Содержание
Водяные колёса в Древнем мире
19348
0
( Голосов: 1 )
Воду можно использовать как источник энергии с помощью различных приспособлений, но наиболее распространённым является устройство, представляющее собой колесо с лопастями или черпаками. Такое колесо можно устанавливать горизонтально или вертикально.
В эпоху Древнего мира использовали и горизонтальные, и вертикальные водяные колеса, но ни те, ни другие не получили широкого распространения. Например, в книге «De architectura» (I в. до н. э.) римский архитектор Марк Витрувий Поллио дал описание водяного (подливного) колеса как редко используемого технического устройства. Вообще в древних документах упоминания об использовании энергии воды приводятся очень редко. В это время инженеры использовали вращательное движение водяного колеса в двух целях – для помола зерна и в качестве черпаковых подъёмников воды – норий.
Арабское «наора» (араб. ريعاونلا ), от которого затем произошло испанское нориа (noria), собственно и означает «подливное водяное колесо».
В качестве водоподъёмных устройств водяные колёса получили широкое распространение в первую очередь на Ближнем Востоке в эллинистическую эпоху, к которой относится самое раннее упоминание о них в техническом трактате «Pneumatica» греческого «инженера» Филона Византийского (около 280–220 гг. до н. э.). Речь в трактате идёт о механизме осушения доков Александрии. Римляне применяли колёса для откачки воды из шахт. Например, в испанских медных рудниках Рио Тинто вода откачивалась с горизонта –24 м системой из 16 норий.
Дренажная система рудников Рио Тинто
В нориях передаточные механизмы не применялись. В первых водяных мельницах шестерни также не использовались: небольшое горизонтальное колесо с лопастями укреплялось на нижнем конце вертикального вала, а верхний конец вала соединялся непосредственно с жерновом. В последствии в мукомольных мельницах использовалась ортогональная передача.
Шестерни, установленные на оси колеса, позволяли передать вращательное движение из вертикальной плоскости в горизонтальную и сообщить вращение жерновам. Использование коленчатого вала и шатуна для организации возвратно-поступательного движения впервые было применено римлянами на лесопилке в малоазиатском г. Иераполисе (территория современной Турции).
Водяные колёса могут вращаться либо в горизонтальной плоскости на вертикальной оси, либо в вертикальной плоскости на горизонтальной оси. Горизонтально вращающиеся колёса – предшественники гидравлических турбин – часто называли скандинавскими мельницами. Постройка мельниц такого типа обходилась недорого, но они были маломощными (менее 1 л. с.), а коэффициент их полезного действия (КПД) составлял всего 5–15 %, поэтому скандинавские мельницы не получили широкого распространения и применялись только для помола зерна.
Водяные колеса различных конструкций: а – горизонтальное; б – подливное; в – верхнебойное
Ранние вертикальные колёса были подливного типа, они приводились в движение потоком воды снизу.
Достоинство подливных колёс – простота изготовления и установки. Подливные колёса имели на ободе плоские закругленные лопасти и могли работать почти в любых обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках. Эти вертикальные колёса были в 3–5 раз мощнее горизонтальных, а их КПД достигал 30 %.
Водяная мукомольная мельница с горизонтальным колесом. I в.
В конструкции верхнебойных колёс вода падала сверху в черпаки, приделанные к ободу колеса. В этом случае колесо приводилось в движение не столько за счет удара воды, сколько под действием силы тяжести. Внизу вода выливалась из черпаков, они поднимались вверх, вновь наполнялись водой, и процесс повторялся. Строительство верхнебойных колёс обходилось дороже, чем подливных или горизонтального типа, поскольку для них требовался большой напор воды, для создания которого необходимо было сооружать плотины, запруды и поднимать уровень русла водного канала. В наиболее благоприятных условиях – на мелководье при высоте падения воды от 3 до 12 м – вертикальные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 %, а их мощность в зависимости от условий работы составляла от 2 до 40 л.
с.
ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ
4.1. Водяные колеса . История науки и техники. Энергомашиностроение
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.
Водяное колесо — Национальный исторический парк Хоупвелл-Фернейс (Служба национальных парков США)
Водяное колесо Hopewell диаметром 22 фута собирает воду из Френч-Крик, чтобы привести в действие взрывные машины. NPS Фото/Кутнер Производство чугуна в печи Хоупвелл требовало продувки воздухом, чтобы поднять температуру печи выше 2800° по Фаренгейту. Водяное колесо подавало этот воздушный поток, нагнетая пару поршней внутри двух продувочных ванн. Сжатый воздух из дутьевых ванн подавался в приемную коробку между ваннами, а затем по длинной трубе поступал в топку через фурму, конусообразную насадку, прикрепленную к концу трубы.
История водяных колес Идея использовать колесо для управления силой воды и ее практического применения восходит как минимум к первому веку до нашей эры.
Водяное колесо Хоупвелла Колесо само вращается, когда вода попадает в полости колеса, называемые ведрами, с одной стороны колеса, что делает эту сторону тяжелее другой. Затем гравитация воздействует на более тяжелую сторону колеса, заставляя его вращаться.
Фотография водяного колеса, построенного в 1879 году. NPS Фото История водяного колеса Хоупвелла 1830: Водяное колесо было заменено на колесо местного производства, которое сломалось в течение одного года. 900:14 18:34: Колесо снова заменили на привезенное из Гибернии. Проблемы с водяными колесами Самая очевидная проблема с водяным колесом заключается в том, что оно работает на воде. Это ограничивает его использование в местах, где есть достаточно проточной воды или поблизости есть вода, которую можно направить для вращения колеса. Погода также является важным фактором успешной работы водяного колеса. Если бывает засуха, колесо перестает работать. С другой стороны, если идет слишком много дождя, избыточная вода, называемая обратной водой, вызывает слишком сильное трение колеса, что, опять же, препятствует его вращению. Потенциальные экстремальные температуры зимой могут привести к повреждению, если вода замерзнет и колесо остановится. Другие проблемы возникают из-за того, что колесо сделано из дерева и работает в воде. Даже когда на колесо не воздействуют экстремальные погодные условия, общий износ колеса вызывает проблемы. Вода повреждает древесину, особенно ковши, из-за чего их приходится заменять каждые несколько лет, чтобы колесо работало должным образом. |
когда римский инженер записал концепцию. Однако нет никаких доказательств того, что теория, описанная этим инженером, действительно применялась на практике. Столетия спустя, в 1300-х годах, есть свидетельства того, что большинство европейских монастырей были оборудованы водяными колесами.
Вращение колеса может создать 5-15 лошадиных сил, которые затем можно использовать для запуска оборудования в печи.
Колесо бездействовало и в основном было забыто до 1935 года, когда федеральное правительство приобрело собственность Хоупвелл. 
Последнее обновление: 19 августа 2020 г.
Водяное колесо | История, типы и использование
водяное колесо
Смотреть все медиа
Категория:
Наука и техника
- Похожие темы:
- Мельница Баркера
вертикальное водяное колесо
водяное колесо
водяное колесо
горизонтальное водяное колесо
См. все соответствующие материалы →
водяное колесо , механическое устройство для отбора энергии текущей или падающей воды с помощью набора лопастей, установленных вокруг колеса. Сила движущейся воды воздействует на лопасти, и последующее вращение колеса передается на механизмы через вал колеса. Водяное колесо было, пожалуй, самым ранним источником механической энергии, заменившим энергию людей и животных, и оно впервые использовалось для таких задач, как подъем воды, валяние ткани и измельчение зерна.
Далее следует краткое описание водяных колес. Для полного описания см. преобразование энергии: водяные колеса.
Викторина Britannica
Энергия и ископаемое топливо
Изучите, как ряд шестерен в водяном колесе преобразует энергию потока в мельничный жернов
Просмотреть все видео для этой статьи
Комбинация водяного колеса и трансмиссии, часто включающая зубчатую передачу, в средние века обычно обозначалась как мельница. Из трех различных типов водяных мельниц самая простая и, вероятно, самая ранняя представляла собой вертикальное колесо с лопастями, на которые действовала сила потока. Затем было горизонтальное колесо, используемое для привода жернова через вертикальный вал, прикрепленный непосредственно к колесу. Третьей была зубчатая мельница, приводимая в движение вертикальным водяным колесом с горизонтальным валом. Это требовало больше знаний и инженерных навыков, чем первые два, но обладало гораздо большим потенциалом. Вертикальные водяные колеса различались также по месту контакта воды с колесом: во-первых, недоливное колесо; во-вторых, грудное колесо; и в-третьих, колесо овершота.
Эти водяные колеса обычно использовали энергию движущихся ручьев, но в 11 веке появились и приливные мельницы.
Каждый тип мельницы имел свои преимущества и недостатки. Относительно мало известно об их развитии до Средневековья, но некоторые их характеристики предполагают порядок появления в контексте сложности строительства и возможностей использования.
Простое вертикальное колесо требовало небольшой дополнительной конструкции, но сила и скорость отбора мощности зависели от характеристик потока и диаметра колеса. Поскольку изменение направления мощности не требовалось, это колесо оказалось наиболее полезным для подъема воды, используя, например, ряд горшков, приводимых в действие цепным приводом.
Горизонтально-колесная мельница (иногда называемая скандинавской или греческой мельницей) также требовала небольшой вспомогательной конструкции, но подходила для измельчения, поскольку верхний жернов крепился на вертикальном валу. Однако мельницу можно было использовать только там, где поток тока подходил для измельчения.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться
Вертикально-колесная мельница с редуктором была более универсальной. Конструкция была относительно простой, если колесо было с перекатом, потому что лопасти колеса можно было просто окунуть в поток, будь то река, прилив или искусственная мельница. Слесарь мог выбрать передаточное отношение, чтобы согласовать использование мощности со скоростью потока, а колесо можно было установить в арке моста или на барже, стоящей на якоре посреди течения. Витрувий описал первое вертикальное колесо с редуктором, для которого у нас есть хорошие доказательства. Эта мельница также имеет большое значение, потому что это было первое применение зубчатой передачи, в котором использовалась сила, отличная от мускульной. Эта мельница имела колесо с перекатом и, в отличие от колес с недокусом, не использовала вес падающей воды.
Мельницы с зубчатыми грудными и овершотными колесами требовали дополнительных вспомогательных конструкций, но они позволяли наиболее широко использовать имеющуюся силу воды.
Основная проблема строительства заключалась в том, чтобы найти мельницу, где падение воды соответствовало бы желаемому диаметру колеса. Можно использовать либо длинную мельницу вверх по течению, либо плотину.
Мало что известно о деталях развития зубчатых мельниц между временами Витрувия и XII веком. Выдающейся установкой была зерновая мельница в Барбегале, недалеко от Арля, Франция, которая имела 16 расположенных каскадом пролетных колес диаметром 7 футов (2 метра) с деревянными зубчатыми передачами. По оценкам, эта мельница может удовлетворить потребности населения в 80 000 человек.
Несмотря на то, что легко адаптируемая зубчатая мельница с ее широко разнообразными условиями речного потока использовалась в Римской империи, исторические данные свидетельствуют о том, что ее наиболее драматические промышленные последствия произошли в средние века в Западной Европе. После 13 века водяное колесо с недоливом, похоже, стало более распространенным, чем колесо с недоливом.
Зубчатая мельница Средневековья была на самом деле общим механизмом для использования энергии.