アルキメデスねじで水を持ち上げる

Jul 01, 2023

Science Buddies による重力に逆らう科学プロジェクト

主要な概念物理学液体幾何学エンジニアリング

導入電気を使わずに水を上り坂に流す方法を考えられますか? 古代ギリシャ人はまさにこれを行う方法を発見しました。 彼らは水をある場所から別の場所に持ち上げるアルキメデスねじと呼ばれる装置を開発しました。 このツールは非常に便利なので、現在でも広く使用されています。 このアクティビティでは、簡単な材料を使って独自の手回しアルキメデス ネジを作ります。

背景シラクサのアルキメデスは紀元前 3 世紀に生まれました。彼は問題を解決するのが好きで、当時最も重要な発明家の 1 人でした。 王はアルキメデスに可能な限り大きな船を建造するよう要求した。 この船には水漏れがあることが判明し、アルキメデスは船から水を除去する装置を発明する必要がありました。 そこで彼は、現在アルキメデスのネジと呼ばれるものを設計しました。 水を取り除くことができ、操作も 1 人だけで済むため、非常に効果的でした。 アルキメデス スクリューはすぐに、低地から用水路まで水を輸送するためにも使用されるようになりました。 このデザインは非常に効果的であるため、現在でも使用されています。 たとえば、浄水場で廃水を汲み上げたり、遊園地の乗り物で水を汲み上げたりするためにも使用されています。 それは決して時代遅れになることのないツールです。

アルキメデスねじは容積式ポンプの一種です。 容積式ポンプは、流体を供給源から捕捉し、流体を排出位置まで強制的に移動させます。 アルキメデスのネジは、中空の円柱と螺旋部分で構成されています（螺旋は内側にあっても構いませんが、ここでは円柱の外側に置きます）。 一方の端は低い位置にある流体源に配置され、もう一方の端はより高い排出領域に向けて傾けられます。 水を動かすには、ネジを回すだけです。 スクリューが動くと、少量の水を最初のポケットにすくい上げます。 次にネジを回すと、最初の水のポケットが 2 番目のポケットに移動し、新しい水すくいが最初のポケットに入ります。 この動きが続き、最終的には最初の一すくいの水が反対側の端から出てきます。

アルキメデスのネジがどの程度うまく機能するかを決定する要素は数多くあります。たとえば、長さ、角度、半径などです。 このプロジェクトでは、独自のアルキメデスのネジを作成してデモンストレーションします。 オプションで、ネジの設計を変更して、水をより速く持ち上げる方法を見つけることもできます。

材料

準備

手順

観察と結果アルキメデスのねじはどのようにして水を上に移動させることができるのでしょうか? チューブをらせん状に曲げると、チューブの両側が上向きに曲がるため、個々のポケットが形成され、そこに水が閉じ込められる可能性があります。 ネジを横から見ると、これらのポケットが水で満たされていることがわかります。 スクリューを回転させると、空気と水のポケットが交互に捕らえられ、個々のポケットがスクリューを上って上部の容器まで移動します。 ネジをあまりにも急な角度で上に傾けると、最終的に各ポケットの片側が下向きになり、水が下に逆流してしまいます。 これは、パイプを垂直に立てると最も簡単に確認できます。水が下り坂に流れずに「閉じ込められる」場所がないことに注目してください。

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このアクティビティは、Science Buddies との提携により実現しました。

Ben Finio は、Science Buddies の上級スタッフ科学者であり、コーネル大学シブリー機械航空宇宙工学部の講師です。 Twitter @BenFinio で彼をフォローしてください。

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