La vite di Archimede, nota anche come coclea (dal latino "cochlea", che significa "chiocciola"), è uno strumento elementare attribuito ad Archimede (287-212 a.C.).
Origini e Storia
La vite archimedea è attribuita ad Archimede sulla base delle testimonianze di Diodoro Siculo e di Ateneo di Naucrati. Recenti studi indicano però che essa potrebbe essere molto anteriore ad Archimede e che fosse utilizzata per irrigare i giardini pensili di Babilonia. Archimede potrebbe aver studiato la vite durante la sua permanenza ad Alessandria d’Egitto e potrebbe aver importato in Italia uno strumento quindi già conosciuto nel paesi del Medio Oriente. La prima descrizione nota della vite è quella che Vitruvio presenta nel De Architectura (libro X, cap. Nel corso dei secoli, la coclea è stata utilizzata con poche varianti rispetto alla macchina descritta da Vitruvio e così era anche ai tempi di Leonardo.
Gli studi di Archimede hanno un’influenza notevole nella storia della scienza sia nell’antichità, quando si prende a modello soprattutto il rigore delle sue dimostrazioni, sia nel Rinascimento quando le sue opere, pubblicate in versioni o nel testo originale, sono oggetto di grande interesse per coloro che fondano la moderna scienza sperimentale. Galileo Galilei riprende la coclea di Archimede nell’opera Le Meccaniche: nel passo “Della coclea d’Archimede per levar l’acqua”, ne dimostra il funzionamento.
Come Funziona la Vite di Archimede
Si compone di una grande vite all’interno di un tubo la cui parte inferiore è immersa nel liquido o nel materiale granulare da sollevare. La macchina è costituita da una grossa vite e disposta all’interno di un tubo, non necessariamente saldati a tenuta stagna. Il contatto tra la vite ed il tubo non deve necessariamente essere a tenuta stagna, poiché la quantità di acqua sollevata ad ogni giro è elevata rispetto alle possibili perdite.
L’energia necessaria alla rotazione può essere fornita dalla rotazione di una maniglia, da animali, da eliche di mulini a vento o da un trattore agricolo. L’energia per la rotazione può essere fornita da una maniglia, da animali, da eliche di mulini a vento o da trattori agricoli. Esistono anche varianti della vite di Archimede in posizione orizzontale, utilizzate ad esempio per movimentare materiali granulari.
Consideriamo la prima figura: Si nota che intorno alla colonna MIKH (il tubo) è avvolta la linea ILOPQRSH che rappresenta il canale in cui scorre l’acqua. Se si pone l’estremità I nell’acqua, assicurandosi che la vite stia inclinata e se la si girerà intorno ai due perni TV, l’acqua scorrerà per il canale, finché uscirà dall’estremità H. Descriveremo il triangolo ACB, da cui si genera la vite IH, in modo tale che il canale della vite sia rappresentato dalla linea AC, la cui inclinazione è data dall’angolo CAB. Se il detto angolo del triangolo ACB, sarà la terza parte o la quarta di un angolo retto, l’elevazione del canale AC sarà secondo la terza o quarta parte di un angolo retto. La pendenza del canale AC verrà annullata spostando verso il basso il punto C fino al punto B, per cui il canale AC non avrà più alcuna elevazione. Si avvolge così il triangolo intorno alla colonna (seconda figura) e si realizza la vite BAEFGHID. Se la colonna è dritta con l’estremità B nell’acqua questa non salirà verso l’estremità H, ma se inclineremo la colonna per un terzo dell’angolo retto, il movimento per il canale sarà inclinato e quindi l’acqua dal punto I al punto L si muoverà discendendo e girando la vite; le altre parti del canale si disporranno come il canale IL; quindi l’acqua via via andrà discendendo finché si troverà montata dal punto I al punto H.
Applicazioni Moderne
L’uso più comune che se ne fa è come macchina operatrice per sollevare liquidi (tipicamente acqua, in impianti di irrigazione o nel drenaggio continuo dai polder) o materiali granulari (ad esempio per sollevare cereali e confinarli nei silo), ma anche fanghi. Ancora oggi la vite di Archimede viene utilizzata in diversi contesti per sollevare sostanze agli stati solido, liquido e gassoso. In campo alimentare, si usa nei canali aperti colmi d’acqua per il trasporto di frutta e verdura. Nel caso di farine, cereali, granaglie, caffè, zucchero e granulari in genere, la coclea svolge non solo la funzione di trasporto, ma anche quella di dosatore del prodotto. Se invece si utilizzano coclee di grandissime dimensioni a cielo aperto, è possibile innalzare il livello dei bacini artificiali.
Macchina Motrice
La vite di Archimede può venir utilizzata anche in forma di macchina motrice, per trasformare l’energia potenziale di un liquido in energia meccanica, in maniera simile a quanto fatto con la ruota idraulica. Il massimo rendimento è di circa 85%. In tale forma un rotore tubolare, con saldata una vite senza fine, ruota in un contenitore metallico tubolare chiamato “trogolo”. Il liquido scorre nella turbina e, per gravità, spinge la spirale, che ha funzione di pala, facendo ruotare la turbina sul suo asse. Si tratta perciò di una turbina a gravità, in cui la pressione idrostatica generata dal volume d’acqua nei vani genera il movimento. Ciò consente a questa tipologia di turbine di operare senza necessità di essere intubate, ma utilizzando ad esempio corsi d’acqua a pelo libero. L‘acqua fluisce liberamente dall’imbocco a monte fino allo scarico a valle. Inoltre la coclea idraulica può essere applicata a dislivelli di acqua, poiché sfrutta l’energia potenziale in posizione stazionaria. Nel punto più alto, l’energia potenziale dell’acqua è massima e per effetto della conseguente caduta verso il punto più basso, viene convogliata in un rotore collegato a un generatore che trasforma l’energia cinetica - data dal movimento della coclea - in energia elettrica. Il fluido entra nella coclea, e precisamente nei suoi tre o quattro scomparti, nel punto più alto, mentre un motore, avviato da un impulso elettrico, la mette in movimento. I diversi compartimenti formano singole camere in cui l’acqua entrante spinge, grazie alla forza di gravità della terra, creando un principio di rotazione.
Turbina di Archimede
Le possibilità di applicazione di tali tipi di impianto sono molteplici. Essi si prestano per lo sfruttamento degli effluenti trattati dagli impianti di depurazione, la ristrutturazione di centrali a turbina di dimensioni ridotte, di ex dighe di irrigazione e di vecchi mulini a ruota.
Applicazioni di Leonardo Da Vinci
Il mito rinascimentale della città ideale in Leonardo si concretizza in un disegno urbanistico che, oltre al rigore geometrico, si caratterizza per la perfetta integrazione con una rete di canali che deve servire sia per scopi commerciali sia come sistema fognario. Gli edifici sono concepiti come macchine idrauliche che, per mezzo di sistemi meccanici di sollevamento, distribuiscono l’acqua in tutte le stanze e nelle botteghe artigiane dove l’energia idraulica aziona vari tipi di macchine operatrici. Questa idea leonardesca, spinge il grande scienziato a dedicarsi allo studio della coclea archimedea; così, grazie all’integrazione di un motore idraulico con due viti di Archimede, egli riesce ad automatizzare il riempimento di un serbatoio (torre), avendo sempre a disposizione una scorta d’acqua da poter essere distribuita agli utilizzatori.
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