La vite di Archimede, anche nota come còclea (dal latino cochlea, "chiocciola"), è uno strumento elementare inventato forse da Archimede e usato anticamente per le operazioni di "sollevamento" di acqua da fiumi o ruscelli o di materiale granulare (come sabbia o detriti), al fine di consentire l'irrigazione di campi per la loro coltivazione. Rappresenta uno dei primi esempi di pompa idraulica, ma viene utilizzata ancora oggi in svariate applicazioni anche di natura differente. In questo articolo vediamo qual è il principio fisico dietro a questa geniale invenzione e qualche curiosa applicazione moderna!
L'invenzione della vite di Archimede
Storicamente, si attribuisce l'invenzione della còclea – per l'appunto – ad Archimede, tra il 287-212 a.C circa. L'idea è probabilmente frutto delle conoscenze maturate dall'inventore durante il suo periodo in Egitto, ma le fonti storiche a disposizione non riescono a dare certezza assoluta su questo aspetto, in quanto non esistono chiari documenti che ne definiscano precisamente il momento esatto dell'invenzione e le circostanze. Quello che è certo ad oggi è che non esiste nessun riferimento ad uno strumento simile in un periodo precedente a quello di riferimento per Archimede, motivo per il quale l'invenzione tramanda oramai la sua firma da secoli.
Come funziona la coclea
Stiamo parlando di un oggetto formato da un elemento cilindrico a sezione circolare a cui è avvolta un'elica per creare dei "piani" nella sezione del cilindro. Le dimensioni dell'elica variano a seconda dell'utilizzo della coclea, così come anche la presenza o meno di un cilindro di rivestimento o di pareti laterali.
Nella sostanza, il cilindro – inclinato rispetto ad un piano orizzontale – può essere messo in rotazione e questo comporta il movimento della struttura elicoidale. Visivamente, si ha l'impressione che l'elica tenda a spostarsi (avvitarsi o svitarsi): nella realtà, la conformazione geometrica della spirale permette questa illusione. A questo effetto ottico è però collegato un particolare effetto fisico che consente lo spostamento, verso l'alto o verso il basso, del materiale contenuto all'interno delle pale dell'elica a seconda del verso imposto alla rotazione del cilindro. Questo spostamento è nei fatti generato proprio dalla conformazione dell'elica attorno al cilindro, che tende a formare dei "contenitori" durante la rotazione.
Altre applicazioni della vite di Archimede
Sebbene sia stata inizialmente pensata con l'unico scopo di "sollevare" l'acqua (come farebbe una pompa), la vite di Archimede trova oggigiorno svariate applicazioni aggiuntive. In particolare, la stessa può essere vista come:
- Una macchina operatrice, cioè viene immessa energia dall'esterno per sollevare ad esempio un fluido. In questo caso l'energia esterna viene fornita per il tramite di rotazione del cilindro centrale;
- Una macchina motrice, cioè si sfrutta il moto del fluido per gravità per generare energia meccanica (la rotazione del cilindro centrale), che può conseguentemente essere trasformata in energia elettrica, ad esempio. In questo caso abbiamo a che fare con una vera e propria turbina.
Nella sua funzione di macchina motrice, quindi, la vite di Archimede è usata oggi in diversi impianti idroelettrici come turbina. Essa funge quindi da strumento meccanico che converte l'energia di un fluido in movimento in corrente elettrica. In questi contesti, il progetto e l'ottimizzazione della coclea rivestono un ruolo fondamentale, in quanto la sua inclinazione, dimensione dell'elica e del cilindro centrale, nonché il materiale che la compone, possono sensibilmente variare il rendimento della macchina, cioè l'energia prodotta.
La coclea è anche utilizzata nella miscelazione del calcestruzzo all'interno di una betoniera. In pratica, in questo caso dapprima il cilindro viene utilizzato per consentire l'impasto ottimale delle componenti del calcestruzzo, successivamente il funzionamento "a coclea" viene attivato per permettere al calcestruzzo fluido di essere spostato dall'interno della betoniera verso l'esterno: tra i due meccanismi di funzionamento cambia semplicemente il verso di rotazione del cilindro!
Una curiosa applicazione si deve a John Burland, accademico e ingegnere geotecnico che ha partecipato ai recenti interventi di stabilizzazione della Torre di Pisa: la vite in questo caso è stata utilizzata per ottenere una rimozione di terreno negli strati profondi negli intorni della fondazione della torre, consentendo una riduzione di qualche frazione di grado della sua inclinazione, riducendone il rischio di collasso. Si utilizza in questo caso una tecnica di perforazione che è simile a quella utilizzata per la realizzazione dei pali trivellati di fondazione: delle macchine dotate di cilindri spiralati sono stati inseriti inclinati al di sotto della torre per generare una subsidenza benefica ai fini della stabilizzazione (provvisoria) della Torre.
;)
