Primi sviluppimodiFica
Il principio impiegato nell’utilizzo di un’elica a vite deriva dallo sculling. Nello sculling, una singola lama viene spostata attraverso un arco, da un lato all’altro avendo cura di continuare a presentare la lama all’acqua con l’angolo effettivo. L’innovazione introdotta con l’elica a vite era l’estensione di quell’arco attraverso più di 360° attaccando la lama ad un albero rotante. Le eliche possono avere una singola lama, ma in pratica ce ne sono quasi sempre più di una in modo da bilanciare le forze coinvolte.
L’origine dell’elica a vite inizia con Archimede, che usava una vite per sollevare l’acqua per l’irrigazione e il salvataggio delle barche, così notoriamente che divenne nota come vite di Archimede. Era probabilmente un’applicazione del movimento a spirale nello spazio (le spirali erano uno studio speciale di Archimede) a una ruota idraulica segmentata cava utilizzata per l’irrigazione dagli egiziani per secoli. Leonardo da Vinci adottò il principio di guidare il suo elicottero teorico, i cui schizzi comportavano una grande vite di tela in testa.
Nel 1661, Toogood e Hays proposero di utilizzare viti per la propulsione a getto d’acqua, anche se non come elica. Robert Hooke nel 1681 progettò un mulino ad acqua orizzontale che era notevolmente simile all’elica ad asse verticale Kirsten-Boeing progettata quasi due secoli e mezzo più tardi nel 1928; due anni dopo Hooke modificò il progetto per fornire forza motrice alle navi attraverso l’acqua. Nel 1693 un francese di nome Du Quet inventò un’elica a vite che fu provata nel 1693 ma in seguito abbandonata. Nel 1752, l’Academie des Sciences di Parigi concesse a Burnelli un premio per il progetto di una ruota a elica. All’incirca nello stesso periodo, il matematico francese Alexis-Jean-Pierre Paucton, suggerì un sistema di propulsione ad acqua basato sulla vite di Archimede. Nel 1771, l’inventore del motore a vapore James Watt in una lettera privata suggerì di usare “remi a spirale” per spingere le barche, anche se non li usò con i suoi motori a vapore, o mai implementò l’idea.
Uno dei primi pratici usi di un elica era un sottomarino soprannominato Tartaruga che è stato progettato a New Haven, nel Connecticut, nel 1775 da studente di Yale e inventore David Bushnell, con l’aiuto di clock maker, incisore, e ottone foundryman Isacco Doolittle, e con Bushnell fratello di Ezra Bushnell e nave falegname e clock maker Phineas Pratt costruzione scafo in Saybrook. La notte del 6 settembre 1776, il sergente Ezra Lee pilotò Turtle in un attacco alla HMS Eagle nel porto di New York. Turtle ha anche la particolarità di essere il primo sottomarino utilizzato in battaglia. Bushnell descrisse in seguito l’elica in una lettera dell’ottobre 1787 a Thomas Jefferson: “Un remo formato sul principio della vite era fissato nella parte anteriore della nave, il suo asse entrava nella nave ed essendo girato in un modo remava la nave in avanti, ma essendo girato nell’altro modo remava all’indietro. È stato fatto per essere girato dalla mano o dal piede.”L’elica in ottone, come tutte le parti in ottone e in movimento su Turtle, è stata realizzata dal “geniale meccanico” Issac Doolittle di New Haven.
Nel 1785, Joseph Bramah d’Inghilterra propose una soluzione di elica di una canna che attraversava la poppa sottomarina di una barca attaccata a un’elica a pale, anche se non la costruì mai.
Nel febbraio del 1800, Edward Shorter di Londra propose di utilizzare un’elica simile attaccata ad una canna inclinata verso il basso temporaneamente schierata dal ponte sopra la linea di galleggiamento e quindi senza tenuta d’acqua, e destinata solo ad assistere le navi a vela becalmed. Lo ha testato sulla nave da trasporto Doncaster a Gibilterra e a Malta, raggiungendo una velocità di 1,5 mph (2,4 km/h).
Nel 1802, l’avvocato e inventore americano John Stevens costruì una barca di 25 piedi (7,6 m) con un motore a vapore rotante accoppiato ad un’elica a quattro pale. L’imbarcazione raggiungeva una velocità di 4 mph (6,4 km/h), ma Stevens abbandonò le eliche a causa del pericolo intrinseco nell’uso dei motori a vapore ad alta pressione. Le sue navi successive erano barche a pale.
Nel 1827, l’inventore ceco-austriaco Josef Ressel aveva inventato un’elica a vite che aveva più pale fissate attorno a una base conica. Aveva testato la sua elica nel febbraio 1826 su una piccola nave che è stato guidato manualmente. Riuscì ad usare la sua elica a vite in bronzo su un battello a vapore adattato (1829). La sua nave, Civetta di 48 tonnellate lorde, raggiungeva una velocità di circa 6 nodi (11 km/h). Questa fu la prima nave guidata con successo da un’elica a vite Archimede. Dopo un nuovo motore a vapore ha avuto un incidente (incrinato saldatura del tubo) i suoi esperimenti sono stati vietati dalla polizia austro-ungarica come pericoloso. Josef Ressel era all’epoca un ispettore forestale per l’Impero austriaco. Ma prima di questo ha ricevuto un brevetto austro-ungarico (licenza) per la sua elica (1827). Morì nel 1857. Questo nuovo metodo di propulsione era un miglioramento rispetto alla ruota a pale in quanto non era così influenzato dai moti della nave o dai cambiamenti nel pescaggio mentre la nave bruciava carbone.
John Patch, un marinaio di Yarmouth, Nuova Scozia sviluppò un’elica a due pale a ventaglio nel 1832 e la dimostrò pubblicamente nel 1833, spingendo una barca a remi attraverso il porto di Yarmouth e una piccola goletta costiera a Saint John, New Brunswick, ma la sua domanda di brevetto negli Stati Uniti fu respinta fino al 1849 perché non era cittadino americano. Il suo design efficiente ha attirato elogi nei circoli scientifici americani, ma a questo punto c’erano più versioni concorrenti dell’elica marina.
Propulsori a vitamodifica
Sebbene ci siano state molte sperimentazioni con la propulsione a vite prima del 1830, poche di queste invenzioni sono state perseguite fino alla fase di test e quelle che si sono dimostrate insoddisfacenti per un motivo o per l’altro.
Nel 1835, due inventori in Gran Bretagna, John Ericsson e Francis Pettit Smith, iniziarono a lavorare separatamente sul problema. Smith è stato il primo a prendere un brevetto elica vite su 31 Maggio, mentre Ericsson, un ingegnere svedese di talento che poi lavora in Gran Bretagna, depositato il suo brevetto sei settimane più tardi. Smith costruì rapidamente un piccolo modello di barca per testare la sua invenzione, che fu dimostrata prima su uno stagno nella sua fattoria di Hendon, e più tardi alla Royal Adelaide Gallery of Practical Science di Londra, dove fu vista dal Segretario della Marina, Sir William Barrow. Dopo aver ottenuto il patrocinio di un banchiere di Londra di nome Wright, Smith poi costruito un 30 piedi (9,1 m), 6 cavalli (4.5 kW) barca canale di sei tonnellate burthen chiamato Francis Smith, che è stato dotato di un’elica in legno di suo disegno e dimostrato sul canale di Paddington da novembre 1836 a settembre 1837. A causa di un incidente fortuito, l’elica di legno di due giri fu danneggiata durante un viaggio nel febbraio 1837, e con sorpresa di Smith l’elica rotta, che ora consisteva in un solo giro, raddoppiò la velocità precedente della barca, da circa quattro miglia all’ora a otto. Smith avrebbe successivamente depositato un brevetto rivisto in linea con questa scoperta accidentale.
Nel frattempo, Ericsson costruì un piroscafo a propulsione a vite Francis B. Ogden di 45 piedi (14 m) nel 1837, e mostrò la sua barca sul Tamigi ai membri più anziani dell’Ammiragliato britannico, tra cui il geometra della Marina Sir William Symonds. Nonostante la barca raggiungesse una velocità di 10 miglia all’ora, paragonabile a quella dei piroscafi esistenti, Symonds e il suo entourage non erano impressionati. L’Ammiragliato sosteneva che la propulsione a vite sarebbe stata inefficace nel servizio oceanico, mentre lo stesso Symonds riteneva che le navi a propulsione a vite non potessero essere guidate in modo efficiente. A seguito di questo rifiuto, Ericsson costruì una seconda, più grande barca a propulsione a vite, Robert F. Stockton, e la fece salpare nel 1839 per gli Stati Uniti, dove presto sarebbe diventato famoso come progettista della prima nave da guerra a propulsione a vite della USS Princeton.
Apparentemente consapevole del punto di vista della Royal Navy che le eliche a vite si sarebbero rivelate inadatte al servizio di navigazione, Smith decise di dimostrare che questa ipotesi era sbagliata. Nel settembre 1837, portò la sua piccola nave (ora dotata di un’elica in ferro di un solo giro) in mare, vaporizzando da Blackwall, Londra a Hythe, Kent, con fermate a Ramsgate, Dover e Folkestone. Sulla via del ritorno a Londra il 25, il mestiere di Smith è stato osservato facendo progressi nei mari in tempesta da ufficiali della Royal Navy. L’interesse dell’Ammiragliato per la tecnologia fu rianimato e Smith fu incoraggiato a costruire una nave a grandezza naturale per dimostrare in modo più conclusivo l’efficacia della tecnologia.
La SS Archimedes fu costruita nel 1838 da Henry Wimshurst di Londra, come prima nave a vapore al mondo ad essere guidata da un’elica a vite.
Archimede ebbe una notevole influenza sullo sviluppo delle navi, incoraggiando l’adozione della propulsione a vite da parte della Royal Navy, oltre alla sua influenza sulle navi commerciali. Le prove con l’Archimede di Smith portarono alla famosa competizione di tiro alla fune nel 1845 tra l’HMS Rattler a vite e il piroscafo a pale HMS Alecto; il primo tirava il secondo indietro a 2,5 nodi (4,6 km/h).
Ebbe anche un’influenza diretta sulla progettazione di un’altra nave innovativa, la SS Great Britain di Isambard Kingdom Brunel nel 1843, allora la più grande nave del mondo e la prima nave a vapore a propulsione a vite ad attraversare l’Oceano Atlantico nell’agosto del 1845.
HMS Terror e HMS Erebus furono entrambe pesantemente modificate per diventare le prime navi della Royal Navy ad avere motori a vapore ed eliche a vite. Entrambi parteciparono alla spedizione perduta di Franklin, vista l’ultima volta dagli europei nel luglio 1845 vicino a Baffin Bay.
Vite elica design stabilizzato nel 1880.
Eliche senza albero
Le eliche senza albero centrale sono costituite da pale dell’elica fissate ad un anello che fa parte di un motore elettrico a forma di cerchio. Questo design è noto come un propulsore Rim-driven ed è stato utilizzato da alcune piccole navi robotiche autoguidate. Una barca con questo tipo di elica è conosciuta come una nave di superficie svitata.
Propulsori Aeronauticimodifica
La forma a profilo ritorto delle moderne eliche per aerei è stata pioniera dai fratelli Wright. Mentre alcuni ingegneri precedenti avevano tentato di modellare eliche aeree su eliche marine, i Wrights si resero conto che un’elica aerea (nota anche come airscrew) è essenzialmente la stessa di un’ala, e furono in grado di utilizzare i dati dei loro precedenti esperimenti in galleria del vento sulle ali. Hanno anche introdotto una torsione lungo la lunghezza delle lame. Ciò era necessario per garantire che l’angolo di attacco delle lame fosse mantenuto relativamente costante lungo la loro lunghezza. Le loro pale dell’elica originali erano solo circa il 5% meno efficienti rispetto all’equivalente moderno, circa 100 anni dopo. La comprensione dell’aerodinamica dell’elica a bassa velocità era abbastanza completa dagli anni ‘ 20, ma i requisiti successivi per gestire più potenza in diametro più piccolo hanno reso il problema più complesso.
Alberto Santos Dumont, un altro pioniere, applicò le conoscenze acquisite dalle esperienze con dirigibili per realizzare un’elica con albero in acciaio e pale in alluminio per il suo biplano 14 bis. Alcuni dei suoi progetti utilizzavano un foglio di alluminio piegato per le lame, creando così una forma del profilo alare. Erano pesantemente sottocamberati, e questo oltre all’assenza di torsione longitudinale li rendeva meno efficienti delle eliche Wright. Anche così, questo è stato forse il primo uso di alluminio nella costruzione di un airscrew.