아르키메데스 나사로 물을 들어 올리세요

Jul 01, 2023

Science Buddies의 중력을 거스르는 과학 프로젝트

주요 개념물리학액체기하학공학

소개 전기를 사용하지 않고 물을 언덕 위로 흐르게 하는 방법을 생각할 수 있습니까? 고대 그리스인들은 바로 이 일을 하는 방법을 발견했습니다! 그들은 물을 한 위치에서 다른 위치로 끌어올리는 아르키메데스 나사라는 장치를 개발했습니다. 이 도구는 매우 유용하여 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있습니다. 이 활동에서는 간단한 재료로 자신만의 손으로 작동하는 아르키메데스 나사를 만들 수 있습니다.

배경 시라쿠사의 아르키메데스는 기원전 3세기에 태어났습니다. 그는 문제 해결을 좋아했으며 당시 가장 중요한 발명가 중 한 명이었습니다. 왕은 아르키메데스에게 가능한 가장 큰 배를 만들 것을 요청했습니다. 이 배는 물이 새는 것으로 판명되었고 아르키메데스는 배에서 물을 제거하는 장치를 발명해야 했습니다. 그래서 그는 우리가 지금 아르키메데스 나사라고 부르는 것을 설계했습니다. 물을 없애고 한 사람만 조작하면 되기 때문에 매우 효과적이었습니다. 아르키메데스 나사는 곧 저지대에서 관개 수로까지 물을 운반하는 데에도 사용되었습니다. 디자인은 매우 효과적이어서 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 예를 들어, 수처리 공장에서 폐수를 들어 올리는 데 사용되며 일부 놀이 공원 놀이기구에서 물을 들어 올리는 데에도 사용됩니다. 결코 스타일을 벗어나지 않은 도구입니다.

아르키메데스 나사는 용적형 펌프의 한 형태입니다. 용적형 펌프는 소스에서 유체를 가둔 다음 유체가 배출 위치로 이동하도록 강제합니다. 아르키메데스 나사는 속이 빈 원통과 나선형 부분으로 구성됩니다(나선형은 내부에 있을 수도 있지만 여기서는 원통 외부에 배치합니다). 한쪽 끝은 낮은 유체 공급원에 배치되고 다른 쪽 끝은 더 높은 배출 영역으로 기울어집니다. 물을 옮기려면 나사를 돌리기만 하면 됩니다. 나사가 움직이면서 첫 번째 주머니에 소량의 물이 퍼집니다. 나사를 다음 번 돌릴 때 첫 번째 물 주머니가 두 번째 주머니로 이동하고 새로운 물 한 국자가 첫 번째 주머니로 들어갑니다. 이 움직임은 계속되고 결국 첫 번째 물 한 국자가 다른 쪽 끝에서 나옵니다.

길이, 각도, 반경 등과 같이 아르키메데스 나사가 얼마나 잘 작동할지 결정하는 많은 요소가 있습니다. 이 프로젝트에서는 자신만의 아르키메데스 나사를 만들고 시연하게 됩니다. 선택적으로 나사 디자인을 변경하여 물을 더 빨리 들어 올리는 방법을 알아볼 수도 있습니다!

재료

준비

절차

관찰 및 결과 아르키메데스 나사는 어떻게 물을 위로 이동시킬 수 있나요? 튜빙을 나선형으로 구부리면 튜빙이 양쪽으로 위쪽으로 구부러지기 때문에 물이 갇힐 수 있는 개별 포켓이 형성됩니다. 나사를 옆에서 보면 이 주머니에 물이 가득 차 있는 것을 볼 수 있습니다. 나사를 회전시키면 공기와 물이 번갈아 가며 포켓이 갇히고 개별 포켓이 나사를 위쪽 컨테이너로 이동합니다. 나사를 너무 가파른 각도로 위로 기울이면 결국 각 포켓의 한쪽이 아래쪽을 향하게 되어 물이 다시 아래로 흐를 수 있습니다. 파이프를 수직으로 세우면 가장 쉽게 확인할 수 있습니다. 물이 아래로 흐르지 않고 "갇힐" 곳이 없다는 점에 주목하세요.

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이 활동은 Science Buddies와의 파트너십을 통해 제공되었습니다.

Ben Finio는 Science Buddies의 선임 과학자이자 Cornell University Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering의 강사입니다. 트위터 @BenFinio에서 그를 팔로우하세요.

로렌 J. 영

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