Archimédův šroub
Rozpohybujte šroub a sledujte, jak se voda zachycená v závitech pomocí gravitace čerpá nahoru
Archimédův šroub je jedním z nejstarších způsobů čerpání vody. Toto jednoduché čerpadlo sestrojil a popsal Archimédés (287–212 př. n. l.). Inspiroval se ve starověkém Egyptě, kde vodu pumpovali podobným způsobem. Dříve byl Archimédův šroub důležitým prvkem na lodích, kde bylo jeho úkolem odstranění odpadní vody. Své využití má i dnes. Podobné šnekové čerpadlo najdeme třeba v brněnské čistírně odpadních vod, využívá se také k transportu zrní v kombajnech.
Co určitě vyzkoušejte
Otáčením správným směrem můžete čerpat vodu do výšky a zde stéká na další exponát Norie – velké vodní kolo, které roztáčí. Sledujte vodu, jak se šroubovicí tlačí vzhůru, a vyzkoušejte, co se stane, když začnete otáčet opačným směrem.
Úkoly k exponátu
Chcete obohatit svou návštěvu VIDA! expozice? Nachystali jsme pro vás k jednotlivým exponátům úkoly, ze kterých si můžete vytvářet pracovní listy. Jejich součástí bude i mapa expozice, díky které pak u nás konkrétní exponáty hravě najdete. Vyvinuli jsme tuto službu primárně pro učitele a jejich žáky a studenty, ale využít ji může kdokoli. Tak vzhůru do světa poznání!
Věkové doporučení: 5-6 let - Dospělý
Co se stane s vodou, když přestaneš otáčet šroubem?
Věkové doporučení: 2. třída - 5. třída
Co se stane s vodou na šroubu, když s ním přestaneš točit?
Věkové doporučení: 5-6 let - 3. třída
Co se stane s vodou, když přestaneš otáčet šroubem?
Pohledem vědce
Vidátor a doktor geologie Václav Vávra přibližuje fungování a využití Archimédova šroubu.
Jak to vzniklo?
Archimédův šroub je velmi staré, ale důmyslné zařízení, které nachází široké využití i v dnešní moderní době. Toto čerpadlo sestrojil a popsal Archimédes (287–212 př. n. l.), ale nebyl jeho vynálezcem. Inspiroval se ve starověkém Egyptě, kde podobným způsobem pumpovali vodu.
Jak to funguje?
Archimédův šroub je tvořen trubkovým hřídelem se šnekovicí, který je šikmo uložen ve vhodném korytě na dvou ložiscích. Ložiska zajišťují otáčivý pohyb, šikmost uložení bývá od 22°do 35°.
Původní využití Archimedova šroubu bylo k čerpání vody. Stejným způsobem se používá i dnes, ale jeho pohon se neprovádí mechanicky, nýbrž se otáčí pomocí elektromotoru. Dnes již samozřejmě využíváme mnohem účinnější čerpadla, některé výhody Archimédova šroubu jsou však nepřehlédnutelné. Zejména je to jeho velmi jednoduchá a robustní konstrukce, umožňující čerpat vodu až do výšky 8 metrů.
Při správném směru otáčení je voda nabírána do závitu, který tvoří asi polovinu průměru celého zařízení. Šnekovicí voda postupuje proti spádu vzhůru. Na rozdíl od ostatních čerpadel, může být voda mechanicky silně znečištěná (kal, písek, drobný štěrk, drobné předměty), což určuje jeho využití zejména v čistírnách odpadních vod.
K čemu se Archimédův šroub používá
Hlavní a původní účel šroubu jsme již zmínili – je to čerpání vody. Na úplně stejném principu pracuje šnekový dopravník, kterým se přemisťují sypké nebo kašovité materiály jako zrní, pelety, uhlí nebo chlebové těsto. Archimedův šroub tak například najdete v kombajnu, který na poli seče obilí. Až budete sedět v zubařském křesle, aby vám stomatolog vyplnil zubní kanálky, bude to dělat trochu menším šnekovým dopravníkem označovaným jako lentulo – kořenový plnič.
V 19. století Archimédův šroub posloužil jako předloha Josefu Resselovi. Český vynálezce využil princip spirály otáčející se okolo hřídele k tvorbě prvních lodních šroubů.
Archimédův šroub v energetice
Změníme-li směr otáčení Archimédova šroubu, jeho využití se významně mění. Voda natéká z horní části do šroubovice a klesá závitem směrem po spádu. Působí svojí hmotností na šroubovici, kterou pozvolna roztáčí. Na spodním konci šroubovice volně vytéká z posledního závitu, který je většinou ponořený pod hladinou spodní nádrže. Spojíme-li tento samovolný otáčivý pohyb s asynchronním generátorem, můžeme vyrábět elektrický proud.
Potenciál energie vody lze pomocí Archimedova šroubu využít tam, kde rozdíl mezi hladinami vodních nádrží je od jednoho do 8 metrů, běžně u hrází rybníků nebo menších přehrad. Hltnost takového zařízení, tedy množství proteklé vody, může být až 5000 l/s. Tomu musí samozřejmě odpovídat i konstrukce šroubu – při průtoku 100 l/s musí být jeho průměr asi 0,9 m, při průtoku 5000 l/s je to už přes 3,5 m.
Účinnost takové „elektrárny“ je až 80 % a její výkon lze snadno spočítat. Výkon šroubu ve watech je roven osminásobku součinu hltnosti (v litech za sekundu) a spádu (rozdíl výšek hladin v metrech). Pokud bude z hladiny rybníka Archimedův šroub přepouštět vodu o 6 metrů níže a bude protékat 100 litrů za vteřinu, můžeme očekávat výkon na generátoru kolem 4,8 kW. Největší konstruovaná zařízení mají výkon až 150 kW.
Nevýhodou elektrického zařízení založeného na tomto principu je jeho obtížná regulace, naopak výhodou je jeho technická jednoduchost, nenáročnost na čistotu protékající vody, nízká nebezpečnost pro vodní živočichy a vedlejším pozitivním efektem je provzdušňování vody.
Přečerpávací elektrárna
Předcházející princip připomíná přečerpávací vodní elektrárnu – podle směru otáčení šroubu teče voda do dolní nádrže nebo ji naopak čerpáme do horní nádrže. Tento princip se již několik desetiletí využívá, v České republice je nejznámější přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně v Jeseníkách. Ale jaký to vlastně dává smysl, čerpat vodu nahoru a pak ji zase pouštět zpátky?
V distribuční energetické síti jsou okamžiky, kdy je velká spotřeba energie a okamžiky, kdy je energie přebytek. Regulovat výkon velkých elektráren je technicky složité a drahé a tak nastupuje přečerpávací vodní elektrárna. Při přebytku elektrické energie v distribuční síti, spotřebovávají čerpadla elektrárny elektřinu na pumpování velkého množství vody do horní nádrže. Naopak při nedostatku energie v distribuční síti (odběrová špička) voda proudící z horní nádrže roztáčí generátor, který vyrábí a dodává elektrickou energii.
U velkých zařízení se ale nepoužívá Archimédův šroub, nejčastěji to je reverzní Francisova turbína. Má pro tento účel mnohem lepší vlastnosti. Spuštění takové elektrárny zabere jen desítky sekund, takže je velmi dynamickým prvkem v přenosové elektrické soustavě.
V posledních letech však můžeme na vodní přečerpávací elektrárny nahlížet jako na možné úložiště energie pro fotovoltaické a větrné elektrárny. Není tajemstvím, že slabinou těchto technologií je závislost na počasí a ročním období, takže čas vyrobení elektřiny se často neshoduje s časem spotřeby. Zde by přečerpávací elektrárna mohla fungovat jako veliký nabíjecí článek, do kterého je možné energii uložit a později si ji zase vyzvednout, byť s určitou ztrátou. Je to ale pořád lepší, než pálit uhlí nebo zemní plyn.
