Для чего нужна кузница с водяным двигателем
О кузнецах и кузницах
Водяные кузницы
В XVIII веке царь Пётр I начал широкое строительство Российского флота. Потребовалось особенно много якорей и разных металлических деталей. Ковать их вручную было очень трудно, да и качество получалось довольно плохое. Вот и приказал Пётр I строить на несудоходных реках водяные кузницы, или, как их ещё называли, «самоковы вододействующие».
Облегчить работу кузнеца помогла вода. Она крутила колёса, которые поднимали тяжёлый молот. Такой молот заменял 20 молотобойцев
Реку перегораживали плотиной. В плотине делали «окно» и против него ставили большое колесо с лопастями. Вода колесо крутит, колесо вал с кулачками поворачивает, а кулачки тяжёлый молот поднимают и мехи качают.
Довольны кузнецы, теперь вода за них работает. А они только горячие заготовки из горна вытаскивают да под тяжёлый молот подкладывают.
В XVIII веке, при царе Петре I, началось строительство металлургических заводов
Один водяной молот заменял двадцать здоровых молотобойцев!
Паровые молоты
В XIX веке бурно развивалась промышленность. С каждым годом требовалось всё больше и больше кованых деталей для различных машин и механизмов. Водяные кузницы уже не могли справляться со всеми заказами. Строить новые кузницы у рек не всегда было удобно, да и реки нужны были для судоходства. Вот и стали думать, как заставить работать молоты другим способом.
Люди замечали, что при кипении воды образуется пар. У чайника с кипящий водой пар поднимает крышку и вообще обладает такой силой, что может разорвать чайник, если крышка будет плотно закрыта. Но, как приспособить этот пар к работе, не знали. Только во второй половине XVIII века талантливый русский изобретатель Иван Иванович Ползунов создал первую в мире паровую машину. И ещё спустя много лет после смерти Ползунова английский инженер Д. Несвит на том же принципе сделал первый паровой молот.
Люди видели, что пар обладает большой силой, и заставили его работать. Так был создан паровой молот
Пар в цилиндре поднимал поршень и вместе с ним тяжёлую болванку, или «бабу», как называют её кузнецы. Когда пар из цилиндра выпускался, то тяжёлая «баба» падала вниз и ковала раскалённую заготовку.
Водяная мельница
Наша главная пища — хлеб. Он готовится из муки, а её получают, измельчая зерно. Перемалывание муки — тяжёлый труд, и, когда с развитием сельского хозяйства стали производить много зерна, проблема с его переработкой встала особенно остро. Неудивительно, что именно в мукомольном деле возникла одна из первых в истории машин — водяная мельница, вращаемая энергией течения рек.
Чем молоть муку
В древнейшие времена зерно толкли пестиком в ступке, потом выяснили, что легче растирать зерно между двумя камнями, в зернотёрке. Идея использовать вращательные движения при растирании зерна пришла с изобретением колеса. Так появился ручной жёрнов — два дисковидных камня, скользящих один по другому, между которыми перетиралось зерно. В Древней Греции и Риме уже были жернова всех размеров.
Маленькие жернова, наподобие кофемолок, одной рукой держали, а другой вращали. Большие жернова ставили на колоду и вращали двумя руками. Были и огромные жернова, которые крутили рабы, быки или ослы. Монотонность этой работы натолкнула на мысль придумать двигатель, заменив им мускульную силу человека и животных.
Колесо и река
Прототип мельничного колеса — водочерпальное колесо, чадуфон, который появился ещё в V в. до н. э. в Египте, Китае и Индии. Чадуфоны поднимали из реки воду для орошения полей. По периметру большого обода, нижней частью погружённого в реку, насаживались черпаки. Обод вращался, черпаки по очереди опускались воду, зачерпывали её, поднимались наверх и опрокидывались в жёлоб, ведущий к оросительному каналу.
Первые чадуфоны вращались вручную, но там, где течение быстрое, обод стали снабжать лопатками — появилось водяное колесо. Течение напирало на лопатки и проворачивало колесо — так появилась поливальная машина, первый механизм, работающий без участия человека, за счёт природной энергии. Там, где течение было недостаточно сильным для вращения колеса, реку перегораживали плотиной, создавая искусственный водопад, а колесо ставили под ним так, чтобы вода вращала его, падая на лопатки сверху. Изобретение такого природного двигателя породило идею его использования и для других целей — например, для вращения жерновов.
Колёсная передача
Водяное колесо вращается в вертикальном положении, а жернова вращаются в горизонтальном положении. Как передать движение от водяного колеса к жерновам? Древние изобретатели, например Ктесибий, уже использовали для аналогичных устройств колёсную (зубчатую) передачу.
Если 2 колеса плотно соприкасаются, то, как только одно начинает вращаться, другое из-за возникающей между ними силы трения тоже будет вращаться. Но гладкие колёса проскальзывали, и «связку» меж ними усилили с помощью зубцов. Зубчатое колесо также называют шестерёнкой. Вращающееся колесо называется ведущим, а колесо, которому передаётся вращение, — ведомым.
Устройство мельницы
Водяная мельница появилась во II в. до н. э. и состояла из трёх основных частей: двигательного механизма (водяного колеса), передаточного механизма (системы зубчатых передач) и исполнительного механизма (жерновов).
Рядом с рекой, на которой установлено водяное колесо (1), строилось здание (2), в котором помещался мельничный механизм. На одной оси (3) с водяным колесом крепилась вертикальная шестерёнка (4). Она вращала горизонтальную шестерёнку (5), образуя первую зубчатую передачу. Шестерёнка (5) через общую ось передавала вращение шестерёнке (6), а та второй зубчатой передачей заставляла вращаться горизонтальную шестерёнку (7). Шестерёнка (7) и насаженный на её ось нижний жёрнов (8) вращались вместе. Нижний жёрнов на полу второго этажа скользил в полозе неподвижного верхнего жёрнова (9), прикреплённого к потолку. На третьем этаже находилась воронка (10) для подачи зерна в жернова. Мешки с зерном (11) наверх поднимались с помощью полиспаста (12). Смолотая мука из отверстия нижнего жёрнова по деревянной трубе (13) ссыпалась в мешки на первом этаже (14). Для отключения мельницы перегородкой (15) перекрывали поток, текущий к водяному колесу.
Развитие идеи
Водяные мельницы в мукомольном производстве использовались до начала XX в. В качестве гидравлических двигателей водяные колёса применялись для насосов в шахтах и рудниках, для размола бумаги на бумажных фабриках, для вздувания кузнечных мехов, для лесопилок и разных станков. С XII в. наряду с водяными стали появляться ветряные мельницы. Они были устроены так же, как и водяные, но приводились в движение энергией ветра, а не воды. В наше время устройства, подобные водяным и ветряным мельницам, вырабатывают электроэнергию — водяные колёса применяются в гидростанциях, а ветряные вертушки — в ветрогенераторах.
1. Водяные колеса
В 1817 году французское правительство основало в Сент-Этьенне Высшую школу горных наук. Когда состоялся первый набор учащихся, о школе знали очень мало. На первый курс поступило всего только восемь человек, преимущественно уроженцев Сент-Этьенна.
Среди этих восьми человек находился сын учителя математики Сент-Этьеннской гимназии Бенуа Фурнейрон. Он хорошо выдержал приемный экзамен, но с включением его в число принятых было немало хлопот: мальчик родился 1 ноября 1802 года и, таким образом, не имел даже полных пятнадцати лет. Только ссылаясь на способности Фурнейрона, экзаменаторам удалось добиться согласия дирекции на зачисление его в школу.
Администрация школы не имела поводов сожалеть о своем решении. Мальчик учился отлично. Но семеро товарищей Фурнейрона провели бы, вероятно, свои школьные годы веселее, если бы между ними не было этого способного, но не очень приятного юноши. Он был угрюм, вечно недоволен, ужасно обидчив, страшно самолюбив л к тому же обладал острым и злым языком. Маленькие глазки, большой нос, грубые черты лица, медвежья сила и медвежья неловкость делали его еще более неприятным.
Сам Фурнейрон мало страдал от своего одиночества в школе; он упорно занимался и нисколько не тяготился отчуждением товарищей. Самолюбие толкало его стать первым в школе, а упрямство заставляло доводить до конца все свои предприятия.
Новая школа не имела точной программы. Даже не было определенной установки, кого, в сущности, она готовит: инженеров или техников, директоров горных промыслов или только мастеров. Все предоставлялось случаю, все зависело от самих учащихся и учителей. И если впоследствии Сент-Этьеннская школа завоевала репутацию первоклассного учебного заведения, то этим она была обязана подбору студентов первого выпуска й составу преподавателей. Среди них особое место занимал профессор Бурден.
Он читал студентам курс высшей математики и основы механики. Бурден, талантливый конструктор, к несчастью, не обладал практическим умом, настойчивостью, нужными для успешного осуществления даже гениальных идей. Бурден знал это и потому, может быть, предпочитал сеять свои идеи среди тех, кто с большим успехом мог бы их осуществить, нежели он сам.
Лектор он был блестящий. Свое изобретательское дарование он употреблял на то, чтобы конструировать всевозможные приборы для различных экспериментов, увлекавших учеников.
Некоторое увлечение Бурдена гидравликой, в частности водяными двигателями, в век пара казалось странным и старомодным. Это был «конек» учителя, с которого он уже не мог сойти, раз сев на него. Но надо сказать, что на самом деле в увлечении профессора Бурдена не было ничего смешного и тем более старомодного. Наоборот, оно показывало, что Бурден очень хорошо понимал запросы своего времени.
Несмотря на распространение парового двигателя, вододействующие колеса еще продолжали развиваться, главным образом в направлении увеличения их мощности.
В Англии, на родине Уатта, уже после его смерти, по проекту инженера Смитона было сооружено водяное колесо — одно из самых больших в мире. Диаметр его равнялся двадцати одному метру. Колесо делало один оборот в минуту, и мощность его достигала двухсот лошадиных сил. Поставленный в устье реки Клайд, на которой когда-то ловил рыбу маленький Уатт, этот железный гигант обслуживал бумагопрядильную фабрику.
Подобных же размеров водяное колесо англичане выстроили несколько позднее для откачивания воды из рудников на острове Мен. Оно приводило в движение штоки двух водяных насосов, поднимавших с глубины ста двадцати метров шесть кубических метров воды в минуту. Приводила в движение это колесо вода, собиравшаяся с горного кряжа в особые резервуары. Из резервуаров она подводилась к колесу подземными каналами, поднималась в башню и отсюда уже падала на колесо.
У нас на Нарвской мануфактуре мощность водяного колеса достигала 600 лошадиных сил.
Основной недостаток гидравлического двигателя заключается в его зависимости от наличия водяного потока. Промышленное предприятие должно располагаться возле реки, не считаясь с неудобствами, которые возникали от этого. Чтобы смягчить такую зависимость, приходилось строить иногда целые системы каналов, плотин, запруд, через которые вода из реки подавалась на промышленное предприятие.
Вододействующие колеса, как и ветряные мельницы, встречаются еще и сейчас в глухих уголках земного шара. При этом за две тысячи лет существования они не претерпели никаких существенных изменений. Изменялись лишь способ подведения к ним воды и материал, из которого они делались. В зависимости от способа подведения воды водяные колеса разделялись на подливные и наливные. Самые древние, подливные колеса ставились на реке так, что вода силою свободного течения действовала на нижние лопатки колеса. К наливному колесу вода подводилась сверху и работала своим весом, падая на лопатки. В зависимости от того, к какой части колеса подводилась вода, колеса назывались верхненаливными, средненаливными, заднебойными.
Разнообразие конструкций этих колес свидетельствует о том, что попытки найти наиболее выгодный способ использования водяного потока были основной заботой конструкторов в те времена, когда гидравлический двигатель был самым распространенным и почти единственным, если не считать ветряных мельниц, механическим двигателем.
В то же время не прекращались и попытки увеличить энергетическую эффективность водяных колес за счет их размеров и конструктивного совершенства.
История оставила нам немало рассказов о различных вододействующих установках, поражавших умы современников как своими размерами, так и остроумным устройством.
Наибольшую же известность получили русские гидромеханические сооружения на Урале и особенно — грандиозная гидросиловая установка Змеиногорского рудника на алтайских Колывано-Воскресенских заводах.
Об этой установке «Горный журнал», издававшийся в Петербурге, писал в 1827 году:
«Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человечества, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптман 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов».
С начала XVIII века русское правительство обращало особое внимание на необходимость усиленного развития горнозаводского дела. Поиски руд начались у нас еще до Петра, причем уже тогда «разведывателями» были охвачены районы и далекого Севера и Урала с Зауральем. В XVII веке были основаны у нас и первые «вододействуемые» чугунные и медеплавильные заводы. Правда, некоторые из предприятий XVII века оказались недолговечными, но часть железоделательных заводов, в том числе и все крупные, имевшие гидротехнические сооружения в виде водяных колес, сохранились до XVIII века, когда началась бурная деятельность Петра по развитию металлургии в России.
Железоделательная промышленность достигла особенного развития на Урале. Уральское железо конкурировало на европейском рынке с самым высококачественным шведским железом и вывозилось даже в Англию, шедшую впереди других стран в своем промышленном развитии.
Для приведения в движение различных горнозаводских механизмов — «толчейных мельниц», измельчавших руду, воздуходувных мехов, водяных насосов — на Урале, на Алтае строились вододействующие колеса, принадлежащие к разряду гидравлических, то есть действующих водой, двигателей.
Гидравлические двигатели на Урале составляют славу товарища по школе и друга Ползунова — Кузьмы (Козьмы) Дмитриевича Фролова (1726–1800).
Так же как Ползунов, Фролов со школьного возраста, одновременно с изучением наук «словесных и арифметических» — геометрии, тригонометрии, механики и черчения, — непосредственно на производстве присматривался к делу и «руками по возможности применялся и о искусстве ремесла, в чем оное состоит, внятно уведомлялся и рассуждал: из чего лучше или хуже может быть».
Юноша был чрезвычайно привержен и к рассуждению и еще более к ручному труду. Он удивлял своих учителей способностью понимать с первого взгляда устройство машин и механизмов и «что потребно прибавливать или убавливать» во вновь проектируемом механизме для улучшения его работы. Однако, начав свою деятельность в качестве «горного ученика», Фролов не скоро стал собственно механиком. Первые тринадцать лет трудовой жизни, подобно Ползунову, он выполнял различные поручения горного начальства: то наблюдал за работами по промывке золота, то отправлялся для разведки новых рудных месторождений, причем иногда, в очень отдаленные местности.
Этот человек высокого роста, с большой черной бородой, одетый в длиннополый, стеснявший движения кафтан, был похож на сказочного русского богатыря. Он строил на Алтае машины для промывки руды, спроектировал, построил и пустил в ход водяные толчейные мельницы, измельчавшие руду. В Барнауле Фролов сделал водяные колеса для кузнечного молота. За годы своей инженерной деятельности на Алтае Фролов осуществил множество самых разнообразных конструкций, составивших ему известность не только на Урале, но и в Петербурге, куда его вызывали для инженерных работ на Онеге.
И только в 1781 году, когда Кузьма Дмитриевич был назначен управляющим Змеиногорского рудника, самого старого и самого богатого драгоценными металлами, ему предоставилась возможность начать перевооружение энергетического хозяйства рудника. Здесь он и проявил свой талант, изобретательность и ясное понимание необходимости увеличивать повсюду и всемерно мощность орудий производства для развития производительных сил страны.
С недостатком рабочей силы Фролов столкнулся как с основным бедствием, вступив в должность управляющего. Причин этого бедствия он не понимал и думал, что все дело только в технической отсталости.
Устройство гидравлических колес Фролов хорошо изучил, строя водяной двигатель для молота барнаульской заводской кузницы. Это было небольшое деревянное колесо с прямыми лопатками на ободе. Вода падала сверху по направляющему желобу на лопатки колеса, и силою удара воды колесо вращалось. Через колесный вал движение передавалось на рукоять молота, который то поднимался, то падал. Молот плющил железо на наковальне. Такое же колесо, только гораздо больших размеров, и задумал построить для откачивания воды на одной из шахт (Вознесенской) Змеиногорского рудника новый его управляющий.
В 1783 году машина была готова. Внутри Змеевой горы, в самой шахте, механик поставил огромное деревянное колесо с механизмом для приведения в действие насосов.
Колесо вращала вода речки Змеевки, пущенная по подземному каналу. Внизу шахты были установлены насосы, которые поднимали воду с глубины в 60 метров. Но глубина шахты доходила до 100 метров, следовательно до поверхности оставалось еще 40 метров. Фролов устроил на высоте 60 метров для слива поднимаемой насосами воды наклонную подземную трубу. По этой трубе вода самотеком уходила в другую реку, Корбалиху, уровень которой был ниже уровня Змеевки.
Рабочие прозвали эту машину «слоновой» за ее небывалую величину.
Хотя машина была и очень мощной, одной ее не хватало для обслуживания всего рудника. Да к тому же она только откачивала воду, а руду из шахт по-прежнему выносили на спине. Этого допустить механик не мог.
Он понимал, что для увеличения производительности шахт нужны были новые машины, и принялся за составление проекта рудоподъемной машины.
Конечно, прежде чем взяться за новое дело, Кузьма Дмитриевич с пристальным вниманием начал изучать книги по механике, где имелись описания различных гидротехнических устройств. Книг таких тогда было мало, но они все-таки были. Нашлись они и в барнаульской библиотеке, которую отлично знал Ползунов.
Советуясь с другом своим по поводу прочитанного, руководствуясь отчасти и своим опытом, Фролов успешно справился с задачей. По его проекту в сарай, где стояла машина, был проведен желоб, по которому вода поступала из штольни, идущей от пруда. Желоб входил в деревянный ящик, называвшийся ларем. На дне этого ящика имелись три отверстия — «окна», закрывавшиеся каждое клапаном. Ящик устанавливался прямо над колесом, причем так, чтобы вода, пущенная из двух отверстий, падала как раз на его лопатки. Колесо машины было разделено по ширине обода на две равные части, то есть лопатки по колесу шли двумя параллельными рядами, но обращенные в противоположные стороны. Это нужно было для того, чтобы вращать колесо в ту или другую сторону. На валу колеса были накручены канаты, поднимавшие бадьи с рудой; при вращении вала они то сматывались, то наматывались, в зависимости от направления хода колеса. Третье отверстие на дне ларя открывали, когда нужно было колесо остановить. Вода поступала в ларь беспрерывно; следовательно, когда колесо стояло, то есть когда оба отверстия для стока воды на лопатки были закрыты, необходимо было прибывающей воде дать сток, иначе она полилась бы через край. Для предупреждения этого и служил третий клапан. Через него вода выливалась мимо колеса в подземный канал, идущий к другой машине — водоотливной, стоящей на Екатерининской шахте.
Колесо необходимо было останавливать и на то время, пока поднятую бадью разгружали, а нижнюю, находившуюся на дне шахты, нагружали рудой. Тяжелое, намокшее колесо, конечно, не сразу останавливалось в силу инерции, и конструктор сделал на другом конце вала второе колесо, поменьше и уже без лопаток, приладив к нему тормозные колодки. Когда рабочее колесо требовалось остановить, нужно было только прижать эти колодки к ободу второго колеса. Делалось это специальными рычагами, и с торможением справлялся любой рабочий.
Фролов установил на валу своей машины тормозное колесо без лопаток.
Из этого описания легко судить о конструктивной сложности машины и необычайной изобретательности русского механика.
Конечно, при постройке ее Фролову пришлось преодолеть немало трудностей, но ни одна из них не привела механика к разочарованию или к неверию в творческие силы своих помощников и свои собственные.
Испытания этого грандиозного сооружения дали превосходные результаты, и Кузьма Дмитриевич немедленно взялся за проектирование, а затем и строительство еще одной машины на той же Екатерининской шахте для откачивания воды из нижних выработок. Эта машина конструктивно была задумана еще смелее рудоподъемной. Колесо имело такие же гигантские размеры, как и на Вознесенской шахте. Оно было 15 метров в диаметре. Собрать такое колесо, да еще деревянное, поднять и насадить на вал представляло задачу трудную, требовавшую от строителя находчивости для борьбы с постоянно возникавшими затруднениями.
Колесо двигало поршни насосов, установленных глубоко на дне шахты в два ряда, по девять в каждом. Насосы переливали воду в корыта, стоявшие над ними, а из них верхние насосы перекачивали ее еще выше, в устроенные на этой высоте другие корыта. Вода поднималась, как по лестнице, со ступеньки на ступеньку. Такое устройство позволяло качать воду со стометровой глубины. Передача от колесного вала к поршням насосов была тоже очень сложной, причем сложность конструкции удваивалась от ее размеров и несовершенства дерева как машиностроительного материала.
Длинные тяги, идущие от кривошипа укрепленного на валу колеса, лежали на подвижных катушках на всем протяжении — от колеса до колодца с насосами. Кривошип, вращаясь по кругу, тянул всю цепь и вытягивал поршневые штоки насосов. Обратное движение происходило само собой: тяжелые шесты насосных приспособлений тянули всю систему вниз силой собственного большого веса.
Четвертая машина, поставленная на Вознесенской шахте, была копией построенной в 1783 году. Она имела такое же гигантское колесо и устроена была почти так же, как и екатерининская.
Когда все водопроводящие каналы были прорыты, машины и вспомогательные механизмы установлены, началась постройка плотины, чтобы собрать достаточное количество воды для работы всех этих машин.
Чтобы запрудить реку Змеевку, поперек течения забили сваи, заплели их фашинами, а в промежутки навалили камень и землю. Плотина высотой в 23 метра, длиной 128 метров и шириной от 96 до 21 метра подняла воду и образовала пруд площадью в 6 квадратных километров. Это была серьезная гидротехническая задача, которую Фролов разрешил блестяще.
Через плотину были проложены две канавы с каменным дном и стенками: одна — чтобы спускать лишнюю воду весной или после больших дождей, с подъемными ставнями для запора воды, если понадобится. Через другую канаву вода шла беспрерывно и служила для пуска воды на систему подземных каналов и желобов, подводивших воду к рабочим колесам машин.
В своем стремлении достигнуть предельной мощности Фролов построил самые большие в мире деревянные водяные колеса. Даже одно из чудес французского короля Людовика XIV — водяное колесо голландского архитектора Реннекена, подававшее воду в фонтаны Версальского парка, — уступало по величине и конструктивному совершенству змеиногорским сооружениям Фролова.
Поставленные на шахтах для разных производственных целей, водяные колеса Фролова имели диаметр, равный высоте нынешнего пятиэтажного дома. Как ни развито было на Руси плотничное дело, как ни велик был опыт строителей русских плотин и мельниц, нельзя не удивляться инженерному искусству и математической точности Фролова, сумевшего так рассчитать все части колеса, что оно не разваливалось на куски от собственной тяжести и от силы инерции во время работы. Поражали современников и все остальные части сооружения: насосы и приводы к ним, плотины и пруд.
Но дело не только в размерах и грандиозности сооружений Фролова, а в их конструктивном совершенстве, в необычайном умении русского механика использовать стихийную силу водного потока как источник энергии.
Повадки водяной стихии, свойства воды как силы Фролов знал, вероятно, как никто в мире. Он не ограничивался строительством водяных колес для нужд рудника. Для удовлетворения своей изобретательской страсти Кузьма Дмитриевич строил, например, водяные часы, где механизм приводился в движение водой, а показывали эти часы время с точностью маятниковых часов.
После смерти Ползунова Кузьма Дмитриевич с необычайным искусством исправил насосы в его машине.
Кузьма Дмитриевич до последних дней своей жизни гордился дружбой с великим русским теплотехником. По странной случайности, пережив на много лет своего друга, он умер в 1800 году в том же Барнауле, куда вызван был на заседание Горного совета.
Гидротехника на Урале развивалась и после Фролова. Именно благодаря высокому мастерству русских строителей гидравлические двигатели удерживались в России и много лет спустя после появления парового двигателя.
Все эти колеса были горизонтальными, то есть вал их располагался горизонтально. Значительно позднее появились водяные колеса с вертикально поставленным валом, колесо при этом лежало в воде.
История этих «лежачих колес» любопытна.
Установка водяного колеса, как само собой понятно, возможна только при наличии водного потока. Берега рек и речушек обычно находились во владениях помещиков, так что владелец мельницы должен был платить арендную плату за воду. Разумеется, он взыскивал ее, в свою очередь, с крестьян, привозивших на мельницу хлеб. Чаще всего сами помещики строили для окружного крестьянства большие мельницы и за помол брали значительную долю зерна.
Мельничная установка — дело несложное. С ним могли справиться и простые плотники. Однако крестьяне не имели средств строить собственные мельницы и должны были платить своим господам за помол зерном. Эти сборы за помол оказывались тягостными для земледельцев, и не мудрено, что они стремились как-нибудь обойти их. Многие прибегали к ручным мельницам и ступкам, некоторые, пользуясь протекавшим где-нибудь ручейком, в укромном месте строили маленькие водяные мельницы. Именно стремление укрыть от господ свою установку и повели к поискам конструкции лежачего колеса, которое можно было бы спрятать и избегнуть передачи под прямым углом.
Лежачие колеса, несмотря на свои небольшие размеры, оказались конструктивно более совершенными и выгодными, чем обычные, и получили большое распространение во Франции. Образцом такого практическим путем найденного наиболее совершенного водяного колеса считалось колесо мельницы в Базакле. Лопасти этого колеса помещались в огромном деревянном цилиндре и находились на дне его, почти вплотную подходя к стенкам. Вода шла в цилиндр сверху. Равномерное давление всей массы воды на крутые лопасти колеса, установленного вертикально, и свободный сток воды через особую трубу обеспечивали сильный и равномерный ход мельницы. На верхнем конце колесного вала был насажен мельничный жернов.
Изобретение деревенских хитрецов имело большие преимущества перед громоздкими господскими водяными колесами, и оно сыграло известную роль не только в борьбе крестьян со своими угнетателями. Повсеместно распространенные, долго бывшие основными двигателями в народном хозяйстве, водяные колеса не раз привлекали внимание ученых. Путем теоретических размышлений математики и инженеры стремились найти способ увеличить скорость вращения водяных двигателей, облегчить их конструкцию и тем повысить их мощность.
Таким исследованием занимался венгр Сегнер. Он предложил новую конструкцию действующего водою колеса. В основу сегнерова колеса был положен принцип реакции вытекающей из сосуда воды, высказанный лет за двадцать до этого Даниилом Бернулли, основоположником гидравлики.
Сегнерово колесо представляет собой цилиндр, вращающийся на вертикальной оси. Внизу цилиндра имеются крестообразно расположенные трубки, из которых вытекает вода, подаваемая в цилиндр сверху. При вытекании воды прибор вращается в сторону, противоположную отверстиям трубок. Колесо приводится в движение реактивной силой вытекающей воды, той самой реактивной силой, которая заставляет ракету взвиваться высоко вверх, когда из нее выбрасываются газы.
Изобретение деревенских хитрецов имело преимущества перед господскими водяными колесами.
Дальнейшие исследования действия реактивной силы истекающей из сосуда жидкости были произведены знаменитым математиком, членом Петербургской Академии наук Леонардом Эйлером. Он дал усовершенствованную конструкцию реактивного колеса, замечательную тем, что здесь вода перед входом на вращающиеся ковши проходит через неподвижные трубки, придающие ей наивыгоднейшую скорость и направление. Эйлер создал, таким образом, направляющий аппарат, отделенный от рабочего колеса.
Всю эту историю развития вододействующих колес профессор Бурден излагал перед своими слушателями со знанием дела и с увлечением. При этом он не упускал ни одного случая добавить:
«Водяной двигатель может и должен стать таким же совершенным, как паровая машина!»
Самым внимательным и способным учеником профессора Бурдена оказался Бенуа Фурнейрон.
Неуклюжий юноша с тяжелым характером, будучи студентом, не раз заменял своего учителя во время его отсутствия в качестве ассистента. Однако по окончании курса в 1819 году Фурнейрон был послан на практику в Крезо в качестве разведчика новых мест залегания угля. Он начал работать как горный инженер-геолог.
Фурнейрон и здесь проявил такие способности, что через год получил приглашение на разведочные работы в Алэ, Директор Сент-Этьеннской школы Бонье, внимательно следивший за карьерой бывших учеников, отлично знал об успехах Фурнейрона на практической работе. Бонье в это время закончил разработку проекта первой железнодорожной линии во Франции — между Сент-Этьенном и Андрезье. На разведочные работы для будущей линии он пригласил Фурнейрона. И с этим делом молодой инженер справился как нельзя лучше.
Таким образом, карьера Фурнейрона была очень далека от той области деятельности, к которой готовил его Бурден. Однако сам Фурнейрон мечтал о чем-нибудь более значительном, чем выполнение случайных и временных поручений. Ему нужно было дело большого размаха, которое он мог бы при своей настойчивости и изобретательности довести до полного конца.
В 1821 году Фурнейрон взялся организовать производство белой жести на одном металлургическом заводе. Дела этого он не знал, секрет производства тщательно сохранялся англичанами. Но Фурнейрон сам сконструировал прокатные станы и организовал производство. Конечно, ему пришлось заново изучить дело, предварительно произвести массу опытов.
Во время установки прокатных станов, приводившихся в движение обыкновенным водяным колесом, Фурнейрон и столкнулся наконец на практике с тем гидравлическим двигателем, историю которого так хорошо рассказывал профессор Бурден.
Тогда Фурнейрон понял, что увлечение его учителя было совсем не случайным.
Промышленная революция, начавшаяся в Англии, довольно быстро захватила все европейские страны. Вслед за прядильными и ткацкими станками, вслед за появлением множества вновь изобретенных рабочих машин в Англии появился двигатель Уатта. Он положил основание для крупной промышленности. Но даже и в самой Англии паровой двигатель не мог сразу вытеснить водяное колесо, не мог повсеместно его заменить. Для этого нужно было немало времени, труда, металла; средств.
Иначе обстояло дело во Франции. «Континентальная блокада», которую проводил Наполеон для изоляции Англии и подрыва ее торговли, привела к полному прекращению торговых сношений с Англией. Поэтому сюда, во Францию, новые станки, машины и паровой двигатель Уатта явились не скоро. Взоры французских предпринимателей были устремлены всецело на водяной двигатель, и не случайно, значит, именно во Франции больше всего появилось научных исследований, касавшихся вопроса об улучшении водяного колеса.
Кроме зависимости от наличия водного потока, в водяном колесе было множество других недостатков. Пользование им затруднялось зимой, при спаде воды. Водяное колесо было тихоходным, маломощным и громоздким двигателем.
Задача создания нового типа водяного двигателя, свободного от этих недостатков, была неотложной и совершенно очевидной. В то время как Фурнейрон еще только размышлял обо всем этом, старейшее французское «Общество поощрения национальной промышленности» решило объявить конкурс на проект водяного двигателя.
В качестве образца, из которого следовало исходить, общество указывало на водяное колесо мельницы в Базакле. За лучший проект назначалась премия в шесть тысяч франков. Модели следовало представить к 1 мая 1827 года.
Срок, предоставленный изобретателям, оказался недостаточным. Во всяком случае, этого времени не хватило щепетильному и требовательному Фурнейрону, чтобы закончить свои опыты со множеством построенных им моделей. Поэтому он в конкурсе не участвовал.
Представлены были в срок только два проекта. Один принадлежал голландскому механику Мари, другой — профессору Бурдену. Этот последний проект обратил на себя всеобщее внимание.
Профессор Бурден предложил совершенно оригинальную конструкцию водяного колеса, названного им «турбиной» — от латинского слова, означающего «вихрь». Турбина состояла из двух частей: рабочего колеса с лопатками и аппарата, направляющего воду на лопатки колеса. Рабочее колесо представляло собой диск, закрепленный на вертикальном валу, а вал проходил через трубу, установленную в центре направляющего аппарата. Направляющий аппарат, находившийся внутри рабочего колеса, имел шесть кривых вертикальных перегородок, образующих каналы. Они направляли воду на такие же кривые, но изогнутые в обратную сторону лопатки колеса. Вода должна была поступать сверху в цилиндрический резервуар над направляющим аппаратом, откуда, разбегаясь между его перегородками, устремлялась на лопатки рабочего колеса.
Бурден напал на замечательную идею, поместив направляющий аппарат внутри рабочего колеса. Однако при постройке модели ему не хватило практического опыта. И, когда турбину испытали на производственной работе, надежды, на нее возлагавшиеся, не оправдались.
Жюри конкурса выдало изобретателю треть премии и объявило вторичный конкурс, так как турбина Бурдена только приблизила решение проблемы, но не решала ее. Срок нового конкурса назначили на 1832 год.
На этот раз в нем принял участие и Фурнейрон.
Читайте также
Колёса блицкрига: Германия побеждала не танками, а автомобилями
Колёса блицкрига: Германия побеждала не танками, а автомобилями [111]Первый месяц Великой Отечественной войны ознаменован катастрофой советских приграничных военных округов.Особо выделяется разгром танковых корпусов на Юго-Западном фронте. Танков у нас на этом
1.6. Библейские херувимы-колесницы и средневековые планетные орбиты-колеса
1.6. Библейские херувимы-колесницы и средневековые планетные орбиты-колеса Напомним, что в Средние века ПЛАНЕТЫ иногда изображались в виде КОЛЕСНИЦ. По этому поводу см. выше раздел, посвященный Апокалипсису. В колесницы впрягались кони, иногда — фантастические животные.
Глава VII. Колеса или гусеницы?
Глава VII. Колеса или гусеницы? «Оперативный размах действий межсоединений требует наличия их оперативной подвижности, для чего все основные типы машин, входящие в состав мехсоединений, должны иметь двойной ход – колесный и гусеничный». Из доклада «О системе танкового
Таинственные деревья и колеса в океане близ Кадикса
Таинственные деревья и колеса в океане близ Кадикса История «полипа» из Картейи, которая будет повторена, причем в нескольких вариантах, экс-герцогом Генуи Баттистой Фрегозо (литературный псевдоним Фульгозиус), не единственное упоминание Плиния о головоногих моллюсках
Водяные часы
Водяные часы Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но страдали некоторыми серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что из-за этого ученые стали изыскивать иные
Водяные культы и праздник Купалы
Водяные культы и праздник Купалы В древних памятниках довольно часто говорится о водяных культах язычников. Прежде всего это молитвы у воды, жертвоприношения. Жертву клали или выставляли на берегу, и ее должна была поглотить боготворимая стихия. Некоторые старинные
ВОДЯНЫЕ ЛЮБЯТ ЛЫСЫХ
ВОДЯНЫЕ ЛЮБЯТ ЛЫСЫХ Немало поверий, суеверий оставили после себя и русские мореходы. Перво-наперво на Руси строжайше запрещалось выходить в море без нательного креста, а также без пучка травы «Петров-крест», которую также повязывали на шею. Считалось, что отсутствие
5.8. Изобретение колеса
5.8. Изобретение колеса 7. Колесо и повозка были изобретены еще в эпоху индоевропейского единства, т. е. на первоначальной территории среднестоговской культуры. Это следует из того очевидного факта, что колесо было хорошо известно уже в период индоевропейского единства.
9.1. Водяные бани (термы)
9.1. Водяные бани (термы) Важнейшим и наиболее естественным теплоносителем является вода. Если в бане холодно, человек обливается горячей водой или, например, опускает ноги в тазик с горячей водой. И даже если не холодно, то человек всё равно, моясь, обливается горячей водой
Палки в колеса премьера
Палки в колеса премьера Первые проблемы у Степашина возникли уже при формировании правительства. Главная проблема — Аксененко. Складывалось ощущение, что Кремль навязывает его председателю правительства как единственного первого вице-премьера, который должен
Меры водяные, чайные, сбитенные.
Меры водяные, чайные, сбитенные. Традиция пития на Руси предусматривала использование специальной посуды для каждого напитка.Для воды и сыта, березовицы и морса, зельевых настоев и других безалкогольных русских фруктовых и ягодных напитков обычно использовалась любая
Открытие колеса и повозки
Открытие колеса и повозки Навстречу гостю, в зной и в холод Громадой движущихся тел Многоколесный ехал город И всеми втулками скрипел. Н. А. Заболоцкий Теперь обратимся к великим открытиям древности. Одно из них — изобретение колеса — считается поворотным моментом в
Палки в колеса тандема
Палки в колеса тандема 26.10.2013 газета The New York Times опубликовала статью Михаила Ходорковского, отметив таким образом десятую годовщину ареста основателя ЮКОСа. К моменту публикации этой статьи бывшего олигарха называли уже не только «главным заключенным России» и чуть ли не
1.7. Библейские херувимы-колесницы и средневековые планетные орбиты-колеса
1.7. Библейские херувимы-колесницы и средневековые планетные орбиты-колеса Напомним, что в средние века планеты иногда изображались в виде колесниц. В колесницы впрягались кони, иногда — фантастические животные. Планета восседала на колеснице, а на колесах-орбитах