなどの現代的な手段によって回転します。軸が回転すると、下端が水をすくい上げます。この水は、回転する螺旋によってチューブ内を上昇し、チューブの上部から流れ出ます。

ネジとパイプの接触面は、1 回転ごとにすくい上げられる水の量が、ネジの各セクションから 1 回転ごとに漏れる水の量に比べて多ければ、完全に防水である必要はありません。あるセクションから次のセクションに水が漏れた場合、その水はネジの次のセグメントによって上方に送られます。

いくつかの設計では、ネジが固定されたケース内で回転するのではなく、ネジがケースに融合され、両方が一緒に回転します。ネジはピッチ樹脂またはその他の接着剤でケースに密封されるか、ネジとケースが青銅で一体に鋳造されることがあります。

ギリシャやローマの日常的な水道用スクリューの設計は、問題のある駆動チェーンを備えたセンナケリブの重い青銅製の装置とは対照的に、非常にシンプルである。重い木の棒の周りに木片（または青銅の板）で二重または三重のらせんが作られていた。らせんの周りには、長くて狭い板を周囲に固定してピッチで防水加工した円筒が作られた。^[5]

研究によると、アルキメデス スクリューを通過する流量は、スクリューの入口の深さ、直径、回転速度の関数です。したがって、アルキメデス スクリューの設計には、次の解析方程式を使用できます。

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

はどこにあり、 ${\displaystyle D_{O}}$${\displaystyle (m)}$

${\displaystyle \omega}$: アルキメデスのねじの回転速度 (rad/s)

${\displaystyle Q}$: 体積流量${\displaystyle (m^{3}/s)}$

アルキメデスのねじの設計者が使用する共通の基準に基づくと、この解析方程式は次のように簡略化できます。^[17]

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

ηの値はグラフまたはグラフを使用して簡単に決定できます。^[17]を決定することで、アルキメデスのねじの他の設計パラメータを段階的な解析方法を使用して計算できます。 ${\displaystyle \eta}$${\displaystyle \Theta}$${\displaystyle D_{O}}$

スクリュー コンベアは、粉末や穀物などのバルク材料を輸送する同様の装置です。チューブ内に収納され、モーターによって回転してコンベアの一方の端からもう一方の端まで材料を搬送します。特に、射出成形で使用されるプラスチック顆粒などの粒状材料の輸送に適しています。液体の輸送にも使用できます。産業用制御アプリケーションでは、コンベアを回転フィーダーまたは可変速度フィーダーとして使用し、測定された速度または量の材料をプロセスに供給できます。

アルキメデスのスクリューの変種は、射出成形機、ダイカストマシン、プラスチックの押し出し機にも見られ、材料を圧縮して溶かすためにピッチが減少するスクリューを採用しています。また、回転スクリュー式エアコンプレッサーにも使用されています。より大規模なアルキメデスのピッチが減少するスクリューは、廃棄物の圧縮に使用されます。

アルキメデスのスクリューの上部に水を入れると、スクリューが回転する。回転軸は発電機の駆動に使用できる。このような設備には、スクリューをポンプに使用するのと同じ利点がある。つまり、非常に汚れた水や、流量の大きく異なる水でも高効率で処理できるということだ。セトル水力発電とトールズ水力発電は、イギリスで稼働している2つの逆スクリュー式マイクロ水力発電である。スクリューは、テムズ川などのイギリスの河川でよく見られる低落差では発電機として十分に機能し、ウィンザー城に電力を供給している。^[18]

• アルキメデスの螺旋
• スクリュー推進車両
• ねじ（単純機械）
• スパイラルポンプ
• トロイダルプロペラ
• ウィトルウィウス

• PJ Kantert:「アルキメデススクリューポンプのマニュアル」、Hirthammer Verlag 2008、ISBN 978-3-88721-896-6。 
• PJ Kantert:「Praxishandbuch Schneckenpumpe」、Hirthammer Verlag 2008、ISBN 978-3-88721-202-5。 
• PJ Kantert: 「Praxishandbuch Schneckenpumpe」 - 第 2 版 2020、DWA、ISBN 978-3-88721-888-1。 
• オルソン、ジョン・ピーター（1984）「ギリシャとローマの機械式揚水装置。技術の歴史」ドルドレヒト：D. ライデル、ISBN 90-277-1693-5
• オルソン、ジョン・ピーター (2000)、「揚水」、ウィカンダー、オルジャン(編)、『古代水技術ハンドブック』、歴史における技術と変化、第 2 巻、ライデン、pp. 217–302 (242–251)、ISBN 90-04-11123-9{{citation}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク)
• Nuernbergk, D. および Rorres C.: 「水力発電に使用されるアルキメデス スクリューの水流入の解析モデル」、ASCE Journal of Hydraulic Engineering、発行日: 2012 年 7 月 23 日
• ニュルンベルク DM: 「Wasserkraftschnecken – Berechnung und optimizer Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine」、Verlag Moritz Schäfer、デトモルト、1. Edition。 2012 年、272 冊、ISBN 978-3-87696-136-1 
• Rorres C.: 「ねじの回転: アルキメデスねじの最適設計」、ASCE 油圧工学ジャーナル、第 126 巻、第 1 号、2000 年 1 月、72 ～ 80 ページ
• ネーゲル、G. Radlik, K.: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen; Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH、ヴィースバーデン、ベルリン (1988)
• ホワイト、リン・ジュニア（1962年）『中世の技術と社会変化』オックスフォード：クラレンドン・プレス

ウィキメディア・コモンズには、アルキメデスのねじに関連するメディアがあります。

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「アルキメデスのねじ」のテキストがあります。

• 『ねじの回転: アルキメデスのねじの最適設計』、Chris Rorres 博士著。
• 「アルキメデスのねじ」、サンダー・カバイ著、Wolfram デモンストレーション プロジェクト、2007 年。
• 「アルキメデスのねじの例 さまざまな情報源、2021