Для чего использовалось водяное и верхнебойное колесо
Для чего использовалось водяное и верхнебойное колесо
СРЕДНЕВЕКОВЫЕ КОРНИ
ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕВОЛЮЦИИ
Принято считать, что начало промышленной революции было положено в XVIII и XIX вв., когда человек овладел энергией пара. Исследования последних лет показали, что еще задолго до этого существенную роль играли механизмы, приводимые в движение энергией воды
Исторические факты свидетельствуют, однако, что задолго до XVIII столетия ручной труд начали заменять механизмы, приводимые в действие силами природы, например, водяные колеса; в некоторых странах Европы эти механизмы получили широкое распространение. Иными словами, зарождение промышленности в Европе следует рассматривать как эволюционный процесс, начавшийся по меньшей мере в VIII или IX в., когда европейцы стали активно использовать энергию воды в различных производствах.
Хотя воду можно использовать как источник энергии с помощью различных приспособлений, наиболее распространенным является устройство, представляющее собой колесо с лопастями или черпаками. Такое колесо можно устанавливать либо горизонтально, либо вертикально. До появления в 1830 г. водяной турбины горизонтально расположенные водяные колеса были проще, чем колеса с вертикальной установкой. В первых водяных мельницах небольшое горизонтальное колесо с лопастями укреплялось на нижнем конце вертикального вала. Верхний конец вала соединялся непосредственно с жерновом, без каких-либо шестерен. Постройка такого типа мельниц обходилась недорого, но, как правило, они были маломощными (менее 1 л.с.), а их коэффициент полезного действия составлял всего 5-15%. Мельницы с горизонтальными колесами к тому же трудно было приспособить для каких-либо иных целей, кроме как для помола зерна. В силу этих причин их роль в развитии в Европе средств, основанных на использовании энергии воды, была невелика.
Гораздо большее влияние на развитие этих средств оказали водяные механизмы с вертикальными колесами. Наибольшее распространение получили два типа таких колес: подливные и черпаковые (верхнебойные). Первые из них были проще. Они имели на ободе плоские закругленные лопасти и приводились в движение потоком воды. Подливные колеса могли работать почти в любых относительно обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках. Вертикальные колеса были в 3-5 раз мощнее горизонтальных, а их к.п.д. составлял 20-30%.
При использовании верхнебойных колес 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 колес обходилось дороже, чем подливных или горизонтального типа, поскольку для них нужно было сооружать запруды и поднимать уровень русла водного канала, и, кроме того, они не могли работать при подаче большого количества воды. 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 была от 2 до 40 л.с. (В среднем мощность составляла 5-7 л.с.)
Хотя в древности изобретали как подливные, так и верхнебойные колеса, ни те, ни другие не получили широкого распространения. Например, еще в I в. до н.э. римский изобретатель Витрувице дал описание подливного колеса в книге «De architectura» в том месте, где речь шла о редко используемых технических устройствах. В древних документах подобных упоминаний об использовании энергии воды можно найти не более десятка.
Эти правила и побудили монахов к сооружению водяных установок, потому что только при условии механизации трудоемких ручных работ, таких, как помол зерна, монастыри могли обрести самостоятельное существование, а их обитатели иметь время для чтения книг и молитв. Пожалуй, наиболее активным в строительстве таких установок был цистерцианский монашеский орден, имевший к началу XIV в. более 500 монастырей. По существу, все они имели водяные мельницы, а многие даже по пять и больше.
Теперь рассмотрим экономические факторы, которые в средние века способствовали расширению сферы применения энергии воды. Избыток рабочей силы, характерный для Римской империи в период ее наивысшего расцвета и, возможно, послуживший причиной отказа от использования энергии воды, в Европе к VII столетию уже не наблюдался. Последовавшая вслед за этим нехватка рабочей силы заставляла прибегать к механизмам, заменяющим труд человека. Этому, по-видимому, содействовало и географическое положение Европы. Центр средневековой европейской цивилизации располагался в бассейнах рек, впадающих в Бискайский залив, Ла-Манш и Северное море. В этом районе были сотни небольших и средних рек с довольно постоянным уровнем воды, что создавало благоприятные условия для использования водяных колес. В то же время центр античной цивилизации находился в средиземноморском бассейне, где уровень воды в реках из-за сухого климата был неустойчив и подвержен сезонным колебаниям.
Что же касается других европейских стран, то относительно рассматриваемого периода мы не имеем достаточно полных данных. Вероятно, некоторые страны по уровню технического развития опережали Англию. Однако сведения, относящиеся к более позднему периоду, говорят о том, что замена ручного труда, должно быть, происходила столь же быстро, как и в Англии. Например, в 1694 г. французский военный инженер маркиз де Вобан отмечал, что во Франции имеется 80 тыс. мукомольных мельниц, 15 тыс. мельниц, используемых в промышленных целях, и 500 мельниц для измельчения железной руды. В общей сложности Франция располагала более чем 95 тыс. мельниц, хотя часть из них, особенно мукомольные, приводились в движение не водой, а ветром.
Другим примером нового применения энергии воды, когда вращательное движение обрабатывающего инструмента происходит в той же плоскости, что и вертикального водяного колеса, являются токарные станки (самые ранние свидетельства об использовании энергии воды в этих целях относятся к XIV в.), сверлильные станки (XV в.), роликовые станки для получения металлических листов и ротационные резаки для их разрезания (XV в.), вентиляторы для шахт, шахтные подъемники и насосы для шахт с цепным приводом (XVI в).
Мельница для дробления золотоносной руды, приводимая в движение одним водяным колесом ( вверху слева ). Рисунок взят из книги Георгиуса Агриколы «De re metallica», изданной в 1556 г. Переработка золотоносной руды осуществлялась в несколько этапов. Сначала руда дробилась молотом (С), поднимаемым кулачковым механизмом. Затем дробленая руда измельчалась в порошок двумя жерновами ( справа от водяного колеса). Два запасных верхних куполообразных жернова (D, Е) лежат по сторонам от нижнего запасного жернова; один из верхних жерновов перевернут, чтобы было видно отверстие, через которое подается дробленая руда. Через выводное отверстие (Н) в нижнем жернове измельченная руда высыпается в первый из трех осадочных чанов (О) с водой. Суспензия измельченной руды перемешивалась в чанах лопатками, которые приводились в движение с помощью выступов (X) на валу колеса.
Кулачковый механизм применялся в рудодробильных мельницах, изображение которых приведено в книге XVI в. «De re metallica». Кулачки на валу колеса зацепляли, а затем отпускали выступы на штанге каждого рудодробильного молота.
Вращательное движение преобразовывали в поступательное и с помощью кривошипного механизма.
Он представляет собой подвижное соединение собственно кривошипа, шатуна и ходового вала.
Спаренные кривошипы, приводимые в действие верхнебойным колесом через зубчатую передачу, преобразуют вращательное движение в поступательное, как показано на этом древнем рисунке, заимствованном из книги «De re metallica». Прямолинейное движение передается поршням двух пар шахтных насосов. Нижние насосы в каждой паре поднимают воду из ствола шахты в лоток, из которого верхние насосы перекачивают воду в желоб, расположенный выше.
Рычажные молоты, приводимые в движение водяным колесом, в IX в. могли использоваться вместо жерновов в солододробилках, однако самое широкое распространение они получили в Х и XI вв. для выделывания сукна и пеньки. Сотканную из шерстяной пряжи ткань нужно было отбивать в очищающих растворах. В результате ткань, во-первых, становилась чище и без остатков бараньего жира. Во-вторых, она давала усадку до того, как ее использовали для пошива одежды. И, в-третьих, шерстяные нити при этом сваливались и за счет этого ткань становилась прочнее.
C древних времен изготовление сукна производилось вручную. Лишь в XI столетии этот процесс удалось механизировать с помощью приводимого в действие водяным колесом рычажного молота с кулачковым механизмом.
Мельницы с катящимся жерновом отличались от мукомольных тем, что верхний камень катился по нижнему, а не вращался на нем, соприкасаясь всей плоскостью. Изобретенные в XI-XII вв. такие мельницы использовались для переработки маслин и получения из них масла или для переработки сахарного тростника. Рисунок заимствован из книги 1607 г. Витторио Зонка «Novo teatro di machine».
В кузницах XVI в. использовались мехи, приводимые в действие подливными колесами. С помощью таких мехов достигались высокие температуры в кузнечных горнах. Возвратно-поступательное движение обеспечивалось кривошипным механизмом. Рисунок взят из книги Агустино Рамелли «Le diverse et artificiose machine», изданной в 1588 г.
Другим механизмом, преобразующим вращательное движение в поступательное, был кривошипный механизм. В Европе кривошипный механизм появился несколько позже, чем в Китае, где он был известен уже во II в. В поздний античный период кривошипные механизмы, возможно, использовались в качестве приспособлений, облегчающих вращение жерновых камней вручную; в том виде, в каком он известен нам, кривошипный механизм стал применяться в Европе лишь в IX в. Свидетельством тому является содержащееся в утрехтской псалтыри описание кривошипного механизма, с помощью которого вручную вращали точильный камень. В позднем средневековье кривошипный механизм стали использовать вместе с водяными колесами и в некоторых случаях ими заменяли кулачковый механизм. За счет того, что этот механизм при его использовании совместно с водяным колесом в качестве привода насосов, лесопильных установок и кузнечных мехов задавал движение в двух направлениях, он имел значительные преимущества по сравнению с кулачковым, который обеспечивал только однонаправленное перемещение. Кривошипными механизмами снабжали и ручные захваты и волоки в волочильных станах, появившихся в XIV или XV в.
Те же рычажные молоты, работающие от водяного колеса, которые в XII в. механизировали обработку конопляного волокна, к середине XVIII в. стали использоваться в льняной промышленности. До этого изготовление льняного холста полностью осуществлялось вручную. После уборки льна стебли растения выдерживали в воде, затем их вручную отбивали для отделения волокон. Из скрученных в нити волокон ткали ткань, которую после от-стирывания отбивали легкими деревянными молотками, тем самым уплотняя ее и делая более гладкой.
Начало промышленной революции конца XVIII в. обычно относят ко времени появления в Англии первых хлопкопрядильных фабрик. Известно, что до 70-х годов XVIII в. никакие процессы, связанные с производством хлопчатобумажных тканей, не были механизированы на основе водяных установок. В то же время энергия воды широко использовалась для механизации процессов в различных производствах, в том числе и в текстильном, но не связанном с хлопкопрядением. Как уже говорилось, станки с водяными колесами до 1770 г. широко использовались и для изготовления сукна из шерсти, и для скручивания шелковых нитей, и в производстве льняного полотна.
Хлопкопрядильное производство было не единственным, где в конце XVIII в. ручной труд стали заменять механизированные станки. Также не единственной была эта отрасль и по концентрации мощности. Мощность большинства первых станков для производства хлопчатобумажных тканей достигала 10-20 л.с. Начавшаяся в 90-х годах XVIII в. замена в хлопкопрядильном производстве водяных установок на паровые машины не принесла существенных сдвигов, поскольку мощность первых паровых машин не превышала 20 л.с. Даже позже, в 30-е годы XIX в., средняя мощность механизированных хлопкопрядильных станков не была выше 35 л.с. Нельзя сказать, что при использовании энергии воды такие мощности были недостижимы в период с IX до середины XVIII в.
Такое групповое использование водяных колес практиковалось, хотя и не повсюду. Например, в IX в. монастырь Корбье близ Амьена (Франция) имел водяные мельницы с шестью колесами. В монастыре Ройямол в окрестностях Парижа был тоннель диаметром 2,5 м и длиной 32 м, в котором работало несколько водяных колес для помола зерна, дубления кож, изготовления сукна и выплавки железа. В 1136 г. монастырь Клерво близ г. Труа имел водяные колеса, предназначавшиеся для помола зерна, валяния сукна и дубления кожи.
Комплекс из 14 водяных колес на р. Сене в Марли-ле-Ройе, в 14 км к западу от Парижа, был сооружен в 80-х годах XVII в. Комплекс развивал мощность на валу от 300 до 500 л.с., но полезно использовалось лишь 80-150 л.с., остальное терялось в насосах и тратилось на механическую передачу. Колеса качали воду, поднимая ее на акведук, расположенный на высоте 153 м над уровнем реки. Вода доставлялась к нескольким паркам дворца Людовика XIV.
Технические сооружения, использующие энергию воды, получили распространение и в Новом Свете. На юге Боливии близ г. Потоси в Андах испанцы для разработки богатых серебряных залежей в 1573 г. приступили к строительству системы плотин, водохранилищ и каналов для подачи воды на рудодро-бильные водяные мельницы. В 1621 г. система включала 32 плотины, По главному каналу длиной 5 км вода подавалась на 132 дробильные мельницы, расположенные недалеко от города. Мощность всей системы составляла 600 л.с.
В. Gille. Le moulin a eau: une revolution technique medievale. // Techniques et civilisations. Vol. 3, pages I-15; 1954.
Norman Smith. Man and water: a history of hydro-technology. Peter Davies, Ltd., 1976.
Jean Gimpel. The medieval machine: the industrial revolution of the middle ages. Holt, Rinehart and Winston, 1976.
Terry S. Reynolds. Stronger than a hundred men: a histoiy of the vertical water wheel. The Johns Hopkins University Press, 1983.
Скажите пожалуйста, как работает верхнебойное колесо и какю работу оно выполняет на мельнице?
Существует три типа водяных колес. Если вы увидите, что вода падает на колесо сверху и поворачивает колесо силой тяжести, — знайте, что такое колесо называется верхнебойным.
Так выглядят самые древние и самые простые двигатели — водяные колеса. С помощью этих двигателей человек использовал энергию воды.
Но хорошо ли водяная энергия была использована? Не пропадала ли часть энергии зря? Столько ли энергии человек получал от двигателя, сколько вода могла этому двигателю сообщить?
Иными словами, — каков был коэффициент полезного действия такого двигателя, то есть какая доля подведенной к двигателю энергии могла быть снята с вала двигателя для полезной механической работы?
Коэффициент полезного действия обычно выражают либо в процентах, либо в долях единицы. О коэффициенте полезного действия — или КПД, как его сокращенно записывают, — мы будем часто говорить в этой книге.
Так вот, в случае водяных колес оказывалось, что лучше всего использовалась энергия воды в верхнебойном колесе, где вода падает. Коэффициент полезного действия (КПД) этого колеса доходил до 75 %. Среднебойное колесо имело КПД 65 %, а нижнебойное и того меньше.
На картинках:
1.Верхнебойное колесо
2. Среднебойное колесо
3. Нижнебойное клоесо.
