Как работает 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.

Вы никогда не думали как из зерна получается мука? Мне вот всегда было интересно как работали древние мельницы. В Суздале нам подробно все разъяснили.

Понятно, что ветер вращает эти лопасти. Каркас у них деревянный, а обтянуты они были материей, парусиной.

А знаете для чего вот эти палки сзаду мельницы? Думаете, чтобы она не попадала? 😉

А вот и фигушки. С их помощью всю мельницу ПОВОРАЧИВАЛИ, чтобы ловчей поймать ветер, ну не прикол? :-))

Механику работы мельницы нам объяснили на вот этой модели, которая находилась внутри мельницы настоящей и, в отличие от последней, была в рабочем состоянии ;-))

Ну, в общем ветер вращает лопасти, лопасти вращают вот это горизонтальное полено:

Горизонтальное полено, с помощью древних шестерёнок вращает уже полено вертикальное:

Вертикальное полено, в свою очередь, с помощью таких же шестеренок вращает эдакие каменные блины – жернова, вон там внизу, видите?:

А сверху в дырки жерновов сыпалось зерно из вот этих ящичков, похожих на перевёрнутые пирамидки. Готовая мука через дырки в деревяхе передней стенки валилась в специальный ящик, обзываемый «сусеком».

Помните сказку про колобка? 😉 «Бабка по амбару помела, по сусекам поскребла…» Я в детстве все время недоумевала, что за сусеки такие в которых можно муки намести на целый колобок? В нашей-то квартире мука по ящикам просто так не валялась. ;-)) Ну и вот, не прошло и сорока лет, как загадка была разгадана! 8-)))

Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.

Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».

Письменные и графические источники свидетельствуют о широком распространении в средней полосе и на Севере ветряных мельниц. Нередко крупные села были окружены кольцом в 20—30 мельниц, стоявших на высоких, открытых ветрам местах. Ветряные мельницы за сутки размалывали на жерновах от 100 до 400 пудов зерна. В них имелись также ступы (крупорушки) для получения крупы. Для того чтобы мельницы работали, их крылья надо было поворачивать под менявший направление ветер — это обусловило сочетание в каждой мельнице неподвижной и подвижной частей.

Русскими плотниками создано много разнообразных и остроумных вариантов мельниц. Уже в наше время зафиксировано более двадцати разновидностей их конструктивных решений.

Из них можно выделить два принципиальных типа мельниц: «столбовки»

Мельницы столбовки:
а — на столбах; б — на клети; в — на раме.
и «шатровки ».

Первые были распространены на Севере, вторые — в средней полосе и Поволжье. Оба названия отражают также принцип их устройства.
В первом типе мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Опорой служили либо дополнительные столбы, либо пирамидальная бревенчатая клеть, рубленная «в реж», либо рама.

Принцип мельниц-шатровок был иной

Мельницы шатровки:
а — на усечённом восьмирике; б — на прямом восьмерике; в — восьмерик на амбаре.
— нижняя их часть в виде усеченного восьмигранного сруба была неподвижной, а меньшая по размеру верхняя часть вращалась под ветер. И этот тип в разных районах имел немало вариантов, в том числе мельницы-башни — четвериковые, шестериковые и восьмериковые.

Все типы и варианты мельниц поражают точным конструктивным расчетом и логикой врубок, выдерживавших ветры большой силы. Народные зодчие уделяли также внимание внешнему облику этих единственных вертикальных хозяйственных сооружений, силуэт которых играл немалую роль в ансамбле селений. Это выражалось и в совершенстве пропорций, и в изяществе плотницких работ, и в резьбе на столбах и балконах.

Схема ветряной мельницы

Мельница на ослиной тяге

Мельничный постав

Самая существенная часть мукомольной мельницы —мельничный постав или снасть — состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, А и — нижнего, или нижняка, В.

Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g, сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC, укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею.

В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С.

При таком соединении бегуна с веретеном, первый вращается при вращении последнего и, в случае надобности, легко снимается с веретена. Нижний конец веретена вставлен шипом в подшипник, укрепленный на балке D. Последнюю можно поднимать и опускать и таким образом увеличивать и уменьшать раcстояние между жерновами. Веретено С вращается помощью т. н. цевочной шестерни Е; это — два диска, надетые на веретено в небольшом расстоянии друг от друга и скрепленные между собою, по окружности, вертикальными палочками.

Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F, имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном.

На ось Z надето крыло, которое и приводится в движение ветром; или, в водяной мельнице, — водяное колесо, приводимое в движение водою. Зерно вводится через ковш а и очко бегуна в промежуток между жерновами. Ковш состоит из воронки а и корытца b, подвешенного под очком бегуна.

Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухомъ N, который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающихъ зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут по наклонному желобу, в пеклевальный рукав R — для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q, из которого выставляется его нижележащий конец.

Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S, а самая грубая мука собирается в ящик T.

Жернова

Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами, на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями. От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением. Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой.

У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова? требуют своевременного подтачивания, то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.

Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.

Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.

Лучшим материалом для жерновов служит особенная каменная порода — вязкий, твердый и неспособный полироваться песчаник, называемый жерновым камнем. Так как каменные породы, в которых все эти свойства развиты достаточно и при том равномерно, встречаются редко, то хорошие жернова весьма дороги.

На трущихся поверхностяхъ жернов делают насечку, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок.

Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.

Описание конструкций и принципа действия мельниц

Столбовками мельницы названы за то, что их амбар покоится на столбе, вкопанном в землю и обложенном снаружи срубом-ряжем. В нем заделаны балки, удерживающие столб от смещения по вертикали. Конечно, амбар покоится не только на столбе, но на срубе-ряже (от слова режь, бревна, врубленные не плотно, а с прозорами). Поверх такого ряжа делается ровное круглое кольцо из пластин или досок. На него и опирается нижняя рама собственно мельницы.

Ряжи у столбовок могут быть разной формы и высоты, но не выше 4 метров. Они с земли могут подниматься сразу в виде четырехгранной пирамиды или сначала вертикально, а с какой-то высоты переходить в усеченную пирамиду. Встречались, правда очень редко, мельницы на невысокой раме.

Основание шатровок тоже может быть по форме и конструкциям различным. Например, пирамида может начаться с уровня земли, а конструкция быть не срубной, а каркасной. Пирамида может опираться на срубный четверик, а к нему могут быть пристроены подсобные помещения, тамбур, помещение для мельника и т.д.

Главное в мельницах их механизмы.

В шатровках внутреннее пространство разделено перекрытиями на несколько ярусов. Сообщение с ними идет по крутым лестницам чердачного типа через люки, оставленные в перекрытиях. Части механизма могут располагаться на всех ярусах. А их может быть от четырех до пяти. Стержнем шатровки служит могучий вертикальный вал, пронизывающий мельницу насквозь до "шапки". Он опирается через металлический подпятник, закрепленный в балке, которая лежит на брусчатой раме. Балка с помощью клиньев может перемещаться в разные стороны. Это позволяет придать валу строго вертикальное положение. Тоже самое можно проделать и при помощи верхнего бруса, где штырь вала заделан в металлическую петлю.

В нижнем ярусе на вал надета большая шестерня с кулачками-зубьями, закрепленными по наружному контуру круглой основы шестерни. При работе движение большой шестерни, умноженное в несколько раз, передается на малую шестерню или цевку другого вертикального, уже металлического обычно вала. Этот вал прошивает неподвижный нижний жернов и упирается в металлическую планку, на которой через вал подвешен верхний подвижный (вращающийся) жернов. Оба жернова одеты деревянным кожухом с боков и сверху. Жернова устанавливаются на втором ярусе мельницы. Балка в первом ярусе, на которую опирается малый вертикальный вал с малой шестерней, подвешена на металлическом нарезном штыре и с помощью нарезной же шайбы с рукоятками может быть слегка поднята или опущена. С нею поднимается или опускается верхний жернов. Так регулируется тонкость помола зерна.

От кожуха жерновов вниз наклонно пропущен глухой дощатый желоб с доской задвижкой на конце и двумя металлическими крючками, на которые подвешивается мешок, наполняемый мукой.

Рядом с блоком жерновов устанавливается кран-укосина с металлическими дугами-захватами. С его помощью жернова могут сниматься со своих мест для отковки.

Над кожухом жерновов с третьего яруса спускается жестко закрепленный к перекрытию подающий зерно бункер. Он имеет задвижку, с помощью которой можно перекрыть подачу зерна. Он имеет форму опрокинутой усеченной пирамиды. Снизу к нему подвешен качающийся лоток. Он для пружинистости имеет можжевеловую планку и штырь, опущенный в отверстие верхнего жернова. В отверстии эксцентрично устанавливается металлическое кольцо. Кольцо может быть и с двумя-тремя косыми перьями. Тогда устанавливается симметрично. Штырь с кольцом называются обечайкой. Пробегая по внутренней поверхности кольца, штырь все время меняет положение и раскачивает косо подвешенный лоток. Это движение ссыпает зерно в зевло жернова. Оттуда оно попадает в зазор между камнями, размалывается в муку, та поступает в кожух, из него в закрытый лоток и мешок.

Зерно засыпается в бункер, врезанный в пол третьего яруса. Мешки с зерном подаются сюда с помощью во’рота и веревки с крюком. Ворот может подключаться и отключаться от шкива, насаженного на вертикальный вал. Делается это снизу с помощью веревки и рычага. В досках перекрытия прорезан люк, перекрытый наклонно поставленными двухпольными створками. Мешки, проходя через люк, открывают створки, которые потом произвольно захлопываются. Мельник отключает ворот, и мешок оказывается на крышках люка. Операция повторяется.

В последнем ярусе, находящемся в "шапке", на вертикальном валу установлена и закреплена другая, малая шестерня со скошенными кулачками-зубьями. Она заставляет вращаться вертикальный вал и запускает весь механизм. Но ее заставляет работать большая шестерня на "горизонтальном" валу. Слово в кавычки заключено потому, что фактически вал лежит с некоторым уклоном внутреннего конца вниз. Штырем этого конца он заключен в металлическом башмаке деревянной рамы, основы шапки. Приподнятый конец вала, выходящий наружу, спокойно лежит на камне-"подшипнике", слегка скругленном сверху. На валу в этом месте врезаны металлические пластины, предохраняющие вал от быстрого стирания.

В наружную головку вала врезаются два взаимно перпендикулярных бруса-кронштейна, к которым крепятся хомутами и болтами другие балки — основа решетчатых крыльев. Крылья могут принимать ветер и вращать вал лишь тогда, когда на них будет расправлена парусина, обычно свернутая в жгуты в покойное, не рабочее время. Поверхность крыльев будет зависеть от силы и скорости ветра.

Шестерня "горизонтального" вала снабжена зубьями, врезанными в боковую сторону круга. Сверху ее обнимает тормозная деревянная колодка, которая с помощью рычага может быть освобождена или сильно затянута. Резкое торможение при сильном и порывистом ветре вызовет высокую температуру при трении дерева о дерево, и даже тление. Этого лучше избегать.

До работы крылья мельницы следует повернуть навстречу ветру. Для этого имеется рычаг с подкосами — "водило".

Вокруг мельницы вкапывали небольшие столбики количеством не менее 8 штук. К ним "водило" и крепилось цепью или толстой веревкой. Силою 4-5 человек, даже если верхнее кольцо шатра и части рамы хорошо смазаны солидолом или чем-то подобным (ранее смазывали свиным салом), провернуть "шапку" мельницы очень трудно, почти невозможно. "Лошадиная сила" тут тоже не годится. Поэтому пользовались небольшим переносным воротом, который попеременно одевали на столбики его трапециевидной рамой, служившей основанием всей конструкции.

Блок жерновов с кожухом со всеми частями и деталями, расположенными выше и ниже его, назывался одним словом — постав. Обычно небольшой и средней величины ветряки делались "об одном поставе". Большие ветряки могли строиться с двумя поставами. Были ветряные мельницы и с "толчеями", на которых отжималось льняное или конопляное семя для получения соответственного масла. Отходы — жмых, — тоже использовали в домашнем хозяйстве. "Пильные" ветряки как будто не встречались.

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.

• 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.