4.1. Водяные колеса

Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию (Vitruvius), архитектору и инженеру Древнего Мира, жившему во времена Юлия Цезаря (Julius Caesar) и императора Августа (Emperor Augustus). Однако многие ученые предполагают, что эту машину изобрели не римляне, а «варвары», жившие в Северной Италии (древняя Галлия Цизальпийская). В этой части полуострова имеется много полноводных рек в отличие от засушливого античного Средиземноморья. По версии французского историка Жака ле Гоффа (Hoff) водяная мельница с горизонтальным колесом и вертикальным валом была известна в Иллирии со II в. до н. э., а в Малой Азии с I в. до н. э.

Рис. 4.1. Виды водяных колес

На водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. До нашего времени дошли стихи одного из античных поэтов, македонянин Антипатр Фесалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду, свидетельствующую о древности этого устройства:

Дайте рукам отдохнуть, мукомолки; спокойно дремлите,

Хоть бы про близкий рассвет громко петух голосил:

Нимфам пучины речной ваш труд поручила Деметра;

Как зарезвились они, обод крутя колеса!

Видите? Ось завертелась, а оси крученые спицы

С рокотом движут глухим тяжесть двух пар жерновов.

Снова нам век наступил золотой: без труда и усилий

Начали снова вкушать дар мы Деметры святой.

Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным – технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.

Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году – тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции – она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке.

Первое упоминание о гидросиловой установке в Москве относится к 1389 г.: Дмитрий Донской завещает своей жене село с мельницей на реке Яуза. Первое упоминание об использовании водяного колеса не для помола зерна, а для производства бумаги в нашей стране датируется 1564 г. Недавно в Москве на берегу реки Хапиловки, убранной в трубу, сооружен памятник легендарному мельнику Хапило, который изображен на фоне водяного колеса.

По всей вероятности толчком для создания помимо необходимости иметь устройство для помола зерна явилось наблюдение за действием потока воды на подвижные и неподвижные деревянные предметы: стволы деревьев, перегородки каналов, опоры мостов и т. д. Витрувий довольно подробно описывает устройство и изготовление водяного колеса для мукомольной мельницы. К валу из тщательно обтесанного или обточенного на токарном станке бревна прикрепляются радиально четыре или восемь досок, которые соединяются с двумя плоскими кольцевыми щеками. Между щек укрепляются радиально или с наклоном плоские лопасти или лопатки. Часто, при малых размерах, щеки отсутствуют. Концы вала обиваются железом. Вал устанавливается на станине в подшипниках, которые изнутри также обиваются железом. Вал может располагаться вертикально (тогда колесо вращается в горизонтальной плоскости) или горизонтально (тогда колесо вращается в вертикальной плоскости. В первом случае вода к колесу подводится по специальному каналу, во втором случае колесо находится непосредственно в реке. Вертикальный вал легко соединяется с мельничными жерновами, однако скорость вращения водяного колеса (до 8 оборотов в мин.) мала для большинства орудий. В случае же применения зубчатой передачи преимущество колес с горизонтальной осью становится бесспорным. Поэтому этот вид водяного колеса стал очень быстро основным. Иногда вместо боковых щек вал соединялся с цилиндрическим ободом, на наружной поверхности которого размещались лопатки.

Мощность горизонтально расположенного колеса с вертикальным валом не превышала 1 л.с., коэффициент полезного действия составлял от 5 % до 15 %.Наибольшее распространение получили подливные или нижнебойные колеса и наливные или верхнебойные. Первые были проще и требовали меньше затрат на изготовление. Подливные колеса могли работать в любых потоках при умеренной величине скорости воды. Наиболее эффективны они были в узких протоках и каналах. Мощность нижнебойного колеса обычно составляла 3–5 л.с., а кпд – 20–30 %. В верхнебойных колесах вода падала сверху на лопатки или на черпаки, приделанные к ободу колеса. Колесо приводилось в движение как за счет ударного действия струи воды, так и под действием силы тяжести. Для работы верхнебойных колес нужно поднимать уровень воды при помощи плотин, поэтому затраты на сооружение мельницы были больше, чем при использовании подливных колес. Разумеется, повышались и показатели эффективности. При высоте падения воды от 3 до 12 метров верхнебойные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 % при мощности до 40 л.с.

Иногда применялись среднебойные колеса, в которых вода подводилась сверху, но не к верхней точке колеса, а к средней. Такие машины требовали меньших строительных затрат. Самое мощное в мире водяное колесо (450 л.с.) было построено по этой схеме в России в г. Нарве. Диаметр колеса был 9,2 м., ширина – 7,6 м. При напоре около 5 м. частота вращения достигала 4 оборотов в минуту.

Первые водяные колеса делались целиком из дерева. В XIX в. появились металлические колеса, они были более быстроходными: до 20 оборотов в минуту у колес для прокатных станов.

Рис. 4.2. Средневековое водяное колесо

В X в. «Сен-Бертинские анналы» описывали сооружение аббатом водяной мельницы близ Сент-Омера как «дивное зрелище нашего времени». В XI–XIV вв. происходит интенсивное распространение водяных мельниц в Европе. Так в X в. в одном из кварталов Руана существовало две мельницы, в XII в. появляются пять новых, в XIII – еще пять новых, а в XIV в. – еще четырнадцать. Духовная аристократия побуждала в какой-то мере развивать техническое оснащение монастырей для уменьшения времени на материальные затраты. Монашеские ордена часто находятся в авангарде усовершенствования водяных и ветряных мельниц, сельскохозяйственных орудий. В Раннем Средневековье тому или иному святому подчас приписывали изобретение водяной мельницы, хотя он просто поставил ее в этом районе. Водяная мельница сначала применялась только для помола зерна. В соответствии с уставом Бенедикта Нурсийского монахи должны быть изолированы от мирян, ведя самостоятельное хозяйство, занимаясь как физическим трудом, так и духовными делами – размышлениями, чтением книг и молитв. Механизация таких трудоемких работ, как помол зерна, позволял иметь больше свободного от тяжелых работ времени. Феодалы также способствовали развитию техники, заставляя своих крепостных привозить зерно только на свои мельницы. Монополия первоначально ограничивалась только помолом зерна, затем она распространилась и на другие виды работ. Согласно «Книге Страшного суда» (1086 г.) в Англии в конце XI в. насчитывалось 5624 мельницы. Мельница являлась центром общения, ибо крестьяне, свозившие туда свое зерно, должны были поджидать в очереди муку. Можно с большой долей вероятности предположить, что там обсуждались нововведения. Оттуда же они начинали распространяться. На мельницах, возможно, созревали мысли о восстаниях против власти. Два факта: статуты монашеских орденов предписывали монахам собирать на мельницах пожертвования. Проститутки столь часто посещали окрестности мельниц, что монахам предписывалось заниматься там борьбой с этим пороком.

Постепенно приложения гидроэнергетики расширялись: в сукновальном деле, для обработки конопли, дубления кожи, в пивоварении, для заточки инструментов. Эти процессы шли не синхронно, иногда наблюдался регресс. Англия переживала подлинный расцвет лишь с конца XIII в., и в этом видят самую настоящую «промышленную революцию». Железоделательная мельница знаменует подъем кузнечного дела в XIII в., хотя первое упоминание о ней датируется 1197 г. для одного монастыря в Швеции. Первая бумажная мельница существовала с 1238 г. в Ятове (Испания), в Италии она появилась в 1268 г. (Фабриано), во Франции – в 1338 г. (Труа), а в Германии – в 1390 (Нюренберг). Гидравлическая пила в 1240 г. была еще диковиной. Соединение водяного колеса с кулачковыми или с кривошипными механизмами позволило значительно расширить сферу его применения. К XVI столетию энергия воды использовалась не менее чем в 40 различных производственных процессах. К 1750 году тенденция продолжала сохраняться. Для увеличения мощности стали применяться групповое размещение колес. Поэтому начавшаяся в конце XIX в. замена водяных колес на паровые машины не принесла существенных изменений в промышленности, так как мощность первых паровых машин была не свыше 20 л.с. Начало промышленной революции связано с широким применением энергии воды в первую очередь для хлопкопрядильного производства. Одновременно с расширением областей применения происходило усовершенствование конструкции самого колеса. Так в 1826 г., когда появилась первая водяная турбина, французский механик и инженер Понселе (Poncelet, Jean-Victor) предложил новый гидравлический двигатель с изогнутыми колесами и центростремительным движением воды: от периферии колеса к центру. Да и классические водяные колеса за счет наивыгоднейшего сочетания размеров и формы достигали постепенно предела своих возможностей. Наиболее значительные работы связаны с именем видного английского инженера Джона Смитона (Jhon Smeaton), современника изобретателя паровой машины Уатта. Поэтому водяные колеса продолжали строиться в XIX и даже в XX в., постепенно уступая свое место другим энергетическим машинам. Так, по материалам переписи 1861 г. на уральских заводах работало свыше 1600 водяных колес общей мощностью около 30 КВт. В горных районах Европы на малых реках водяные мельницы продолжают обслуживать людей в наши дни, неустанно и бесшумно вращаясь под журчащим потоком прозрачной струи.

Рис. 4.3. Колесо Понселе

Рис. 4.4. Водяное колесо Смитона

Данный текст является ознакомительным фрагментом.