Вода льется—и мелет, толчет, пилит, кует и откачивает воду – Наука – Коммерсантъ

текст Владимир Алтунин, кандидат технических наук, доцент МАДИ-ГТУ

Валерий Волшаник, доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет природообустройства

Сергей Пьявкин, руководитель сектора проектирования НКС «Волга»

Ольга Черных, кандидат технических наук, профессор, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Использование энергии речных потоков началось в России еще в глубокой древности. В весьма ранних памятниках русской письменности встречаются такие термины, как «мельник», «мельница». Водяные мельницы в России строили сначала для переработки продуктов сельского хозяйства, прежде всего для привода мукомольных поставов, а затем крупорушек и сукновален. В не столь давние времена практически весь урожай зерновых в России перерабатывался в муку исключительно на водяных и ветряных мельницах; одна мельница строилась на 15-20 сельских домов, а то и чаще.

Но уже в XVI в. водяной двигатель в России используется не только для переработки сельскохозяйственной продукции, но и в металлургии, добыче полезных ископаемых, обработке камня. Примерный перечень технологических операций, выполнявшихся в России в XVIII веке с помощью водяных двигателей, приведен в таблице 01 .

Наибольшее распространение получили именно мельницы. Внешний вид здания мельницы существенно зависел от места ее постройки и от компоновки основного оборудования и назначения мельницы, а также от строительных конструкций сооружения. Так, для северных земель, Карелии характерна простая деревянная конструкция, без каких-либо архитектурных изысков. Мельницы европейской части России имеют отличия в архитектуре от своих северных аналогов. Здание мельницы, построенное в черте города, могло быть выполнено из кирпича или камня, что свидетельствовало о состоятельности владельца.

Принципиальная схема работы водяной мельницы с верхней подачей воды показана на рисунке 01. Вода, поступающая из лотка, падает на большое колесо [01], состоящее из двух ободов одинакового диаметра, соединенных перегородками «лопатками», образующими ковши. Вода, попавшая в верхний ковш, под действием силы тяжести толкает колесо и выливается по мере движения вниз. Отметим, что верхний способ подачи воды обеспечивает большую мощность на вале колеса, но требует строительства гидротехнических сооружений (плотина, запруда) для накопления и подъема воды на высоту колеса.

Вместе с колесом [01]на горизонтальном валу закреплено зубчатое колесо [02]меньшего диаметра, приводящее в движение шестерню [03]на вертикальном валу. На нижнем конце вертикального вала жестко крепился верхний, подвижный жернов (бегун), в то время как нижний (лежняк) оставался неподвижным. Зерно, попадая между камнями, перемалывалось в муку, а тонкость помола определялась зазором между камнями. Жерновые камни изготавливались из особых пород мелкозернистого кварцевого камня или песчаника или же из искусственной смеси.

рис. 01 Принципиальная схема работы водяной мельницы с верхней подачей воды: 01 Большое водяное колесо, 02 Малое зубчатое колесо, 03 Шестерня на вертикальном валу

На соприкасающихся поверхностях бегуна и лежняка создавались достаточно сложные по конфигурации системы бороздок, обеспечивавших перемещение зерна и муки от центра жернова к его периферии, а также вентиляцию и охлаждение жернова. Расстояние между камнями регулировалось специальным механизмом. Размеры камней и частота вращения бегуна выбирались в зависимости от требуемой производительности мельницы и вида размалываемого материала.

Работы по толчению органических и минеральных материалов на мельницах выполняются с помощью толчеи — измельчающей или шелушильной машины ударного действия. Рабочий орган толчеи — пест, совершающий прямолинейное возвратно-поступательное движение в ступе или, чаще на мельницах, системе ступ (как правило, бревен), линейно укрепленных на горизонтальном поворачивающемся валу и оканчивающихся внизу над деревянным слабо наклоненным лотком.

Устройство песта более жесткого и с большей скоростью удара позволяет создавать механизм для обработки металла ударным воздействием. Конструирование механизмов с формой движения рабочего органа, обеспечиваемой исполнительными органами водяной мельницы, — вращательной или возвратно-поступательной, позволяет обеспечить выполнение разнообразных операций.

рис. 02 Схема пилорамы на водяном приводе: 04 Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, 05 Механическая пила

На рисунке 02 показана простейшая схема преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Такое преобразование требовалось, например, в пилорамах.

Общим для перечисленных в таблице 01 операций является наличие только механической энергии, которая и вырабатывается водяными колесами путем использования вечно возобновляющейся экологически чистой энергии водных потоков.

Использование энергии воды для совершения повторяющихся механических операций получило в России новое развитие во время промышленного подъема на Урале в начале XVIII века. Водяные двигатели на металлургических заводах, построенных по указу Петра I общим числом более двухсот, приводили в движение меха, подающие воздух в печь, и молоты. Для достижения требуемой мощности таких двигателей, существенно превосходящей мощность мельничного колеса, возникала необходимость в строительстве гидротехнических сооружений для повышения уровня воды, некоторые из которых — пруды, каналы, тоннели, каменные плотины — сохранились до сих пор и в настоящее время являются памятниками культуры, охраняемыми государством.

Вторая половина XVII века и XVIII век — золотое время водяных двигателей, в России и в мире. На Сене построили грандиозную установку для питания водой фонтанов Версаля, состоявшую из 14 колес диаметром 12 метров. От колес приводились в действие поршневые насосы, поднимавшие 3000 тонн воды в сутки на высоту около 200 метров. В Шотландии на бумагопрядильной фабрике работало колесо диаметром около 20 метров и шириной 4 метра. В России в конце XVIII века действовало несколько тысяч гидросиловых установок, главным образом на горных заводах. Самая известная из них — машина для откачки воды из шахт, построенная русским механиком Козьмой Фроловым в 1785 г. на Змеиногорском руднике на Алтае.

Поступление воды в шахты было одной из главных проблем, мешающей работе рудокопов. Без использования машин воду приходилось поднимать вручную; этим непрерывно занимались водоносы, передающие друг другу вверх полные ведра, вниз — пустые. Это была тяжелая и опасная работа, не связанная к тому же непосредственно с добычей руды. Кроме того, постоянно поступающая вода ограничивала глубину шахт. Необходимость в машине для откачки воды на Змеиногорском руднике возникла после истощения верхних слоев земли, ранее богатых золотой и серебряной рудой. Рудник был собственностью царской семьи, так что уменьшение притока в казну драгоценных металлов представляло собой государственную проблему.

Гидросиловая установка Фролова — одна из самых больших, когда-либо созданных в мире. Вода откачивалась отсасывающими насосами, каждый из которых мог поднимать воду не более чем на 10 метров — столб воды такой высоты создает давление, равное атмосферному. Соответственно, для откачки со дна шахты требовался целый каскад насосов — нижний насос откачивал воду в большое корыто, из которого верхний поднимал ее в корыто на следующем уровне. Поршни насосов приводились в движение водяными колесами, самое большое из которых достигало в диаметре 15 метров. Чтобы обеспечить необходимую мощность водяного потока для вращения колес, речку Змеевку перегородили плотиной длиной больше 100 метров и высотой около 25 метров. Образовался пруд площадью несколько квадратных километров.

С запуском машины Фролова рудник в Змеиногорске получил вторую жизнь, добыча драгоценных металлов на нем велась еще около ста лет. Энергия падающей воды использовалась не только для осушения шахт, но и для подъема руды на поверхность и ее обогащения: такую машину Фролов построил на Преображенском руднике.

В XIX веке гидросиловые установки постепенно вытесняются паровыми двигателями. Их преимущества — отсутствие привязки к рекам, возможность обеспечить высокую скорость на валу двигателя, компактность, мобильность и более высокая мощность при сравнимых массе и размерах — оказались решающими. Однако и в начале XX века энергия воды еще использовалась достаточно широко: анкета русского технического общества, проведенная в 1912 г., зарегистрировала 45449 гидросиловых установок общей установленной мощностью 686856 л.с., из них 470962 л.с. вырабатывались водяными колесами.

В конце XIX века водяные двигатели неожиданно получили шанс на возрождение. 30 сентября 1882 г. в США заработала первая в мире гидроэлектростанция. Водяное колесо приводило в движение динамо-машину. Вырабатываемая ею электроэнергия использовалась для освещения жилых домов и производственных помещений на местной фабрике. Со временем водяные колеса заменили турбинами, обладающими более высоким коэффициентом полезного действия и позволяющими использовать не только потенциальную энергию воды, падающей с некоторой высоты, но и кинетическую энергию ее движения. Примечательно, что гидротурбины начали создавать задолго до первых электростанций. В России первые турбины строил в 30-40-х годах XIX века уральский крепостной мастер Игнатий Сафонов, их использовали на заводах. В настоящее время гидротурбины, имеющие размер, сравнимый с размером водяных колес, превосходят их по мощности в сотни раз.

Сегодня новую жизнь гидросиловым установкам дает малая гидроэнергетика. Микро- и мини-ГЭС постепенно получают распространение, особенно в труднодоступных районах, где затруднено централизованное электроснабжение. Конечно, энергию падающей воды используют уже не для помола зерна, а для выработки электричества. На смену деревянным водяным колесам пришли металлические турбины, гидросиловые установки стали более компактными, надежными и менее шумными. С учетом того, что альтернативная энергетика во многих странах поддерживается на государственном уровне, малая гидроэнергетика имеет неплохие перспективы.

Примерный перечень типов технологических операций, выполнявшихся в ХVIII веке в России механическими агрегатами за счет действия водяных двигателей

Большое колесо маленького острова

Самое большое в мире действующее водяное колесо находится на одном из островов Ирландского моря в деревне Лакси. Его диаметр — 22 метра, а высота — 18 метров. Колесо было построено в середине XIX века для откачки грунтовых вод из рудников, где добывали свинец, цинк и другие металлы. К тому времени паровые двигатели уже потеснили водяные, однако на острове не было угля, а его доставка стоила довольно дорого. Необходимую энергию для работы насосов, откачивающих воду, могли дать многочисленные горные речки острова. Идею построить водяной двигатель осуществил местный инженер Роберт Кэйсмент. Большие размеры колеса обусловлены тем, что из шахт требовалось поднимать около тонны воды за минуту с глубины в полтора километра. Мощность, развиваемая колесом, должна была составлять порядка мегаватта, или немногим больше тысячи лошадиных сил.

Фото: 3.bp.blogspot.com

Сейчас колесо для откачки воды уже не используют, его запускают время от времени только для туристов.

значение открытия, область применения, устройство и принцип работы

Изобретение водяной мельницы имело большое значение для истории и развития техники. Первые такие конструкции использовались для перелива воды еще в Древнем Риме, позже их стали применять для получения муки и в других промышленных целях.

История изобретения

Водяное колесо было изобретено людьми еще в древние времена, благодаря чему человек получил надежный и простой двигатель, применение которого с каждым годом все расширялось. Еще в первом столетии до нашей эры римский ученый Витрувий описал такую конструкцию в своем трактате «10 книг об архитектуре». Действие ее было основано на вращении колеса от воздействия потока воды на его лопасти. И первым практическим применением этого открытия стала возможность перемалывания зерен.

История мельниц ведет свое начало от первых жерновов, которые использовали древние люди для получения муки. Такие устройства были вначале ручными, затем стали использовать физическую силу рабов или животных, которые вращали мукомольное колесо.

История водяной мельницы началась с использования конструкции колеса, двигающегося от силы речного потока, для осуществления процесса перемалывания зерна в муку, а основанием для этого послужило создание первого двигателя. Древние машины произошли от поливальных устройств, называемых чадуфонами, которые применялись для поднятия воды из реки для орошения земли и полей. Такие устройства представляли собой несколько черпаков, насаженных на обод: при вращении они погружались в воду, зачерпывали ее, а после поднятия вверх опрокидывали в желоб.

Устройство древних мельниц

Со временем люди стали строить водяные мельницы и использовать силу воды для получения муки. Причем на равнинных территориях при низкой скорости течения рек для увеличения напора устраивали запруды, обеспечивая тем самым повышение уровня воды. Для передачи движения к устройству мельницы были изобретены двигатели с зубчатой передачей, которые делались из двух колес, соприкасающихся ободами.

Используя систему из колес различного диаметра, у которых оси вращения были параллельными, древние изобретатели смогли осуществить передачу и преобразование движения, которое можно было направить на пользу людям. Причем большее колесо должно совершить меньшее количество оборотов во столько раз, во сколько его диаметр превышает второе, малое. Первые колесные зубчатые системы стали применять еще 2 тыс. лет назад. С тех пор изобретатели и механики смогли придумать множество вариантов зубчатых передач, использующих уже не только 2, но и большее количество колес.

Устройство водяной мельницы античной эпохи, описанное Витрувием, содержало 3 основных части:

1. Двигатель, состоящий из вертикального колеса, имеющего лопатки, которые вращаются водой.
2. Передаточный механизм — второе вертикальное колесо с зубцами (трансмиссия), которое вращает третье горизонтальное, называемое шестерней.
3. Исполнительный механизм, состоящий из двух жерновов: верхний приводится в движение шестерней и насажен на ее вертикальный вал. Зерно для получения муки засыпалось в ковш-воронку, расположенную над верхним жерновом.

Водяные колеса устанавливали в нескольких положениях по отношению к потоку воды: нижнебойные — на реках с большой скоростью течения. Самыми распространенными были «висячие» конструкции, устанавливаемые на свободном течении, погруженные в воду нижними лопастями. Впоследствии стали использовать среднебойные и верхнебойные виды водяных колес.

Максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД = 75%) давала работа верхнебойных или наливных видов, что широко применялось при устройстве «байдачных» плавучих мельниц, которые курсировали на больших реках: Днепре, Куре и др.

Значение открытия водяной мельницы состояло в том, что был изобретен первый античный механизм, который в дальнейшем мог быть использован для промышленного производства, что стало важным этапом в истории развития техники.

Средневековые гидроконструкции

Первые водяные мельницы в Европе, согласно историческим данным, появились в эпоху правления Карла Великого (340 г. н. э.) в Германии и были заимствованы у римлян. Одновременно были построены такие механизмы и на реках Франции, где к концу 11 в. уже насчитывалось около 20 тыс. мельниц. В это же время в Англии уже насчитывалось их более 5,5 тыс.

Водяные мельницы в Средневековье были широко распространены на всей территории Европы, использовались они для переработки сельскохозяйственной продукции (мукомольные, маслобойные, сукновальные), для подъема воды из шахты и в металлургическом производстве. К концу 16 в. их насчитывалось уже 300 тыс., а в 18 в. — 500 тыс. Одновременно происходило их техническое усовершенствование и увеличение роста мощности (с 600 до 2220 лошадиных сил).

Знаменитый художник и изобретатель Леонардо да Винчи в своих заметках также пытался придумать новые способы использования энергии и силы воды с помощью колес. Он предложил, например, конструкцию вертикальной пилы, которую приводил в движение поток воды, подающийся на колесо, т. е. процесс становился автоматизированным. Также Леонардо сделал чертежи нескольких вариантов использования гидроконструкций: фонтаны, способы осушения болот и т. д.

Ярким примером гидросиловой установки стал механизм подачи воды для устройства фонтанов и водоснабжения дворцов в Версале, Трианоне и Марли (Франция), для чего была специально возведена плотина на р. Сене. Из устроенного водохранилища вода под напором поступала на 14 нижнебойных колес размером 12 м. Они осуществляли ее подъем с помощью 221 насоса на высоту 162 м к акведуку, из которого она поступала во дворцы и фонтаны. Ежесуточно объем подаваемой воды составлял 5 тыс. м^3.

Как работает водяная мельница

Конструкция такой мельницы оставалась неизменной на протяжении многих веков. Основным материалом для постройки служило дерево, из которого складывали амбар, делали колеса и валы. Металл использовался только в некоторых деталях: оси, крепежные части, скобы. Изредка амбар возводили из камня.

Виды мельниц, которые использовали энергию воды:

1. Мутовчатые — строились на горных реках с быстрым течением. По конструкции они похожи на современные турбины: на вертикальном колесе делали лопасти под углом к основанию, при падении потока воды происходило вращение, от которого шло движение жернова.
2. Колесные, в которых вращалось само «водяное» колесо. Строились двух типов — с нижним и верхним боем.

На мельницу с верхним боем вода поступала от запруды, далее по желобу направлялась на колесо с кюветами, которое вращалось под его тяжестью. При использовании нижнего боя используется конструкция с лопастями, которые приводятся в движение при погружении в водный поток. Для повышения эффективности работы часто использовали плотину, перегораживающую только часть реки, называемую буном.

На рисунке ниже изображено устройство типичной деревянной водяной мельницы: вращательное движение идет от нижнего привода (колеса) [6], вверху расположен ковш (бункер) [1] для зерна и желоба [2], подающие его на жернова [3]. Полученная мука попала в лоток [4], а затем высыпалась в ларь или мешок [5].

Регулировка подачи зерна осуществлялась дозатором, специальным ящиком с отверстием, который влиял на крупность помола муки. После получения ее необходимо было просеять через специальное сито, установленное над ларем, которое совершало колебание при помощи небольшого механизма.

Некоторые водяные мельницы использовались не только для перемола зерна, но и для обдирания проса, гречихи или овса, из которых делалась крупа. Такие машины называли крупорушками. Предприимчивые хозяева использовали мельничные конструкции для толчения кудели, для валяния домотканого сукна, для чесания шерсти и т. д.

Строительство мельниц на Руси

В древнерусских летописях упоминание о водяных колесах и мельницах встречается с 9 в. Вначале они использовались исключительно для размалывания зерна, за что и были прозваны «мучными» и «хлебными». В 1375 г. князь Подольский Корпатович даровал грамотой Доминиканскому монастырю право на постройку хлебной мельницы. А в 1389 г. жене князя Дмитрия Донского такое сооружение отошло по завещанию.

В Великом Новгороде упоминание в берестяной грамоте о постройке мельницы датировано 14 в. Псковские летописи 16 в. рассказывают о строительстве такой конструкции на реке Волхов, к чему привлекли все местное население. Была устроена плотина, перекрывшая часть реки, однако она разрушилась из-за сильного паводка.

На равнинной местности водяные мельницы в России строились с наливным верхнебойным колесом. В 14-15 вв. стали появляться мутовчатые устройства, в которых колесо было расположено горизонтально на вертикальном валу.

Строили такие конструкции мастера-самоучки без каких-либо чертежей и схем. Причем они не только копировали уже возведенные сооружения, но каждый раз добавляли свои нововведения в их устройство. Еще во времена Петра Первого в Россию стали приезжать мастера из европейских стран, которые показывали свои навыки и знания в этой области.

Один из соратников Петра, известный инженер Вильям Генин, построивший на Урале 12 больших заводов, смог обеспечить их работу от гидросиловых установок. В последующем энергию воды повсеместно использовали специалисты при строительстве горнорудных и металлообрабатывающих предприятий по всей России.

В начале 18 века по всей территории действовало около 3 тыс. мануфактур, которые использовали гидроустановки для функционирования производства. Это были металлургические, лесопильные, бумажные, ткацкие и другие предприятия.

Самый знаменитый и уникальный комплекс для обеспечения энергией горнометаллургического комбината был построен в 1787 г. инженером К. Д. Фроловым на Змеиногорском руднике, который не имел аналогов в мире. Он включал плотину, водозаборные сооружения, от которых вода по подземным штольням проходила в открытый канал (535 м длиной) до мельницы, где вращалось колесо лесопильной конструкции. Далее вода поступала через следующий подземный канал к гидроколесу машины по подъему руды из шахты, далее — к третьему и четвертому. В конце она вытекала через штольню длиной более 1 км обратно в реку ниже плотины, общий путь ее составлял более 2 км, диаметр самого большого колеса — 17 м. Все сооружения были построены из местных материалов: глины, дерева, камня и железа. Комплекс успешно проработал более 100 лет, но до наших дней сохранилась только плотина Змеиногорского рудника.

Исследования в области гидравлики проводил также знаменитый ученый М. В. Ломоносов, который воплотил свои научные мысли на практике, участвуя в создании предприятия цветного стекла на основе работы гидроустановки с тремя колесами. Труды еще двух российских академиков — Д. Бернулли и Л. Эйлера — приобрели мировое значение в использовании законов гидродинамики и гидротехники и заложили теоретическую основу этих наук.

Использование энергии воды на Востоке

Применение водяных колес в Китае было впервые подробно описано в книге Сунн Инсина в 1637 г. В ней рассказывается подробно об использовании их для металлургического производства. Китайские конструкции были обычно горизонтальными, однако их мощность была достаточно высокой для производства муки и металла.

Использование энергии воды было впервые начато еще в 30-е гг. н. э., после изобретения китайским чиновником возвратно-поступательного механизма на основе водяных колес.

В Древнем Китае было построено несколько сотен мельниц, располагавшихся вдоль рек, однако в 10 в. правительство стало запрещать их из-за препятствования речному судоходству. Строительство мельниц постепенно расширялось и в соседних странах: Японии и Индии, на Тибете.

Колеса для подачи воды в странах ислама

Страны Востока, в которых люди исповедуют исламскую религию, являются в большинстве своем территорией с очень жарким климатом. С древних времен регулярное водоснабжение имело очень важное значение. Строились акведуки для подачи воды в города, а для поднятия ее из реки строили мельницы, которые называли «нориями».

По данным историков, первые такие сооружения возводились еще 5 тыс. лет назад на территории Сирии и других стран. На реке Оронт, одной из самых полноводных в стране, строительство норий было широко распространено в виде огромных колес водяных мельниц, которые многочисленными лопастями черпали воду и подавали ее на акведук.

Ярким примером такого сооружения являются сохранившиеся до наших времен нории города Хама, строительство которых датируется 13 в. Они продолжают работать и до настоящего времени, являясь одновременно украшением и достопримечательностью города.

Использование гидроэнергии в различных производствах

Кроме получения муки, область применения водяных мельниц распространялась на такие виды производств:

• для мелиорации и обеспечения водой посевов на полях;
• лесопильное, в котором энергия воды использовалась для обработки древесины;
• металлургия и обработка металла;
• в горных производствах для обработки камней или другой породы;
• в ткацкой и шерстяной мануфактурах;
• для подъема воды из шахты и др.

Один из самых древних примеров использования силы воды — лесопильная мельница в Хиераполисе (Турция), механизмы ее были обнаружены во время раскопок и датированы 6 в. н. э.

В некоторых европейских странах археологами были обнаружены остатки старых мельниц эпохи Древнего Рима, которые использовали для дробления кварца с содержанием золота, добываемого в шахтах.

Самый большой комплекс, использующий силу воды, был построен, по историческим данным, в 1 в. на юге Франции под названием Barbegal, в котором было установлено 16 водяных колес, снабжавших энергией 16 мукомольных мельниц, обеспечивая, таким образом, хлебом близлежащий город Алерт. Ежесуточно здесь производилось 4,5 т муки.

Аналогичный мельничный комплекс на холме Яникул снабжал в 3 в. город Рим, что было оценено императором Аврелианом.

Создание водяной конструкции своими руками

Такой архитектурный элемент, как водяное колесо, приобрел популярность наравне с бассейнами, каскадами или фонтанчиками. Конечно, подобные сооружения выполняют скорее декоративную, нежели практическую функцию. Построить водяную мельницу своими руками сможет каждый хозяин, имеющий навыки работы с деревянными деталями.

Размер колеса рекомендуется выбирать минимум 1,5 м, но не более 10 м, что зависит от площади участка. Мельничный домик также выбирается по его будущему предназначению: строение для хранения инвентаря, игровая зона для детей, украшение территории.

Изготовление деталей:

• в качестве основы для водяного колеса можно взять велосипедное или сбитое из дерева, к которому крепятся лопасти; в центре его должна быть труба, вокруг которое происходит вращение;
• готовое изделие крепится на подшипники на 2 опоры, которые изготавливают их дубового бруса, металлического уголка, кирпича;
• к верхней части колеса должен подходить желоб, по которому стекает вода на лопасти; ее подводят либо от шланга с насосом, либо она поступает после дождя;
• все детали для увеличения срока работы рекомендуется обработать: деревянные – покрыть лаком, металлические — краской от коррозии;
• для отведения воды прокладывают каналы в направлении грядок или к другой емкости;
• на завершающем этапе сооружение украшают декоративными элементами.

Устройство на загородном участке декоративной водяной мельницы станет прекрасным эстетическим дополнением к ландшафту.

Знаменитые исторические мельницы

Самая большая действующая водяная мельница «Леди Изабелла» расположена около деревни Лекси на острове Мэн в Ирландском море. Это сооружение было возведено в 1854 г. инженером-самоучкой Робертом Казементом в честь жены местного генерал-губернатора, а целью его строительства было откачка грунтовых вод из местной шахты по добыче природных ископаемых (цинка, свинца и др.).

Специально были проложены каналы, по ним вода из горных рек проходила через мост и подавалась для вращения колеса диаметром 22 м, которое до сих пор считается самым огромным в мире, благодаря чему пользуется успехом у туристов уже много лет.

Одна из оригинальных достопримечательностей Франции — водяная старая мельница, расположенная около г. Вернона (Франция). Ее уникальность в том, что она опирается на 2 опоры старинного каменного моста, который соединял когда-то берега Сены. Точная дата ее сооружения неизвестна, однако, по некоторым данным, она возводилась в период противостояния Ричарду Львиное Сердце и имела стратегическое значение. В 1883 г. ее увековечил знаменитый художник Клод Моне на одном из своих полотен.

Создание водяной мельницы является важным этапом в истории развития техники, ведь она считается первой конструкцией, которую можно было использовать в различных целях для переработки сельскохозяйственной и другой продукции, что стало первым шагом к машинному производству в мире.

№ 113: Пневматика шестнадцатого века

Эпоха изобретений: испанский двигатель

Добро пожаловать в мой еженедельный информационный бюллетень «Эпоха изобретений», посвященный причинам Британской промышленной революции и истории инноваций. Вы можете подписаться здесь:

Пару недель назад, когда я поделился своим постом об изобретении парового двигателя, я заметил, что несколько человек в социальных сетях ответили, что паровой двигатель на самом деле был изобретен в Испании — почти за сто лет до того, как Ньюкомен возился со своими двигателями в Корнуолле в 1700-х годах. Раньше я не слышал об этом утверждении, поэтому решил изучить его.

Испанский истец, о котором идет речь, — некто Херонимо де Аянц-и-Бомон, аристократ конца шестнадцатого века и военный инженер из Наварры, который с 1597 года служил администратором королевских рудников и изобрел целый ряд устройств, от водолазного снаряжения и систем шахтной вентиляции, до различных усовершенствований мельниц, насосов и печей. Благодаря работе историка и инженера Николаса Гарсиа Тапиа, чья биография Аянца вышла в 2010 году, мы теперь знаем совсем немного об этом интересном изобретателе. Работа была опубликована на испанском языке и по вполне понятным причинам широко освещалась в испанской прессе. Так что, хотя имя Аянса еще не стало нарицательным в Испании, теперь он, кажется, довольно хорошо известен местной бригаде «на самом деле» (темное международное движение, в котором я, к неудовольствию большинства людей, давно состою). -действующий член). «Говоришь, Томас Ньюкомен/Томас Савери изобрели паровой двигатель? Ну, на самом деле, я думаю, вы обнаружите, что это был Аянз столетием раньше», — я быстро погуглил и обнаружил сотни комментариев на этот счет.

Но на самом деле история немного сложнее. Дьявол, как всегда, кроется в деталях, и, к сожалению, заявления прессы о технологии стали широко и ошибочно повторяться, по-видимому, игнорируя тщательную историческую работу Тапиа. Я даже заметил недавно изданную энциклопедию изобретений, в которой повторялись ошибки.

Так что же именно изобрел Аянц? Ключевым фактом является то, что в 1606 году он получил 20-летнюю монополию от короля Испании на использование более пятидесяти различных изобретений, в том числе двух устройств, связанных с паром. Один из них был связан с избавлением от смертоносных минных газов, которые убили одного из его друзей и сотрудников, а также чуть не убили Аянза. Его решением стал паровой инжектор — по сути, паровой котел с торчащей из него сужающейся трубкой, которая нагнетала бы пар в большую воздушную трубу. Пар под давлением, затекая вверх в воздушную трубу, создавал за ней мощный всасывающий эффект, быстро вытягивая смертоносные газы из шахты. (как в начале этого видео).

Однако это было второе паровое устройство, прославившееся как паровой двигатель Аянза. Точно так же, как изобретения Томаса Савери и Томаса Ньюкомена около века спустя, он был разработан для откачки воды из шахт. Аянц сформировал товарищество в 1608-1611 годах, чтобы вновь открыть серебряные рудники Гуадалканала в Испании, которые были заброшены из-за наводнения, и, похоже, пытался внедрить там двигатель: он получил права вырубать близлежащие деревья на дрова, например. , и использовали близлежащую медь, которая была необходима для изготовления котлов и труб. Что касается того, действительно ли он заставил его работать, мы не знаем наверняка. К сожалению, он умер всего через несколько лет после начала проекта.

Но дьявольская деталь заключается в том, как работал его двигатель. В частности, все ошибки умножения, по-видимому, возникли из-за неправильного толкования прессой заявления Тапиа о том, что двигатель «очень похож» на двигатель Томаса Савери. Есть, конечно, некоторые важные сходства. Оба двигателя, например, использовали расширяющую силу пара. В обоих случаях пар из котла направлялся в резервуар для воды, заставляя эту воду подниматься по узкой трубе, которую мы могли бы назвать 9-ступенчатой.0085 нажатие эффект. И оба двигателя использовали два бака, которые чередовались, чтобы двигатель качал непрерывно. Пока один резервуар заполнялся шахтной водой, из другого пар выталкивал воду, а потом наоборот. Все идет нормально. Действительно, из-за двух резервуаров для воды чертежи устройств Аянца и Савери рядом выглядят очень похожими.

Но на этом сходство заканчивается (что, собственно, Тапия и делает очевидным, если его внимательно читать). Как я упоминал несколько недель назад, паровые машины, изобретенные Савери, а затем Ньюкоменом в 169 г.0-е и 1700-е годы в основном использовали наблюдение о том, что воздух имеет вес — основная сила прикладывалась не самим паром, который толкал, а паром внутри резервуара, облитым холодной водой, что вызывало его быструю конденсацию. Образовавшийся частичный вакуум означал, что настоящую подъемную работу выполнял вес воздуха — атмосферное давление. Вместо того, чтобы использовать горячий пар для толкания, эти двигатели использовали его конденсат, чтобы всосать .

Для Ньюкомена этот тянущий эффект происходил под поршнем в цилиндре, при этом поршень перемещал балку вверх и вниз, что, в свою очередь, приводило в действие насос на всем протяжении шахты. Но двигатель Савери использовал эффект всасывания для непосредственного накачивания шахты. (Кстати, движок Савери, кажется, очень плохо понимается публикой, особенно по сравнению с движком Ньюкомена. Интересно, не способствовало ли это неправильному пониманию относительных достижений Аянза и Савери. двигатель работает, но почти все они совершенно неверны.Это единственный точный, который я смог найти.) Двигатели Савери должны были быть размещены вниз внутри самой мины , и никаких поршней не использовал. Вместо этого пар поступал в резервуар, который затем заливался холодной водой. Возникшая в результате конденсация означала, что сама шахтная вода засасывалась в резервуар, и только затем, как и в двигателе Аянца, пар снова поступал в резервуар, чтобы выталкивать воду вверх и из шахты через тонкую трубу.

Таким образом, Савери использовал как толкающую , так и тянущую силу пара , при этом один из резервуаров пропускал пар, а другой конденсировался. С другой стороны, машина Аянца использовала только толчок. В машине Аянза баки получали воду только будучи ниже уровня шахтной воды, которая сливалась, а не через какой-либо отсос. С другой стороны, Savery мог засасывать воду в резервуары на высоту до 8 метров. Действительно, Тапиа недвусмысленно понимает эту разницу. Аянц, пишет он, «не рассматривал возможность использования дополнительного источника давления — атмосферы».

И он не мог этого сделать, потому что Аянз возился с паровыми устройствами за десятилетия до того, как было достаточно изучено атмосферное давление. Это очень яркий пример того, как отсутствие науки ограничивало технологические возможности. Действительно, даже машина Савери, несмотря на ее большую сложность, оказалась технологическим тупиком. Одно время его использовали для водоснабжения Лондона, чтобы качать воду из Темзы, но без особого успеха. И это было невозможно в шахтах из-за физических ограничений того, насколько высоко он мог поднять воду. Эффект всасывания был ограничен весом воздуха — отсюда достижимый максимум около 8 метров — а эффект выталкивания имел множество других проблем. Чтобы увеличить толкающую силу пара, требовался один из двух методов: либо увеличение его давления, либо, как пытался Аянц, иметь цепочку резервуаров с водой на разных этажах, один наполняющий другой, но каждый из которых толкает под одним и тем же низким давлением. Однако оба метода были совершенно непрактичными, по крайней мере, в то время. Повышение давления обычно напрягало и ломало трубы и котлы, в то время как метод Аянца требовал огромного количества топлива для производства достаточного количества пара. Савери надеялся иметь несколько двигателей на разных этапах шахты, от одного к другому, но это также было бы невероятно дорого с точки зрения топлива и технического обслуживания (не говоря уже об опасном наличии такого количества двигателей под землей).