Водна мелница: стойност на откритието, обхват, устройство и принцип на действие

2024 Автор: Henry Conors | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-12 04:02

Изобретението на водената мелница е от голямо значение за историята и развитието на технологиите. Първите такива конструкции са били използвани за преливане на вода в древен Рим, по-късно започват да се използват за получаване на брашно и за други промишлени цели.

История за изобретения

Водното колело е изобретено от хората в древни времена, благодарение на което човек получава надежден и прост двигател, чиято употреба се разширява всяка година. Още през първи век пр. н. е. римският учен Витрувий описва такава структура в своя трактат „10 книги по архитектура“. Действието му се основава на въртенето на колелото от въздействието на водния поток върху лопатките му. И първото практическо приложение на това откритие беше възможността за смилане на зърна.

Историята на мелниците датира от първите воденични камъни, използвани от древните хора за получаване на брашно. Такива устройства отначало бяха ръчни, след това започнаха да използват физическата сила на роби или животни, които въртят колелото за брашно.

Историята на водната мелница започва с използването на дизайна на колело, задвижвано от силата на речния поток за извършванепроцесът на смилане на зърно в брашно, а основата за това е създаването на първия двигател. Древните машини са еволюирали от напоителни устройства, наречени чадуфони, които са били използвани за набиране на вода от река за напояване на земя и полета. Такива устройства се състоят от няколко лъжички, монтирани на ръба: по време на въртене те се потапят във вода, загребват я и след като я вдигат, преобръщат я в улей.

Подреждане на древни вятърни мелници

С течение на времето хората започнаха да строят водни мелници и да използват силата на водата за производство на брашно. Освен това в равнинните райони, при ниска скорост на потока на реките, бяха подредени язовири, за да се увеличи налягането, като по този начин се осигури повишаване на нивото на водата. За предаване на движение към мелницата са изобретени мотор-редукторите, които са направени от две колела в контакт с джантите.

Използвайки система от колела с различни диаметри, чиито оси на въртене са успоредни, древните изобретатели са успели да прехвърлят и трансформират движение, което може да бъде насочено в полза на хората. Освен това по-голямото колело трябва да прави по-малко обороти толкова пъти, колкото диаметърът му надвишава второто, малко. Първите зъбни колела започват да се използват преди 2 хиляди години. Оттогава изобретателите и механиците са успели да измислят много вариации на предавки, използвайки не само 2, но и повече колела.

Описано устройство на водната мелница от древната епохаВитрувий, съдържащ 3 основни части:

Двигател, състоящ се от вертикално колело с остриета, които се въртят от вода.
Предаващият механизъм е второ вертикално зъбно колело (трансмисия), което завърта трето хоризонтално, наречено пиньон.
Задействащ механизъм, състоящ се от два воденични камъка: горният се задвижва от зъбно колело и е монтиран на неговия вертикален вал. Зърното за брашно се изсипва в кофа-фуния, разположена над горния воденичен камък.

Водните колела бяха монтирани в няколко позиции спрямо водния поток: надолу по течението - на реки с висок дебит. Най-често срещаните бяха "висящи" конструкции, монтирани на свободен поток, потопени във вода от долните остриета. Впоследствие те започнаха да използват средни и най-пробивни видове водни колела.

Максималната възможна ефективност (ефективност=75%) беше дадена от работата на надземни или насипни типове, която беше широко използвана при изграждането на плаващи мелници "кану", които се движеха по големи реки: Днепър, Кура, и др.

Значението на откриването на водната мелница е, че е изобретен първият античен механизъм, който по-късно може да се използва за промишлено производство, което се превръща във важен етап в историята на развитието на технологиите.

Средновековни хидравлични конструкции

Първите водни мелници в Европа, според исторически данни, се появяват по време на управлението на Карл Велики (340 г. сл. Хр.) в Германия иса заимствани от римляните. В същото време такива механизми са построени по реките на Франция, където до края на 11 век. вече имаше около 20 хиляди мелници. В същото време в Англия вече има повече от 5,5 хиляди от тях.

Водните мелници през Средновековието са били широко разпространени в цяла Европа, използвали са се за преработка на селскостопански продукти (меленици, маслобойни, пълнители), за издигане на вода от мини и в металургичното производство. До края на 16 век те са били вече 300 хиляди, а през 18 век. - 500 хил. В същото време се извършва тяхното техническо подобрение и увеличаване на ръста на мощността (от 600 на 2220 конски сили).

Известният художник и изобретател Леонардо да Винчи в своите бележки също се опита да измисли нови начини за използване на енергията и силата на водата с помощта на колела. Той предложи например дизайна на вертикален трион, който се задвижва от поток вода, подадена към колелото, т.е. процесът става автоматизиран. Леонардо също направи чертежи на няколко варианта за използване на хидравлични конструкции: фонтани, начини за отводняване на блата и др.

Ярък пример за водноелектрическа централа е механизмът за водоснабдяване на фонтаните и водоснабдяването на дворците във Версай, Трианон и Марли (Франция), за които е издигнат специално язовир на реката. Сена. От резервоара водата се подава под налягане към 14 пробиващи дъното колела с размери 12 м. Те го издигат с помощта на 221 помпи на височина 162 м до акведукта, от който се стичаше към дворци и фонтани. Дневният обем на доставяната вода беше 5 хиляди m3^3.

Как работи воденица

Дизайнът на такава мелница е останал непроменен в продължение на много векове. Основният материал за строежа е дърво, от което е изградена плевнята, правени са колела и валове. Металът е използван само в някои части: оси, крепежни елементи, скоби. Понякога плевнята била изградена от камък.

Видове мелници, които използват водна енергия:

Worled - построен върху бързо течащи планински реки. По дизайн те са подобни на съвременните турбини: лопатките са направени на вертикално колело под ъгъл спрямо основата, когато водният поток падне, се получи въртене, от което воденичният камък се движи.
Колело, в което се въртеше самото "водно" колело. Изградени са два типа - с долна и горна битка.

Водата идваше от язовира към надземната мелница, след което се насочваше по улея към колелото с канавки, които се въртяха под тежестта му. При използване на долния бой се използва дизайн с остриета, които се пускат в движение при потапяне във воден поток. За да се подобри ефективността на работата, често се използва язовир, блокиращ само част от реката, наречена благодат.

Фигурата по-долу показва устройството на типична дървена водна мелница: въртеливото движение идва от долното задвижване (колело) [6], в горната част има кофа (бункер) [1] за зърно и улей [2], подавайки го до воденичните камъни [3]. Полученото брашно падна в тавата [4] и след това се разля в сандъка или торбата [5].

Регулирането на подаването на зърно се извършваше от дозатор, специална кутия с отвор, който влияеше върху фината на смилането на брашното. След получаването му беше необходимо да се пресее през специално сито, монтирано над сандъка, което се движеше с помощта на малък механизъм.

Някои водни мелници са били използвани не само за смилане на зърно, но и за белене на просо, елда или овес, от които се приготвяли зърнени храни. Такива машини се наричаха крупи. Собствениците предприемачи са използвали мелничарски конструкции за чукване на кълчища, за сплъстяване на домашно преден плат, за разресване на вълна и др.

Изграждане на мелници в Русия

В древните руски хроники споменаването на водни колела и мелници се среща от 9-ти век. Първоначално те са били използвани изключително за смилане на зърно, за което са получили прякора "брашно" и "хляб". През 1375 г. княз Подолски Корпатович предоставя на Доминиканския манастир правото да построи зърнена мелница с харта. И през 1389 г. такава сграда е оставена на съпругата на княз Дмитрий Донской по завещание.

Във Велики Новгород документ от брезова кора, в който се споменава изграждането на мелница, датира от 14-ти век. Псковски хроники от 16 век. разказват за изграждането на такава структура на река Волхов, в която участва цялото местно население. Изграден е язовир, който блокира част от реката, но той се срути поради тежки наводнения.

На равнинния терен водните мелници в Русия са построени с пълнещо надземно колело. През 14-15 век. започнаха да се появяват въртеливи устройства, в коитоколелото беше поставено хоризонтално върху вертикален вал.

Тези дизайни са построени от самоуки майстори без никакви чертежи и диаграми. Освен това те не само копираха вече издигнатите конструкции, но всеки път добавяха свои собствени иновации към устройството си. Още по времето на Петър Велики в Русия започват да идват майстори от европейски страни, които показват своите умения и знания в тази област.

Един от сътрудниците на Петър, известният инженер Уилям Генин, който построи 12 големи централи в Урал, успя да осигури работата им от хидравлични електроцентрали. Впоследствие водната енергия беше широко използвана от специалисти в строителството на минни и металообработващи предприятия в цяла Русия.

В началото на 18 век в цялата територия работят около 3 хиляди манифактури, които използват хидравлични инсталации за функционирането на производството. Това бяха металургични, дъскорезни, хартиени, тъкачни и други предприятия.

Най-известният и уникален комплекс за енергийно осигуряване на минно-топилния комбинат е построен през 1787 г. от инженер К. Д. Фролов в мина Змеиногорск, която няма аналози в света. Включва язовир, водоприемни конструкции, от които водата преминава през подземни проходи в открит канал (дълъг 535 м) до мелница, където се върти колелото на дъскорезницата. По-нататък водата тече през следващия подземен канал към хидроколелото на машината за повдигане на руда от мината, след това към третия и четвъртия. В крайна сметка той се вливаше през проход с дължина повече от 1 км обратно в реката под язовира, общият му път беше повече от 2 км,диаметърът на най-голямото колело е 17 м. Всички конструкции са изградени от местни материали: глина, дърво, камък и желязо. Комплексът работи успешно повече от 100 години, но до днес е оцелял само язовирът на рудника Змеиногорски.

Изследвания в областта на хидравликата са извършени и от известния учен М. В. Ломоносов, който прилага научните си мисли на практика, участвайки в създаването на предприятие за цветно стъкло, базирано на работата на хидравлична инсталация с три колела. Работите на още двама руски академици - Д. Бернули и Л. Ойлер - придобиват световно значение в използването на законите на хидродинамиката и хидротехниката и поставят теоретичната основа на тези науки.

Използване на водна енергия на изток

Използването на водни колела в Китай е описано за първи път в детайли в книгата на Sunn Yingxing през 1637 г. Тя подробно описва използването им за металургичното производство. Китайските конструкции обикновено бяха хоризонтални, но капацитетът им беше достатъчно висок, за да произвеждат брашно и метал.

Използването на водна енергия е започнало за първи път през 30-те години. н. д., след изобретението от китайски служител на възвратно-постъпателен механизъм, базиран на водни колела.

В древен Китай са построени няколкостотин мелници, разположени покрай реките, но през 10-ти век. правителството започна да ги забранява поради възпрепятстване на речното корабоплаване. Строителството на мелници постепенно се разширява в съседните страни: Япония и Индия, в Тибет.

Водни колела в ислямските страни

ДържавиИзтокът, в който хората изповядват ислямската религия, в по-голямата си част е територия с много горещ климат. От древни времена редовното водоснабдяване е било много важно. Построени са акведукти за снабдяване с вода на градовете и за издигането й от реката са построени мелници, които те наричат "нории".

Според историците, първите подобни структури са издигнати преди 5 хиляди години в Сирия и други страни. На река Оронт, една от най-дълбоките в страната, строителството на асансьори беше широко разпространено под формата на огромни колела от водни мелници, които загребваха вода с множество остриета и я доставяха до акведукта.

Ярък пример за такава структура са оцелели до наши дни асансьорите на град Хама, чиято конструкция датира от 13-ти век. Те продължават да работят и до днес, като са едновременно украшение и забележителност на града.

Използване на водна енергия в различни индустрии

В допълнение към получаването на брашно, обхватът на водните мелници се разшири до следните видове индустрии:

за мелиорация и осигуряване на вода за посевите в нивите;
дъскорезница, която използва водна енергия за обработка на дървесина;
металургия и металообработка;
в добив за обработка на камъни или други скали;
в тъкачески и вълнени фабрики;
за вдигане на вода от мината и др.

Един от най-старите примери за употребаводна мощност - дъскорезница в Хиераполис (Турция), механизмите й са открити при разкопки и датирани към 6 век. н. д.

В някои европейски страни археолозите са открили останки от стари мелници от епохата на Древен Рим, които са били използвани за раздробяване на кварц, съдържащ злато, добиван в мини.

Най-големият комплекс, използващ силата на водата, е построен, според исторически данни, през 1-ви век. в южната част на Франция под името Barbegal, който има 16 водни колела, които доставят енергия на 16 мелници за брашно, като по този начин осигуряват хляб на близкия град Алерт. Всеки ден тук се произвеждаха 4,5 тона брашно.

Подобен мелничен комплекс на Janiculum Hill доставя доставки през 3-ти в. град Рим, който е оценен от император Аврелиан.

Създаване на водна структура със собствените си ръце

Архитектурен елемент като водно колело придоби популярност заедно с басейни, каскади или фонтани. Разбира се, такива конструкции изпълняват по-скоро декоративна, отколкото практическа функция. Всеки собственик, който има умения да работи с дървени части, може да построи водна мелница със собствените си ръце.

Препоръчително е да изберете размер на колело от поне 1,5 м, но не повече от 10 м, в зависимост от площта на обекта. Къщата на мелницата също е избрана според бъдещото й предназначение: сграда за съхранение на инвентар, кът за игра за деца и декориране на територията.

Производство на части:

като основа за водно колело, можете да вземете велосипед или съборено дърво, към което са прикрепени остриетата; В центъратрябва да има тръба, около която се върти;
готовият продукт е монтиран на лагери върху 2 опори, които са изработени от дъбови греди, метални ъгли, тухли;
до горната част на колелото трябва да пасне улея, през който водата тече върху лопатките; носи се или от маркуч с помпа, или идва след дъжд;
всички части се препоръчват да бъдат обработени за увеличаване на експлоатационния живот: дървени - лакирани, метални - боядисани срещу корозия;
за източване на водата, полагане на канали по посока на леглата или към друг контейнер;
на последния етап сградата е украсена с декоративни елементи.

Изграждането на декоративна водна мелница в провинцията ще бъде страхотно естетическо допълнение към пейзажа.

Известни исторически вятърни мелници

Най-голямата действаща водна мелница "Lady Isabella" се намира близо до село Lexie на остров Ман в Ирландско море. Тази структура е издигната през 1854 г. от самоукия инженер Робърт Кейсмент в чест на съпругата на местния генерал-губернатор и целта на построяването й е да се изпомпват подпочвени води от местна мина за добив на природни ресурси (цинк, олово и др..).

Специално са положени канали, през които водата от планинските реки преминава през моста и се подава за въртене на колело с диаметър 22 м, което все още се смята за най-голямото в света, благодарение на което много туристи вече се радва на успехгодини.

Една от оригиналните забележителности на Франция е стара водна мелница, разположена близо до град Върнън (Франция). Уникалността му се крие във факта, че се опира на 2 стълба на стар каменен мост, който някога е свързвал бреговете на Сена. Точната дата на построяването му не е известна, но според някои източници той е издигнат през периода на противопоставяне на Ричард Лъвското сърце и е от стратегическо значение. През 1883 г. известният художник Клод Моне я увековечи на едно от своите платна.

Създаването на водната мелница е важна стъпка в историята на развитието на технологиите, тъй като тя се счита за първия дизайн, който може да се използва за различни цели за обработка на селскостопански и други продукти, което е първата стъпка към машината производство в света.