アルキメデスの螺旋

水ねじの起源は不明である。^{[ 2 ]}アルキメデスが水ねじを発明したとされているが、歴史家の間では議論の的となっている。^{[ 3 ]}ポセイドニオスによれば、アルキメデスは紀元前283年から246年の間にエジプトを訪れた際に水ねじを発明したとされている。^{[ 4 ]}学者たちは、アルキメデスが稼働中の水車を見て水ねじを発明したと主張している。 ^{[ 5 ]}他の学者たちは、アルキメデスがエジプト人が既にねじを使用しているのを発見した可能性があると推測しているが、カナダの考古学者ジョン・ピーター・オレソンは、「この装置が後にアルキメデスと結びつけられたこと、あるいは紀元前250年頃以前に水ねじが存在したことを示す文献的または考古学的証拠が全くないことについて、説明は一切なされていない」と指摘し、ポセイドニオスが使用した用語に混乱があった可能性があると主張している。^{[ 4 ] [ b ]}学者たちはまた、アルキメデスの螺旋と円の求積に関する調査がアルキメデスの螺旋の開発につながったと主張している。 ^{[ 8 ]}

アッシリア学者ステファニー・ダリーは、いくつかの出版物の中で、アッシリア王センナケリブの碑文によれば、バビロンの空中庭園の灌漑には青銅製の水ねじが使われていたと主張した。^{[ 9 ] [ c ]}また、ストラボンの『地理誌』とビザンチウムのフィロンの『世界の七不思議について』を解釈し、バビロンの空中庭園で水ねじが使われていたことを示唆していると主張した。^{[ 12 ]}ダリーの監督の下、ベンジャミン・センナケリブの碑文に基づいてアルキメデスのねじが作られ、アッシリアでねじが知られていたかどうかを調査するBBCのドキュメンタリーの一部として、オーレソンがウィトルウィウスの『建築論』の記述を使用してねじの製作を監督した。^{[ 13 ]}学者ヤマン・ボルクは、ダリーの理論が正しければ、ネジの外筒には開口部があり、BBCのドキュメンタリーで作られたネジとは異なり、ネジの刃は外筒から分離されていたはずだと提唱した。BBCのドキュメンタリーでは、ネジの刃が外筒に接合されていた。^{[ 14 ]}

モスキオンは紀元前250年から220年の間に書かれた『シラクサのヒエロンの大船に関する論文』の中で、シラクサのヒエロン2世のために建造された船でスクリューがビルジポンプとして使用されていたと報告している^{[ 15 ]}。また、ポセイドニウスもスペインの鉱山で排水用に水スクリューが使用されていたことを記録している[15]。オーレソン^{は、エジプト}、スペイン、フランス、イタリアなどのローマ帝国の領土で水スクリューの考古学的遺物が発見されていると指摘している^{[ 16 ]}。一方、文学作品や碑文では、メソポタミア、エジプト、シリア、スペインにスクリューが存在していたと記述されているが、ローマや北ヨーロッパではスクリューが見当たらないことから、これらの地域では灌漑や鉱業があまり優先されていなかったため、スクリューはあまり利用されていなかったと考えられる^{[ 1 ] 。}

紀元前 1 世紀後半または紀元 1 世紀までに、ねじについて言及した記録は多くなかったと、オレソンのファイユームでの調査は述べている。彼は、ねじは都市では一般的ではなかったか、課税されていなかったため記録されなかったと推測している。^{[ 17 ]}ディオドロスは、彼の著書『歴史図書館』の中で、ナイル デルタの近隣の軍事キャンプや都市の灌漑にアルキメデスのねじが使用されていたことを記述している。 ^{[ 18 ]}また、ウィトルウィウスは、紀元前 27 ～ 22 年の間に書かれた著書『建築論』の中で、8 枚の刃を持つ木製のアルキメデスのねじについて詳しく述べている。 ^{[ 19 ]}水ねじの最古の描写は、紀元 79 年より前のポンペイのヴィラ カサ ディ P. コルネリウス テゲスのフレスコ画である。 ^{[ 20 ]}アルキメデスのねじは、3 世紀末に使用されなくなるまでヨーロッパで使用され続けた。^{[ 1 ]}歴史家のリン・ホワイト・ジュニアは、ねじは西ゴート王国とイスラム王国のスペインで引き続き使用されていたと主張しており、^{[ 21 ]}オレソンは、 8 世紀のスペイン征服後、アラブ人がねじをヨーロッパに再導入した可能性があると理論づけている。 ^{[ 1 ]}

古代以降、アルキメデスの螺旋の最初の図解は、ドイツの技師コンラート・カイザーが1405年に著した手稿『ベリフォルティス』に描かれている。^{[ 22 ]}ルネサンス期には、レオナルド・ダ・ヴィンチやアゴスティーノ・ラメッリといった科学者が、機械を分類した「機械劇場」と呼ばれる書籍の中でアルキメデスの螺旋を描き、ガリレオ・ガリレイは著書『メカニケ』の中でアルキメデスの螺旋の機能について説明している。^{[ 23 ]} 風車動力のアルキメデスの螺旋で構成されたポルダー水車は、オランダ黄金時代には、低い落差で大量の水を移動できるため、土地の排水に使用された。 ^{[ 24 ]} 1612年、イタリアのイエズス会士サバティーノ・デ・ウルシスは、中国の官僚徐光起とともに、農業におけるアルキメデスの螺旋の使用法とその構造を記述した書籍『極西水利法』を出版した。 ^{[ 25 ]}他の書籍も出版されたが、学者からの賞賛にもかかわらず、中国と朝鮮ではこのねじの使用は限られていた。^{[ 26 ]}アルベルト・ケーニッヒは、アルキメデスのねじの製造コストが高いことやヴィルトゥヴィウスの設計が実用的でないことなど、他の要因に加えて、帝国の学者が哲学に関する著作を好んだため、このねじはこれらの地域では広く使用されなかったと示唆している。^{[ 27 ]}ポルトガルの商人が1637年にアルキメデスのねじを日本に持ち込んだとされているが、^{[ 21 ]} 1730年代から1850年代にかけての巻物には、佐渡の鉱夫が金採掘にアルキメデスのねじを使用していたことが示唆されている。^{[ 28 ]}

1738年、ダニエル・ベルヌーイは水ねじによって運ばれる水のポケットの大きさを調査しました。レオンハルト・オイラーは後に、 1757年にペテルブルク科学アカデミーで朗読された14の数学的質問である「数学の問題」の一部として、ねじの理論に関する質問を発展させました。^{[ 29 ]}しかし、19世紀初頭に公共水道システムが初めて設立されたとき、アルキメデスのねじは揚程が低いため、水ポンプとして一般的には使用されませんでした。^{[ 30 ]}オランダのエンジニア、ヨアン・ムイスケンは1932年にアルキメデスのねじの効率と吐出能力を調査し、ねじの回転速度の公式を開発しました。^{[ 31 ]} 1991年、カール＝アウグスト・ラドリックは、上から水を注ぐことによって機械的動力が生成されるアルキメデスねじタービン（AST）の特許を出願しました。 ^{[ 32 ]}学者たちは、アルキメデスのスクリューが1862年から機械動力の発電機として提案されてきたと指摘している。^{[ 33 ]}スクリューは1900年代初頭から日本などの場所で発電に使用されてきた。^{[ 34 ]}クラウス・ブラダは1993年から1995年にかけてプラハ大学でアルキメデスのスクリューをタービンとして実験し、スクリューによって集められた水力エネルギーのほとんどが機械エネルギーに変換できることを発見した。 ^{[ 35 ]}

ねじは歴史的に水ポンプとして使用されていました。^{[ 15 ]}

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向けの新しいタイプの発電機です。ASTの回転速度が低いため、水生生物への悪影響が軽減されます。アルキメデスのスクリューの上部に水を供給すると、スクリューが回転します。回転するシャフトは、発電機を駆動するために使用できます。クリスチャン・ロレスとオレソンは、アルキメデスのスクリューの発電機としての効率性と、ヨーロッパの水力発電所が魚に優しい設計を求められていることが、その使用を促進したと提唱しています。^{[ 42 ]}このような設備は、スクリューをポンプとして使用するのと同じ利点があります。つまり、非常に汚れた水や大きく変動する流量を高効率で処理できるということです。セトル水力発電所とトールズ水力発電所は、イングランドで稼働している2つの逆スクリュー式マイクロ水力発電所です。スクリューは、ウィンザー城に電力を供給するテムズ川など、イングランドの河川でよく見られる低落差でも発電機としてうまく機能します。^{[ 43 ]}

アルキメデスのスクリューは、流量の変化や浮遊物質への対応に優れているため、下水処理場で使用されています。 ^{[ 44 ]}より大規模な場合、ピッチが徐々に小さくなるアルキメデスのスクリューは、廃棄物の圧縮に使用されます。

アルキメデス式スクリューの変形は、射出成形機、ダイカスト機、プラスチック押出成形機などにも見られ、これらの機械ではピッチが徐々に小さくなるスクリューを用いて材料を圧縮・溶融させる。また、回転式スクリュー式空気圧縮機にも使用されている。

スクリューコンベヤは、粉末や穀物などのバルク材料を搬送する同様の装置です。チューブ内に収められており、モーターによって回転することで、コンベヤの一端から他端へと材料を搬送します。特に粒状材料の搬送に適しています。液体の搬送にも使用できます。産業制御用途では、回転式フィーダーまたは可変速度フィーダーとして、一定速度または一定量の材料をプロセスに供給するために使用できます。

この技術は主に養魚場で、池から魚を安全に引き上げて別の場所へ輸送するために用いられています。アルキメデスの螺旋ポンプは、2001年にピサの斜塔の安定化に成功裏に使用されました。塔の北側地下深くから地下水で飽和した少量の土砂を取り除き、塔自体の重みで傾きを修正しました。

アルキメデスのねじを利用したその他の発明品には、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る。