مسمار أرخميدس

أصول البرغي المائي غير معروفة؛ ^{[ 2 ]} يُنسب اختراع البرغي المائي إلى أرخميدس ، لكن هذا الأمر مثير للجدل بين المؤرخين. ^{[ 3 ]} وفقًا لبوسيدونيوس ، اخترع أرخميدس البرغي المائي عندما زار مصر، ربما بين عامي 283 و246 قبل الميلاد، ^{[ 4 ]} بينما يجادل بعض الأكاديميين بأنه اخترعه بناءً على رؤية عجلة مائية تعمل. ^{[ 5 ]} ويرى أكاديميون آخرون أن أرخميدس ربما وجد المصريين يستخدمون البرغي بالفعل، مع أن عالم الآثار الكندي جون بيتر أولسون يشير إلى أنه "لم يُقدَّم أي تفسير لربط الجهاز لاحقًا بأرخميدس أو لغياب أي دليل أدبي أو أثري على وجود البرغي المائي قبل حوالي عام 250 قبل الميلاد"، ويجادل بأنه ربما كان هناك لبس في المصطلحات التي استخدمها بوسيدونيوس. ^{[ 4 ] [ ب ]} ويجادل الباحثون أيضًا بأن تحقيقات أرخميدس في اللوالب وتربيع الدائرة أدت إلى تطوير لولب أرخميدس. ^{[ 8 ]}

جادلت عالمة الآشوريات ستيفاني دالي في العديد من منشوراتها بأن نقشًا منسوبًا إلى الملك الآشوري سنحاريب يشير إلى استخدام مسابح مائية برونزية لريّ حدائق بابل المعلقة ؛ ^{[ 9 ] [ ج ]} كما فسّرت كتاب سترابو " الجغرافيا" وكتاب فيلو البيزنطي " عن عجائب الدنيا السبع " على أنهما يشيران إلى استخدام مسابح مائية في حدائق بابل المعلقة. ^{[ 12 ]} وتحت إشراف دالي، تم بناء مِسْحَار أرخميدس استنادًا إلى نقش سنحاريب كجزء من فيلم وثائقي لهيئة الإذاعة البريطانية (BBC) لتحديد ما إذا كان هذا المِسْحَار معروفًا في آشور ، حيث أشرف أوليسون على بناء مِسْحَار باستخدام وصف فيتروفيوس في كتابه "عن العمارة" . ^{[ 13 ]} اقترح الأكاديمي يامان بولوك أنه إذا كانت نظرية دالي صحيحة، فإن البراغي ستكون مزودة بفتحة في أسطوانتها الخارجية، وستكون شفراتها منفصلة عن الأسطوانة الخارجية، على عكس البرغي المصنوع في الفيلم الوثائقي لهيئة الإذاعة البريطانية (BBC)، والذي كانت شفراته متصلة بالأسطوانة الخارجية. ^{[ 14 ]}

ذكر موسكيون في كتابه "رسالة في السفينة العظيمة لهيرون السرقوسي" ، الذي كُتب بين عامي 250 و220 قبل الميلاد، أن اللولب استُخدم كمضخة تصريف في سفينة بُنيت لهيرون الثاني السرقوسي ، ^{[ 15 ]} كما سجل بوسيدونيوس وجود لوالب مائية في المناجم الإسبانية تُستخدم للصرف. ^{[ 15 ]} ويشير أوليسون إلى أنه تم العثور على بقايا أثرية للولب المائي في أراضي الإمبراطورية الرومانية مثل مصر وإسبانيا وفرنسا وإيطاليا، ^{[ 16 ]} بينما تصف النصوص الأدبية والنقوش وجود اللولب في بلاد ما بين النهرين ومصر وسوريا وإسبانيا، إلا أن عدم وجود اللوالب في روما وشمال أوروبا يوحي بأن اللولب لم يُستخدم بكثرة هناك، حيث لم تكن الري والتعدين من الأولويات في تلك المناطق. ^{[ 1 ]}

بحلول أواخر القرن الأول قبل الميلاد أو القرن الأول الميلادي، لم تكن هناك سجلات كثيرة تذكر اللولب، وفقًا لبحث أوليسون في الفيوم ؛ إذ يفترض أنه إما كان نادرًا في المدينة أو لم يكن خاضعًا للضرائب، وبالتالي لم يُسجل. ^{[ 17 ]} يصف ديودوروس استخدام لولب أرخميدس للري في دلتا النيل للمعسكرات العسكرية والمدن المجاورة في كتابه "المكتبة التاريخية" ، ^{[ 18 ]} ويصف فيتروفيوس بالتفصيل لولب أرخميدس خشبيًا بثماني شفرات في كتابه "في العمارة" ، الذي كُتب بين عامي 27 و22 قبل الميلاد. ^{[ 19 ]} أقدم تصوير للولب المائي هو لوحة جدارية في فيلا كازا دي ب. كورنيليوس تيجيس في بومبي، ويعود تاريخها إلى ما قبل عام 79 ميلادي. ^{[ 20 ]} استمر استخدام لولب أرخميدس في أوروبا حتى توقف استخدامه في نهاية القرن الثالث. ^{[ 1 ]} يرى المؤرخ لين وايت جونيور أن المسمار استمر استخدامه في إسبانيا القوطية والإسلامية ^{، [ 21 ]} بينما يفترض أوليسون أن العرب ربما أعادوا إدخال المسمار إلى أوروبا بعد فتح إسبانيا في القرن الثامن. [ ^{1 ]}

أول رسم توضيحي للولب أرخميدس بعد العصور القديمة كان من المهندس الألماني كونراد كايزر في مخطوطته "بيليفورتيس" عام 1405. ^{[ 22 ]} خلال عصر النهضة ، قام علماء مثل ليوناردو دافنشي وأغوستينو راميللي بتصوير لولب أرخميدس في العديد من كتبهم "مسرح الآلات"، التي صنفت الآلات، وشرح غاليليو غاليلي وظيفة لولب أرخميدس في كتابه " ميكانيكا " . ^{[ 23 ]} استُخدمت طواحين البولدر ، التي تتكون من لوالب أرخميدس التي تعمل بطاقة الرياح، خلال العصر الذهبي الهولندي لتصريف الأراضي نظرًا لقدرتها على تحريك كميات كبيرة من المياه برؤوس منخفضة. ^{[ 24 ]} في عام 1612، نشر اليسوعي الإيطالي ساباتينو دي أورسيس مع المسؤول الصيني شو غوانغتشي كتاب "الأساليب الهيدروليكية للغرب الأقصى" ، وهو كتاب يصف استخدام لولب أرخميدس في الزراعة وبنائه؛ ^{[ ٢٥ ]} على الرغم من نشر كتب أخرى، كان استخدام البرغي محدودًا في الصين وكوريا، رغم إشادة العلماء به. ^{[ ٢٦ ]} يشير ألبرت كونيغ إلى أن البرغي لم يُستخدم على نطاق واسع هناك لأن علماء الإمبراطورية فضلوا أعمال الفلسفة، بالإضافة إلى عوامل أخرى مثل ارتفاع تكاليف إنتاج برغي أرخميدس وعدم جدوى تصميم فيرتوفيوس. ^{[ ٢٧ ]} يُزعم أن التجار البرتغاليين أدخلوا برغي أرخميدس إلى اليابان عام ١٦٣٧، ^{[ ٢١ ]} وتشير مخطوطات يعود تاريخها إلى الفترة ما بين ثلاثينيات القرن الثامن عشر وخمسينيات القرن التاسع عشر إلى أن عمال المناجم في سادو استخدموا برغي أرخميدس في استخراج الذهب. ^{[ ٢٨ ]}

في عام ١٧٣٨، درس دانيال برنولي حجم جيب الماء الذي يحمله لولب مائي؛ وفي وقت لاحق، طرح ليونارد أويلر سؤالًا يتعلق بنظرية اللولب ضمن كتابه "Quastiones Mathematicae" ، وهو عبارة عن ١٤ سؤالًا رياضيًا قُرئت على أكاديمية سانت بطرسبرغ عام ١٧٥٧. ^{[ ٢٩ ]} مع ذلك، لم تُستخدم لوالب أرخميدس على نطاق واسع كمضخات مياه عند إنشاء شبكات المياه العامة في أوائل القرن التاسع عشر نظرًا لانخفاض ضغط الضخ. ^{[ ٣٠ ]} في عام ١٩٣٢، درس المهندس الهولندي جوان مويسكن كفاءة وسعة تصريف لولب أرخميدس، ووضع صيغة لحساب سرعة دورانه. ^{[ ٣١ ]} في عام ١٩٩١، سجل كارل أوغست رادليك براءة اختراع لتوربين لولبي أرخميدس (AST)، حيث يتم توليد الطاقة الميكانيكية عن طريق سكب الماء من الأعلى. ^{[ 32 ]} يشير الأكاديميون إلى أن لولب أرخميدس طُرح كمولد للطاقة الميكانيكية منذ عام 1862، ^{[ 33 ]} وقد استُخدم اللولب لتوليد الطاقة منذ أوائل القرن العشرين في أماكن مثل اليابان. ^{[ 34 ]} أجرى كلاوس برادا تجارب على لولب أرخميدس كتوربين بين عامي 1993 و1995 في جامعة براغ، ووجد أن معظم الطاقة الهيدروليكية التي يجمعها اللولب يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية. ^{[ 35 ]}

كان البرغي يستخدم تاريخياً كمضخة مياه. ^{[ 15 ]}

تُعدّ التوربينات اللولبية (ASTs) نوعًا جديدًا من المولدات لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، ويمكن استخدامها حتى في المواقع ذات الفوهات المنخفضة. وتُقلّل سرعة دورانها المنخفضة من آثارها السلبية على الحياة المائية. فعند ضخ الماء إلى رأس لولب أرخميدس، يُجبر اللولب على الدوران، ويمكن استخدام عمود الدوران لتشغيل مولد كهربائي. ويرى كريستيان روريس وأوليسون أن كفاءة لولب أرخميدس كمولد للطاقة، إلى جانب اشتراط أن تكون محطات الطاقة الكهرومائية في أوروبا صديقة للأسماك، قد شجّعت على استخدامه. ^{[ 42 ]} ويتمتع هذا النوع من التركيبات بنفس مزايا استخدام اللولب في الضخ: القدرة على معالجة المياه شديدة التلوث ومعدلات التدفق المتفاوتة بكفاءة عالية. وتُعدّ محطتا سيتل هيدرو وتورز هيدرو مثالين على محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة ذات اللولب العكسي العاملة في إنجلترا. ويعمل اللولب بكفاءة كمولد في الفوهات المنخفضة ، الشائعة في الأنهار الإنجليزية، بما في ذلك نهر التايمز الذي يُزوّد ​​قلعة وندسور بالطاقة . ^{[ 43 ]}

تُستخدم براغي أرخميدس في محطات معالجة مياه الصرف الصحي لأنها تتعامل بكفاءة مع معدلات التدفق المتغيرة والمواد الصلبة العالقة. ^{[ 44 ]} وعلى نطاق أوسع بكثير، تُستخدم براغي أرخميدس ذات الخطوة المتناقصة لضغط النفايات .

يُستخدم نوعٌ مُعدّل من لولب أرخميدس في بعض آلات قولبة الحقن ، وآلات صب القوالب ، وآلات بثق البلاستيك، حيث يستخدم لولبًا ذا خطوة متناقصة لضغط المادة وصهرها. كما يُستخدم أيضًا في ضاغط الهواء اللولبي الدوار .

الناقل اللولبي جهاز مشابه ينقل المواد السائبة كالمساحيق والحبوب . وهو موجود داخل أنبوب يدور بواسطة محرك لنقل المواد من أحد طرفي الناقل إلى الطرف الآخر، وهو مناسب بشكل خاص لنقل المواد الحبيبية. كما يمكن استخدامه لنقل السوائل. في تطبيقات التحكم الصناعي، يُستخدم الناقل كوحدة تغذية دوارة أو وحدة تغذية متغيرة السرعة لتوصيل كمية محددة من المواد إلى العملية.

تُستخدم هذه التقنية بشكل أساسي في مزارع الأسماك لرفع الأسماك بأمان من البرك ونقلها إلى موقع آخر. وقد استُخدمت برغي أرخميدس بنجاح في عملية تثبيت برج بيزا المائل عام ٢٠٠١. حيث أُزيلت كميات صغيرة من التربة المشبعة بالمياه الجوفية من أسفل الجانب الشمالي للبرج، وقام وزن البرج نفسه بتصحيح الميل.

وتشمل الاختراعات الأخرى التي تستخدم براغي أرخميدس ناقل المثقب في آلة نفخ الثلج ، ومصعد الحبوب ، وخلاط الخرسانة ، ونافورة الشوكولاتة .