FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

INFORME

TÍTULO

TORNILLO DE ARQUÍMEDES

AUTORES:

CORTÉZ IZQUIERDO, MIGUELMARCELO SANDOVAL, GILSON

SÁNCHEZ GUERRERO, JUAN CARLOS

ASESOR:

PÉREZ CAMPOMANES, GIOVENE

NUEVO CHIMBOTEPERÚ – 2015

INTRODUCCIÓN

El tornillo de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua (en sistemas de

irrigación) o algunos otros materiales, para sacar aguas de minas u otros sitios pocos

accesibles. Fue supuestamente inventado en el siglo III a.C por Arquímedes, del que recibe su

nombre.

Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano

inclinado, y que permite elevar el agua situada por debajo del eje de giro. Desde su invención

hasta ahora se ha utilizado para el bombeado de fluidos. Al tornillo de Arquímedes también se

le conoce como tornillo sin fin debido a que constituye un circuito infinito.

Girando el tornillo en el sentido descendente de la hélice (en el que se enrosca) arrastra una

cierta cantidad de agua que es vertida en el depósito elevado. Arquímedes escribió Sobre las

espirales, donde indica: “Si una línea recta que permanece fija en un extremo, se le hace girar

en el plano con velocidad constante, hasta hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha

partido, y junto con la recta que gira, se mueve un punto sobre la recta, también a velocidad

constante iniciando su movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una

espiral”.

El tornillo de Arquímedes también fue utilizado por John Burland, Ingeniero de Suelos en el

2001, para estabilizar la torre de Pisa. Se retiraron pequeñas cantidades de subsuelo saturado

de agua por debajo de la parte norte de la torre. De esta forma se corrigió su inclinación.

Asimismo fue utilizado para la recuperación de tierra en los Países Bajos.

En la actualidad sigue siendo de mucha utilidad y su diseño inicial no ha variado en gran

medida, lo que demuestra la sencillez de su funcionamiento. Asimismo muchos historiadores

sostienen que este dispositivo permitió el desarrollo posterior del taladro, un elemento

indispensable en la caja de herramientas de cualquier constructor.

El legado del Tornillo de Arquímedes sigue vigente y muchos ingenieros han comenzado a

explorar la posibilidad de utilizar un tornillo invertido para generar energía hidroeléctrica,

provocando un giro maravilloso sobre un diseño antiguo.

OBJETIVOS

Objetivo General

- Diseñar el prototipo de modelo del “Tornillo de Arquímedes” y demostrar su

funcionamiento en sistema de irrigación.

Objetivos Específicos

- Aplicar los conocimientos adquiridos en el curso “Mecánica de Fluidos” para la

elaboración del “Tornillo de Arquímedes”.

- Elevar el fluido desde un punto inferior al prototipo de sistema de irrigación aplicando

torque manual al sistema.

- Enfatizar este proyecto en nuestra futura vida profesional para aumentar el interés

hacia la mecánica de fluidos, en la aplicación de nuestra vida cotidiana, para beneficio

de las necesidades humanas.

1. EL TORNILLO DE ARQUÍMEDES

Entre los números inventos de Arquímedes es destacable el tornillo sin fin, que originalmente

fue utilizado como sistema para sacar agua de la sentina de los barcos. Recibe su nombre

porque, según nos cuenta la historia, fue ideado en el siglo III a.C. por el famoso matemático e

inventor griego, Arquímedes de Siracusa, a quien también debemos el principio de

Arquímedes.

2. HISTORIA

De acuerdo con los documentos históricos, el Rey de Siracusa le pidió a Arquímedes que

construyera un barco enorme y lujoso, diseñado para mostrar el poderío y la majestuosidad de

su ciudad natal. Arquímedes, con su comprensión sofisticada de los principios de la

flotabilidad, cumplió como era debido, pero su diseño tuvo sus problemas. La preocupación

principal fue que el barco era permeable y debió hacer frente a grandes cantidades de agua, lo

que puso en peligro la navegabilidad del buque.

Arquímedes debió hacer frente al problema utilizando su creatividad y conocimientos. Se le

ocurrió el tornillo, un dispositivo que es elegante en su simplicidad. El tornillo, operable por

una sola persona, fue perfecto para bombear el agua de la sentina. Al poco tiempo, el

dispositivo se comenzó a utilizar en la agricultura para el bombeo de agua de riego sobre una

pendiente.

3. DESCRIPCIÓN

El tornillo de Arquímedes consiste simplemente en un enorme tirabuzón que gira accionado

por una manivela situada en su parte superior. A veces, en lugar de la manivela, se colocaba

directamente un molino, de manera tal que se utilizará la fuerza del viento para hacerlo

funcionar.

El extremo inferior debe encontrarse sumergido en aquello que se desea levantar,

generalmente agua, de modo tal que el tirabuzón quede inclinado con respecto a la superficie

de lo que se desea elevar. Mientras el tirabuzón gira por acción de la manivela o del molino,

una pequeña cantidad de agua queda atrapada dentro. La inclinación del Tornillo debe ser tal

que parte del giro introduzca agua dentro del tirabuzón, y parte introduzca aire (para evitar un

efecto sifón) el siguiente giro permitirá que más agua ingrese en él, y a su vez impedirá la

salida de la que anteriormente había entrado. Cada porción de líquido queda atrapada en una

sección del cilindro o tirabuzón que al girar la arrastra hacia arriba. De este modo, luego de

El tornillo de Arquímedes gira sobre sí mismo

Agua saliente para riego de cultivos

sucesivos giros, el agua asciende poco a poco dentro del tornillo. Dado que el objetivo era

elevar el agua a una determinada altura (y no simplemente trasladarla desde un río a un

campo), se solía usar más de un Tornillo en serie, debido a las limitaciones de la máquina. Así,

el agua iba ascendiendo en etapas.

4. USOS

El tornillo todavía se utiliza en el delta del Río Nilo en Egipto, así como también para levantar

granos en molinos. Es, además, el predecesor de las mechas de los modernos taladros y

perforadoras.

Asimismo, es utilizado en las plantas de tratamiento de aguas residuales, ya que deben lidiar

con diferentes tasas de flujo y con sólidos en suspensión. Encontramos el mismo principio

aplicado en las piscifactorías donde los usan para levantar los peces de forma segura y

transportarlos a otro sitio. De esta forma se evita la manipulación física de los peces.

Asimismo, el caudal bombeado depende del nivel de agua a la entrada y de la inclinación del

tornillo, siendo una variable que puede modificarse regulando el número de revoluciones por

minuto, sin que afecte el valor máximo de rendimiento de la máquina.

Aunque mucha de la bibliografía acerca de esta herramienta menciona como inventor al

geómetra, físico y matemático griego Arquímedes de Siracusa (287-212 a.C.), parece ser que él

sólo perfeccionó el Tornillo luego de un viaje a Egipto y que lo utilizó para elevar agua y de este

modo irrigar campos y jardines. Existen hipótesis acerca de que ya era usado con anterioridad

en Egipto. Se cree que el inventor del Tornillo fue el griego Arquitas de Tarento (430-360 a.C.),

a quien también le debemos el invento de la polea.

El tornillo de Arquímedes permite que una pequeña fuerza (giro de la manivela) supere una fuerza mucho mayor (peso del agua)

EVOLUCIÓN

5. TERMINOLOGÍA

6. APLICACIONES

La aplicación de los tornillos es muy amplia:

- Estaciones de bombeo de aguas residuales.

- Elevación de agua residual en la entrada de las E.D.A.R.

- Elevación de agua para irrigación.

El avance tecnológico ha repercutido en el manejo de sistemas para aprovechamiento del recurso hídrico, creando, a partir del Tornillo de Arquímedes, un nuevo prototipo (bomba), la cual es accesible y cómoda en el uso manual.

El movimiento del tornillo suele ser gracias a un molino o por trabajo manual

Estación Depuradoras de Aguas Residuales Sistemas de elevación en parques acuáticos

- Transporte de lodos.

- Evacuación de agua sobrante.

- Turbina para producir electricidad.

- Elevación en parques acuáticos.

- Elevación de otros líquidos.

- Diversas aplicaciones industriales.

HPinc=HWC

(33000)(60)

Donde :

HPinc=Potencia para transportar en planoinclinadoH = Alturade inclinación

W=PesodelmaterialC=Capacidad real

Q= d2n14500

n0

Donde :

Q=Caudald = Diámetro del tornillo sinfin(cm)n=Frecuenciaderotación sinfin(rpm)n0=0.70

PROCESO CONSTRUCTIVO

TORNILLO DE ARQUÍMEDES

Materiales

- 2 listones de madera de 80 cm- Manguera de nivel de 3/8’’ (3.20 m)- Clavos de 2’’- Tubo PVC de 2’’ (1.4 m) - Recipiente con agua- 1 Super glue- Clavos ½’’ 11 /2 ' '

- Codo de 4‘’- 2 codos de ¾’’- Tierra de casa y piedra chancada- 4 papeles de nacimiento - MDP (Melamina) 70cm x 42 cm x 8mm

Procedimiento

1. Cortamos la cantidad de 2 linderos de maderas, con alturas de 80 cm, con la finalidad

de que sirvan de soporte al sistema.

2. Terminado el proceso anterior, accionamos la manguera de nivel de manera helicoidal

alrededor del tubo, desde la parte inferior hasta la elevación determinada. A

continuación le colocamos una manivela (manejable) al cual se le aplicará torque a fin

de hacer girar el sistema, para la elevación del fluido.

3. Construimos el prototipo del sistema de irrigación, añadiendo tierra y piedra chancada a la base de melanina, y cubriendo todo el contorno con papel de nacimiento.

4. El diseño de prototipo quedó terminado.

7. CONCLUSIONES

- Se realizó el diseño de prototipo del tornillo de Arquímedes, determinando así su

importancia en los sistemas de irrigación.

- El prototipo de proyecto es viable económica y físicamente; además, esta idea

brindaría alternativas y soluciones factibles (en relación al servicio de agua) a los

habitantes de la comunidad beneficiada, debido a que podrían transportar agua desde

un punto bajo hasta un punto elevado.

- Dependiendo del ángulo de inclinación y del torque aplicado el fluido pude trasladarse

en una n cantidad.

- Este proyecto podría servir de base en el diseño de bombas centrífugas, las cuales nos

ayudarían a drenar suelos con alto nivel freático de manera más mecanizada

(reduciendo el esfuerzo manual).

8. RECOMENDACIONES

- Es favorable la utilización de tornillos de Arquímedes, debido a su mayor eficiencia,

puesto que tienen un mayor rango de capacidad, menor coste de mantenimiento y

vida operativa muy larga.

- Gracias al trabajo de investigación, se ha adquirido conocimientos, vitales en el

proceso universitario; puesto que nos conlleva a explorar campos nunca antes

estudiados. Por tanto, sería fundamental que otros compañeros continúen con el

estudio del presente proyecto.

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANÓNIMO. El Tornillo de Arquímedes. [En línea]. Artículo, 2007. [Fecha de consulta: 20 de Junio de 2015]. Disponible en:

http://tecno_historia.blogia.com/2007/053001-el-tornillo-de-arquimedes.php

LANDUSTRIE. Tornillos de Arquímedes e Hidrotornillos. [En línea]. [Fecha de consulta: 27 de Junio de 2015]. Disponible en:

http://www.landustrie.nl/fileadmin/files/Folders/folder%20vijzels%20spaans%202012.pdf

Federico. Tornillo de Arquímedes. [En línea]. [Fecha de consulta: 21 de Junio de 2015]. Disponible en:

http://www.mdf.fisica.cnba.uba.ar/limbo/index.php?option=content&task=view&id=65

FONSECA, Franklin y SANTO, Patricio. Diseño, construcción e implementación del tornillo de Arquímedes, con el fin de elevar parámetros de potencia y eficiencia. [En línea]. Ecuador: Tesis, 2011. [Fecha de consulta: 4 de Julio de 2015]. Disponible en:

repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/4173/1/T-ESPEL-0837.pdf