Hãy tưởng tượng một cỗ máy không có piston, không có van, không có gioăng kín — chỉ là một ống nghiêng chứa cánh xoắn giống ruột của một chiếc vít khổng lồ. Ấy vậy mà nó nâng được nước từ thấp lên cao một cách bền bỉ, và sau hơn 2.300 năm, con cháu của nó vẫn đang chạy trong các trạm xử lý nước thải, trên những cánh đồng được tưới tiêu và cả trong các nhà máy thủy điện nhỏ. Đó là vít Archimedes — một trong những cỗ máy cổ nhất còn hiện diện trong đời sống hiện đại.

Nguồn gốc: phát minh mang tên người chưa chắc là tác giả

Truyền thống gán chiếc vít bơm nước cho Archimedes (khoảng 287–212 trước Công nguyên), nhà toán học và kỹ sư của thành Syracuse trên đảo Sicily. Sử gia Diodorus Siculus, viết khoảng hai thế kỷ sau khi Archimedes mất, kể rằng ông đã sáng chế ra dụng cụ hình xoắn ốc này khi ở Ai Cập, và người Hy Lạp gọi nó là cochlias. Một câu chuyện khác được Athenaeus ghi lại: vua Hiero II cho đóng con tàu khổng lồ Syracusia, và chính chiếc vít của Archimedes được dùng để tát nước rò rỉ trong khoang tàu — chỉ một người vận hành cũng đủ.

Bản mô tả kỹ thuật cổ nhất còn lại đến từ Vitruvius, kiến trúc sư La Mã thế kỷ 1 trước Công nguyên, người trình bày tỉ mỉ cách đóng thân vít, quấn cánh xoắn và đặt góc nghiêng trong tác phẩm Về kiến trúc. Nhờ đó, thiết bị lan khắp đế chế La Mã: người ta dùng nó để tưới ruộng ở Ai Cập và tháo nước trong các mỏ bạc ở Tây Ban Nha.

Tuy nhiên, ngày càng có nhiều học giả đặt câu hỏi về "quyền tác giả". Nhà Assyria học Stephanie Dalley đã diễn giải một bản khắc chữ hình nêm của vua Sennacherib (trị vì 704–681 trước Công nguyên) là mô tả việc đúc những chiếc vít bằng đồng để tưới Vườn treo Babylon — trước Archimedes hơn ba thế kỷ. Sử gia Strabo cũng viết rằng vườn treo được tưới bằng vít. Có thể Archimedes không phát minh từ con số không, mà đã gặp thiết bị tương tự ở Ai Cập rồi hoàn thiện và phổ biến nó. Dù sao, cái tên Archimedes đã gắn với chiếc vít này hơn hai nghìn năm.

Nguyên lý: nước leo lên bằng cách luôn luôn tụt xuống

Cấu tạo của vít Archimedes đơn giản đến mức khó tin: một trục có cánh xoắn quấn quanh như ren vít, đặt trong một ống hoặc máng nghiêng, đầu dưới ngập trong nước. Khi quay trục, nước bị giữ thành từng "túi" nhỏ giữa các vòng xoắn. Điều kỳ diệu nằm ở chỗ: túi nước ấy gần như đứng yên so với mặt đất — nó không bị nâng lên theo vòng quay, mà bề mặt xoắn cứ trượt qua bên dưới nó, khiến túi nước dịch chuyển dần dọc theo ống cho tới khi đổ ra ở đầu trên.

Galileo Galilei, khi phân tích thiết bị này vào khoảng năm 1600, đã gọi nó là "không chỉ kỳ diệu mà còn phi thường", bởi nước trong vít leo lên cao chính bằng cách liên tục… tụt xuống theo mặt nghiêng của cánh xoắn. Góc nghiêng là yếu tố quyết định hiệu quả: Vitruvius gợi ý dựng vít theo tam giác 3-4-5, tương đương khoảng 37 độ. Nghiêng quá dốc thì mỗi vòng quay nâng được ít nước; nghiêng quá thoải thì máy cồng kềnh.

Chính sự đơn giản ấy tạo nên độ bền huyền thoại. Vì nước được "bê" lên trong các túi chứ không bị ép qua khe hẹp, vít không cần độ kín khít tuyệt đối, không sợ tắc bởi rác, bùn hay cá, và hao mòn rất chậm.

Từ cánh đồng sông Nile đến tuabin phát điện

Trong thế giới cổ đại, vít Archimedes là công cụ tưới tiêu chủ lực ở đồng bằng sông Nile và là "máy bơm mỏ" không thể thiếu: tại các mỏ ở Tây Ban Nha, nhiều cặp vít xếp nối tiếp nhau từng nâng nước lên cao hàng chục mét từ các hầm lò ngập nước. Đến thời cận đại, người Hà Lan dùng vít chạy bằng cối xay gió để tháo nước cho các vùng đất thấp polder — kỹ thuật đã giúp họ giành đất từ biển.

Ngày nay, vít Archimedes hiện diện ở những nơi ít ai ngờ tới. Hàng nghìn trạm xử lý nước thải trên thế giới dùng vít cỡ lớn để nâng nước thải đầu vào, vì nó không bị tắc bởi rác như bơm cánh quạt. Nguyên lý xoắn tương tự vận hành trong các vít tải chuyển ngũ cốc, than và xi măng. Thú vị nhất là chiều ngược lại: cho nước chảy từ trên xuống qua vít, nó trở thành tuabin phát điện — loại tuabin thủy điện nhỏ đang được ưa chuộng vì quay chậm, êm và an toàn cho cá.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Chiếc tàu hơi nước đi biển đầu tiên dùng chân vịt, SS Archimedes hạ thủy năm 1839, được đặt tên để tôn vinh Archimedes và nguyên lý xoắn ốc của ông.
  • Một bức bích họa ở Pompeii có niên đại trước năm 79 sau Công nguyên vẽ cảnh người Ai Cập đạp chân vận hành một chiếc vít bơm nước.
  • Vít Archimedes đủ "hiền" để bơm cả cá sống mà không làm chúng bị thương, nên được dùng ở các thang cá và trạm thủy điện thân thiện với môi trường.
  • Leonardo da Vinci cũng từng phác thảo và cải tiến thiết kế vít Archimedes trong các sổ tay của mình.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Archimedes là người đầu tiên trên thế giới nghĩ ra vít bơm nước." Chưa chắc. Chính Archimedes không hề tự nhận công lao này trong các trước tác còn sót lại; việc gán phát minh cho ông xuất hiện khoảng 200 năm sau khi ông mất. Bản khắc thời vua Sennacherib và ghi chép của Strabo cho thấy thiết bị tương tự có thể đã tồn tại ở Lưỡng Hà và Ai Cập từ rất lâu trước đó.

Hiểu lầm: "Vít Archimedes xoáy nước lên như cái mở nút chai kéo nút bấc." Không đúng cơ chế. Nước không bị vít "kéo" lên, cũng không quay tròn cùng vít. Mỗi túi nước trượt tương đối so với cánh xoắn và gần như giữ nguyên vị trí trong không gian, chỉ tịnh tiến dọc theo trục nghiêng — đó là lý do Galileo nói nước leo lên bằng cách liên tục tụt xuống.

Nguồn tham khảo