Die archimedische Schraube: Erfolgsgeschichte seit fast 2500 Jahren
Die Technik entwickelt sich von Jahr zu Jahr schneller, die archimedische Schraube ist hingegen seit fast 2500 Jahren eine echte Erfolgsgeschichte. Der griechische Gelehrte Archimedes soll sie erfunden haben. Schauen wir uns die Schraube, die sogar eine Erwähnung in der DIN 1184 zu verzeichnen hat, einmal etwas genauer an.
Die archimedische Schraube arbeitet nach einem einfach physikalischen Prinzip - und das seit nahezu 2500 Jahren.
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Archimedes von Syrakus lebte im 3. Jahrhundert v. Chr. und war ein Mathematiker, Ingenieur und Physiker, der zahlreiche Entdeckungen machte. Er entwickelte das Hebelgesetz, bestimmte das spezifische Gewicht und berechnete die Zahl Pi für die Kreisberechnung. Neben seinen Beiträgen zur Mechanik und Mathematik erfand Archimedes die Wasserschraube, ein revolutionäres Gerät zur Wasserförderung, das auch als Wasserpump-, Schöpf- oder Schraubenmühle bekannt ist.
Das nach ihm benannte archimedische Prinzip fand vielfältige Anwendung. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass Wasserschnecken, eine ähnliche Technik zur Wasserhebung, schon lange vor Archimedes in der Landwirtschaft eingesetzt wurden, zum Beispiel in Mesopotamien. Diese Technik wird noch heute in Ägypten am Nil eingesetzt. Schauen wir uns nun an, wie eine archimedische Schraube funktioniert, wie sie sich im Verlaufe der Geschichte entwickelt hat und wofür sie noch heute alles verwendet wird.
So funktioniert die archimedische Schraube
Die archimedische Schraube ist eine uralte Maschine zur Wasserförderung. Grundsätzlich besteht sie aus einer Schraube in einem hohlen Zylinder. Die Schraube selbst ist so gestaltet, dass bei ihrer Drehung um die eigene Achse das Wasser am unteren Ende aufgenommen und entlang der Wendel zum höher gelegenen Ausgang transportiert wird. Konkret funktioniert das folgendermaßen:
- Aufnahme des Wassers: Am unteren Ende der Schraube befindet sich der Wassereinlass, der teilweise in das Wasser eingetaucht ist. Wenn die Schraube rotiert, greifen die Windungen der Schraube das Wasser auf.
- Transport des Wassers: Durch die kontinuierliche Drehung der Schraube bewegt sich das Wasser entlang der spiralförmigen Windung nach oben. Hierbei ist entscheidend, dass die Neigung der Schraube und die Schwerkraft zusammenwirken, um das Wasser in der Windung zu halten, während es nach oben befördert wird.
- Austritt des Wassers: Am oberen Ende der Schraube angelangt, wird das Wasser durch die Schwerkraft aus der Schraube in ein Auffangbecken oder einen Abfluss geleitet.
Physikalische Grundlagen
Die archimedische Schraube basiert auf einem einfachen, aber wirkungsvollen physikalischem Prinzip. Ihre Funktion und Effektivität lassen sich durch die Grundlagen der Mechanik und Hydrodynamik erklären:
- Schwerkraft und Adhäsion: Die Schwerkraft wirkt auf das Wasser nach unten, während die Adhäsionskraft zwischen dem Wasser und den Wänden der Schnecke dazu beiträgt, das Wasser in den Windungen zu halten, während es nach oben transportiert wird.
- Kontinuierlicher Fluss: Die kontinuierliche Drehbewegung sorgt für einen gleichmäßigen Fluss des Wassers. Der Wirkungsgrad der Schnecke hängt von der Passung zwischen Schnecke und Zylinder ab, wobei eine enge Passung zu einem effizienteren Transport führt.
- Energieumwandlung: Die mechanische Energie, die zum Drehen der Schraube aufgewendet wird (entweder durch Handarbeit, Tiere, Wind, Wasser oder moderne Motoren), wird direkt in kinetische Energie des Wassers umgewandelt, das gegen die Schwerkraft bewegt wird.
Wie lässt sich die Effizienz beeinflussen?
Der Wirkungsgrad und die maximal erreichbare Förderhöhe der Schnecke hängen von der Wandstärke und dem Durchmesser der Mittelachse ab, da diese Faktoren die Stabilität der Konstruktion bestimmen. Folgende Effizienzfaktoren lassen sich definieren:
- Steigung und Durchmesser der Schraube: Diese Dimensionen bestimmen, wie viel Wasser pro Umdrehung transportiert werden kann. Eine größere Steigung oder ein größerer Durchmesser kann den Wassertransport pro Umdrehung erhöhen, beeinflusst aber auch den benötigten Energieaufwand.
- Drehgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit der Drehung beeinflusst sowohl die Menge des geförderten Wassers als auch die Effizienz der Energieumwandlung. Zu schnelle Drehungen können zu einem Rückfluss des Wassers führen, während zu langsame Drehungen die Effizienz verringern.
Lange Zeit beschränkte man die Länge der Schnecken auf maximal 10 Meter, um ein Brechen der Konstruktion zu vermeiden. Die Erkenntnis, dass sich eine Schraube unter Last nach oben biegt, ermöglichte später den erfolgreichen Einsatz auch längerer Exemplare. So beeindruckte 1958 eine 18 Meter lange Schneckenpumpe die Fachwelt auf der Expo in Brüssel.
Konstruktionszeichnung von archimedischen Schrauben.
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Welche Materialien werden und wurden für die Herstellung von archimedischen Schrauben verwendet?
Im Verlaufe der Jahrtausende kamen verschiedene Materialien für die Herstellung von archimedischen Schrauben zum Einsatz. Die Entwicklung der Materialien über die Zeit spiegelt die technologischen Fortschritte und verfügbaren Ressourcen der jeweiligen Kulturen wider. Hier ein kurzer Überblick.
Historische Materialien
Holz: In der Antike und im Mittelalter war Holz das vorherrschende Material für die Herstellung von archimedischen Schrauben. Es war reichlich vorhanden, leicht zu bearbeiten und bot die nötige Festigkeit und Flexibilität für die Konstruktion der Schrauben und Zylinder. Die Langlebigkeit des Holzes konnte durch verschiedene Methoden, wie Imprägnierung mit Teer oder Öl, verbessert werden, um es wasserbeständiger zu machen.
Metallbeschläge: Obwohl Holz das Hauptmaterial war, wurden Metallbeschläge und -verstärkungen verwendet, um die Struktur zu sichern und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Eisen war das am häufigsten verwendete Metall für solche Beschläge.
Moderne Materialien
Metalle: Mit der industriellen Revolution und der Weiterentwicklung der Metallverarbeitung wurden Metalle wie Stahl und Edelstahl zunehmend für die Herstellung von archimedischen Schrauben verwendet. Diese Materialien bieten eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit, was sie ideal für industrielle Anwendungen und Wasserbewirtschaftungsprojekte macht.
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe: In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts führte die Entwicklung von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen zu neuen Möglichkeiten für die Herstellung von archimedischen Schrauben. Materialien wie Polyethylen, Polypropylen und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) werden wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihres geringen Gewichts und ihrer Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen geschätzt. Diese Materialien sind besonders in Anwendungen vorteilhaft, bei denen chemische Beständigkeit oder geringes Gewicht gefordert sind.
Beton: Für große archimedische Schrauben, insbesondere in Wasserkraft- und Bewässerungsanlagen, wird auch Beton eingesetzt. Beton bietet die nötige Stabilität und Langlebigkeit für solche Großprojekte und kann vor Ort in die erforderliche Form gegossen werden, was die Konstruktion vereinfacht.
Die archimedische Schraube in der Antike
Die ursprünglich aus Holz gefertigte und mit Pech versiegelte archimedische Schraube findet ihre erste dokumentierte Bauanleitung in den Werken des Marcus Vitruvius Pollio. Sein zwischen 33 und 22 v. Chr. verfasstes Werk „Zehn Bücher über Architektur“ beschreibt im zehnten Band die Herstellung der archimedischen Schraube. Demnach besteht die Achse aus einem runden Holzpfahl mit einem Durchmesser von einem Sechzehntel seiner Länge.
Der Pfahl wird sowohl im Umfang als auch in der Länge in acht gleiche Teile geteilt, so dass eine quadratische Teilung entsteht. Über diese quadratischen Schnittpunkte werden diagonal die Schraubenblätter aus flachen Weidenstreifen gespannt, die zum Schutz mit Pech versiegelt werden.
So wurde die Schraube in der Antike angetrieben
Angetrieben wurde die Schraube durch menschliche Kraft, wobei auf alten Abbildungen meist ein Mensch zu sehen ist, der die Schraube durch Treten in Bewegung setzt. Berechnungen zeigen, dass eine solche Schraube bei einem Wirkungsgrad von 40 Prozent und einer Dauerleistung von 100 Watt bis zu 10.000 Liter Wasser pro Stunde fördern konnte. Im zweiten Jahrhundert n. Chr. wurde diese Technologie vor allem im römischen Silberbergbau in Spanien eingesetzt.
Neben der Bewässerung diente die archimedische Schraube vor allem in den römischen Bergwerken und Minen auch der Entwässerung. Dies war entscheidend für die Gewinnung von Edelmetall für die Münzprägung, die die Grundlage für die römischen Eroberungen bildete. Historiker haben gut erhaltene Exemplare dieser Wasserschrauben um 1883-1884 in Südwestspanien entdeckt.
Fluttermühlen wurden in den Niederlanden und in Ostfriesland zur Entwässerung eingesetzt.
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Die archimedische Schraube im Mittelalter
Im Mittelalter kommt die archimedische Schraube ebenfalls zum Einsatz. Erste Belege für den Einsatz von Schneckenpumpen finden sich zu Beginn des 15. Jahrhunderts im Italien der Renaissance. So kamen sie zum Beispiel in Padua und im Arsenal von Venedig zum Einsatz. Es gibt Hinweise, dass diese Technologie zur gleichen Zeit auch in den Niederlanden zur Entwässerung und Landgewinnung eingesetzt wurde. Hauptsächliche Einsatzgebiete waren:
- Wassermanagement und Bewässerung
- Entwässerung und Trockenlegung
Um 1600 setzten niederländische Ingenieure, darunter Jan Adriaanszoon Leeghwater, diese Technik massiv ein, um große Landflächen trocken zu legen. Die dabei eingesetzten, durch Windkraft angetriebenen Poldermühlen wurden zu einem symbolträchtigen Element der niederländischen Landschaft.
Eine Sonderform stellten die so genannten Flutter- oder Tjaskermühlen dar, einfache und kostengünstige Konstruktionen, die von Hand nach der Windrichtung ausgerichtet werden konnten. Noch um 1880 gab es in Ostfriesland 130 solcher Entwässerungsmühlen. Ein Beispiel für eine bis heute erhaltene Anlage ist die Wedelfelder Wasserschöpfmühle in Sande. Zwei Mühlen vom Typ Tjasker können in einem Museumsdorf in der Gemeinde Ballum in Südjütland, Dänemark, besichtigt werden.
Die Fluttermühlen aus den Niederlanden
Hier ein paar Details über die Fluttermühle, die in Ostfriesland und dem nahe gelegenen Holland beheimatet war. Die Fluttermühle stellt den einfachsten Mühlentyp dar. Ihr Name leitet sich von dem friesischen Wort „fletta“ ab, das Bewegung bedeutet. Sie ist durch eine archimedische Schraube und vier bespannte Flügel gekennzeichnet und diente in den Niederungsgebieten von den Niederlanden bis Schleswig-Holstein als transportable Wasserschöpfmühle.
Als holländische Innovation des 16. Jahrhunderts diente die Fluttermühle vor allem der Entwässerung von Weideland in den Niederungspoldern Hollands und Ostfrieslands, indem sie zum „Trockenmahlen“ von tiefliegendem Land eingesetzt wurde. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts, als Motorpumpen die Fluttermühle ablösten, ermöglichte die besondere Technik der Fluttermühle den direkten vertikalen Wassertransport ohne mechanische Übersetzung, da die Schnecke direkt mit der Antriebswelle verbunden war. So konnte Grundwasser aus tieferen Lagen in höher gelegene Entwässerungsgräben gepumpt werden, eine Innovation in der landwirtschaftlichen Entwässerung.
Grundprinzip einer archimedischen Schraube.
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Bigalbaloo (YAYMicro)
Die archimedische Schraube in der Moderne
Die archimedische Schraube, einst erfunden zur Bewässerung und Trockenlegung von Land, hat ihre Nützlichkeit über Jahrhunderte hinweg bewahrt und findet heute in verschiedenen modernen Anwendungen Gebrauch. Ihre Effizienz, Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit haben sie zu einer bevorzugten Wahl in vielen Bereichen gemacht:
1. Wassermanagement und -bewässerung
In der Landwirtschaft wird die archimedische Schraube eingesetzt, um Wasser effizient von niedrigeren zu höheren Ebenen zu transportieren. Sie ermöglicht die Bewässerung von Feldern in Gebieten, die andernfalls aufgrund ihres Höhenunterschieds zum Wasser schwer zu bewässern wären.
2. Wasserkraft
Eine der innovativsten Anwendungen der archimedischen Schraube ist ihre Nutzung zur Energiegewinnung durch Wasserkraft. Durch die Umkehrung ihres Betriebsprinzips kann fließendes Wasser die Schraube antreiben, wodurch ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Diese Anlagen sind besonders umweltfreundlich, da sie auch bei geringen Fallhöhen effizient arbeiten und für aquatische Lebewesen sicher sind.
3. Fischschleusen und Fischaufstiegsanlagen
Die sanfte Bewegung der archimedischen Schraube ermöglicht den sicheren Transport von Fischen und anderen aquatischen Organismen über Dämme oder Wehre hinweg. Somit trägt sie zum Schutz der Fischpopulationen bei und unterstützt die ökologische Durchgängigkeit von Fließgewässern.
4. Abwasserbehandlung
In Kläranlagen wird die archimedische Schraube zur Förderung von Abwasser eingesetzt. Ihre Fähigkeit, Feststoffe und Flüssigkeiten effizient zu transportieren, ohne dass Verstopfungen auftreten, macht sie ideal für den Einsatz in der Abwasserbehandlung.
5. Industrielle Prozesse
Die archimedische Schraube findet auch in verschiedenen industriellen Prozessen Anwendung, etwa in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo sie zur Förderung von festen und halbfesten Materialien eingesetzt wird. Ihre sanfte Handhabung der Materialien ist besonders bei empfindlichen Produkten von Vorteil.
6. Regenwassermanagement
In städtischen Gebieten wird die archimedische Schraube zur Regenwasserbewirtschaftung eingesetzt, um Überschwemmungen zu vermeiden und Wasser in Speicherbecken oder zur Wiederaufbereitung zu leiten.
7. Geothermische Anwendungen
In geothermischen Heiz- und Kühlsystemen kann die archimedische Schraube zur Zirkulation von Wasser oder anderen Flüssigkeiten eingesetzt werden, um Wärme aus dem Boden zu extrahieren oder in ihn einzuleiten.
8. Moderne Pelletöfen
Viele moderne Pelletöfen nutzen das archimedische Prinzip: Die Förderschnecke besteht aus einem langen Rohr mit einer integrierten metallischen Spirale. Diese dreht sich um die eigene Achse und ist mit speziellen Noppen ausgestattet, welche die Pellets greifen und dann mittels der Drehung in die Brennkammer tragen.
9. Landwirtschaft
In der Landwirtschaft kommen archimedische Schrauben nicht nur zum Bewässern und Entwässern zum Einsatz, sondern zum Beispiel auch in Mähdreschern zum Befüllen und Entleeren des Korntanks.
10. Toner
Archimedische Schrauben finden wir auch in den Tonern von Laserdruckern und Kopieren. Dort transportieren sie das Tonerpulver von einem Reservoir zum Entwickler, wo es zur Bildung des Druckbildes benötigt wird.
Das waren zehn Anwendungen, für die noch heute archimedische Schrauben verwendet werden. Sicherlich gibt es noch viele weitere. Schiffsschrauben oder Propeller haben sich zum Beispiel aus der Erfindung des Archimedes entwickelt. Es lässt sich daher durchaus sagen, dass es sich dabei um eine Erfolgsgeschichte handelt, die seit fast 2500 Jahren viele Ingenieure bereichert hat.
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