История изобретения шаровой мельницы. История мельницы. Ветряные мельницы Голландии

В какой стране и когда изобрели ветряные мельницы?

История ветряной мельницы также уходит далеко в глубины веков. Точных известий об изготовлении первой ветряной мельницы история не сохранила. Но известно, что в Китае пользуются ветряками уже несколько тысячелетий . Крыльчатый ветродвигатель-самый древний и в то же время наилучший тип двигателя, к которому относится и ветряная мельница.
В древности для получения муки израильтяне, как и другие народы, мололи съедобные зерна «в жерновах». Работа на ручной мельнице была нелегкой. Постепенно вошли в обиход более тяжелые жернова, которые «вращались ослом» или другим животным. Но и у мельниц, приводимых в движение животными, были свои недостатки. К тому времени человек уже научился использовать энергию воды, чтобы вращать водяное колесо, и энергию ветра, чтобы плавать на парусной лодке. А примерно в VII веке н. э. в засушливых степях Азии или Ближнего и Среднего Востока объединили эти две идеи, заставив ветер вращать жернов. Первое упоминание о ветряных мельницах, используемых в Иране для измельчения зерна, относится так же к VII в. н.э. Так, из жернова выходил вертикальный вал с парусами, который поворачивался, когда дул ветер. С помощью таких простых ветряных мельниц мололи пшеницу или ячмень, а также качали воду из-под земли.
Первый ветродвигатель был, вероятно, простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, применявшееся в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря. Б XI в.ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу 10 в. при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные права, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, вынуждали арендаторов иметь площади для посева зерна около мельниц феодальных поместий. Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV". голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этого времени для осушения болот и озер в дельте р. Рейн.
Ранние мельницы с парусами на вертикальном валу не отличались высокой производительностью. Но она сильно возросла с пониманием того, что больше энергии производится, когда лопасти или паруса крепятся к горизонтальному валу, выходящему из башни. Горизонтальный вал посредством зубчатых колес сообщал вращательное движение вертикальному валу, который поворачивал прикрепленный к нему жернов. Затем придумали мельницы на ко́злах, или «столбовки». Эти мельницы покоились на столбе, подпертом балками, что позволяло поворачивать весь мельничный амбар, устанавливая крылья против ветра. По понятной причине «столбовки» не могли быть очень большими, и тогда придумали другую конструкцию: неподвижную башню с вращающейся крышей ("шатровки" или "голландки"). В мельницах такого типа главный вал выходит из крыши, благодаря чему, куда бы ни дул ветер, ее вместе с крыльями-парусами можно развернуть против ветра.
Считают, ветряные мельницы появились сначала в южной части Европы (предположительно в Греции) и быстро распространились повсюду . Большинство авторов полагает, что ветряные мельницы появились в России не ранее XVII в., хотя некоторые исследователи относят их появление на Руси к XV в
Поначалу они представляли собой кирпичные, похожие на огромные бочки сооружения с крыльями.
В 1772 году шотландский изобретатель заменил паруса на автоматически отрывающиеся и закрывающиеся щитки, похожие на жалюзи.

Как друг на друга повлияли три элемента древнейших технологий человечества: колесо, гончарный круг и жернова? Но совершенно однозначно, что уже в эпоху позднего неолита c этих трёх приспособлений и начиналось то, что мы называем «прогрессом». Об арбалетах, дверных замках и часах ещё никто и не задумывался, а жернова уже вертелись. Ещё в древнейшие времена растирание зерна в муку стали выполнять на вращающихся один относительно другого жерновах. Довольно долго они продолжали крутиться, благодаря усилию человеческих рук. Возможно, применение механической силы оказалось впервые востребовано в производстве муки потому, что очень уж этот труд монотонен и непроизводителен. Величайшим открытием в истории человечества, сопоставимым, пожалуй, только с умением пользоваться огнём, стало применение для работы механического устройства силы, отличной от мускульной. Вода и ветер - вот что впервые призвано на помощь. Как происходил процесс превращения зерна в муку? По лежащему горизонтально нижнему жернову двигался вращательно верхний жернов, имеющий отверстие в середине. В это отверстие засыпали зерно. Оно перетиралось в муку по мере продвижения к внешнему краю. Для облегчения процесса помола на жернова наносились радиальные прямые или спиралевидные канавки. Установить тяжеленные каменные круги вертикально тогда было невозможно, да и как к ним подводить тогда зерно для помола? Вал, который передаёт к верхнему камню усилие, располагался вертикально.

Один из самых ранних типов мельниц. Ротор (вращающаяся часть) ветряка расположен на вертекальной оси и его вал непосредственно соединенён с верхним жёрновом.
Ветроулавливающие стены направляют поток воздуха на половину ветряка, и заставляют его вращаться. Такие мельницы известны с VII века нашей эры и впервые, возможно появились в Персии. Макет из Немецкого музея (Модель в масштабе 1:20. Инв № 79235) воспроизводит персидскую мельницу XVIII в.

На больших жерновах к нему прикрепили рычаги, которые толкали работники, обходя жернов по кругу. Потом в рычаги впрягли животных. В тот момент, когда вместо рабов и животных стали использовать паруса, родился один из первых в истории человечества механический привод. Ветер вращал конструкцию из нескольких полотнищ, закреплённых на спицах гигантского колеса. И она приводила в движение верхний жернов. Никаких передач, и, следовательно, потерь мощности: прото-ротор работал при любом направлении ветра. Аналогичная схема встречалась и в Персии. Только там мягкие паруса были заменены жесткими деревянными лопастями, вся конструкция вытянулась в высоту, а сооружение было дополнено стенами для направления ветра. Такая мельница была несколько производительнее, но, к сожалению, она работала только при определенном направлении и силе ветра. И тут уместно вспомнить, что одновременно с ветровым приводом уже существовало водяное колесо, но оно вначале не использовалось для помола, а только для подъёма воды при искусственном орошении в земледелии. Для того, чтобы сила воды смогла привести в движение жернова необходимо было изобретение угловой передачи, позволявшую поворачивать рабочий вал под прямым углом. Такие сложности были неизбежны по тому, что ни поставить жернова на ребро, ни расположить колесо, приводимое силой падающей воды, горизонтально не удавалось. И как только с задачей поворота усилия справились, водяные колёса стали вращать жернова. В период поздней античности такие конструкции были довольно хорошо проработаны. Водяные мельницы широко распространилось в Европе и благополучно пережив крах Римской империи продолжали использоваться и в средневековье. Где то на юге Европы в начале второго тысячелетия нашей эры впервые «скрестили» привод водяной мельницы с ветряком, создав тот самый образец, который просуществовал с начала XII века до начала века XX.

Несмотря кажущуюся простоту конструкции и солидную давность изобретения, пирамида знаний и технологий, на вершине которой оказалась первая механическая мельница с ветровым приводом, была уже довольно велика. Здесь были и знания об обработке металлов, без которых нельзя сделать инструменты для работы с деревом, и колесо, а также его производная - ещё примитивная, но уже работающая передача из штифтовых и цевочных колёс, и керамика, аэродинамика (пока на уровне экспериментов и догадок, но…) и даже знания о погоде и преобладающих ветрах, т. е. зачатки метеорологии. Первые ветряные мельницы относились к башенным и не имели механизма поворота ветряка. Сам ветряк представлял собой мягкую конструкцию из косых парусов, натянутых на спицы колеса-реи. Позже паруса сменились лопастями. Домик-башня вместе с жерновами, механизмами, ветряком и мельником (как на картине Яна Брейгеля Старшего) стал поворачиваться на ветер. Возможно, что в народный фольклор в виде «избушки, что поворачивается к лесу задом, ко мне передом» вошла именно такая мельница. Козловую конструкцию, на которую опиралась мельница, назвать иначе, чем «куриной ногой», просто невозможно. В России такую мельницу называли столбовка, или немецкая мельница. Со временем столбовка сменилось устройством для поворота только шатра с ветряком. В этом случае поворот на ветер выполнялся намного легче. Неподвижную башню стали делать более прочной - каменной или кирпичной, что повышало срок эксплуатации и устойчивость к воздействию стихии. Мельницы, постепенно совершенствуясь, исправно мололи, пилили, толкли и перетирали до начала XX века. Только в Германии в 1910 году насчитывалось 22 000 ветряков, к 1938 году их осталось только 4500. После Второй мировой ветряные мельницы практически не использовались. Александр Иванов

Водяное колесо - первый в истории человечества механический привод. вода по специальному желобу подводится к колесу сверхи и своим весом заставляет его вращаться. Такие колёса использовались в горной промышленности в качестве привода лебёдок и подъёмниеов. При расходе воды примерно 50 л/сек. колесо развивает до 1,3 КВт мощности. Первые колёса появились ещё в Месопотамии 3000 лет назад и использовались для орошения. Два тысячелетия назад их стали применять на на водяных мельницах. Один из самых ранних типов мельниц. Ротор (вращающаяся часть) ветряка расположен на вертекальной оси и его вал непосредственно соединенён с верхним жёрновом. Ветроулавливающие стены направляют поток воздуха на половину ветряка, и заставляют его вращаться. Такие мельницы известны с VII века нашей эры и впервые, возможно появились в Персии. Макет из Немецкого музея (Модель в масштабе 1:20. Инв № 79235) воспроизводит персидскую мельницу XVIII в. Башенная мельница. Хотя макет в немецком музее (Масштаб 1:20. Инв. №79227) повторяет мельницу с острова Крит 1850 года постройки, мельницы с ветряком, оснащённым парусами появились в средиземноморском регионе в начале первого тысячелетия нашей эры. Сложная пространственная конструкция ветряка со спицами-реями, на которых закреплены паруса. Верёвочные растяжки воспринимают осевую ветровую нагрузку и делают всю конструкцию простой и надёжной. Ян Брейгель Старший. Дорога после наводнения, 1614
Однако идея приспособить к работе энергию ветра не умерла. В 2012 году ветроэлектростанции всего мира выработали 430 тераватт-часов (2,5% всей произведённой человечеством электрической энергии). Их суммарная мощность достигает 283 гига­ватт, что составляет около ¾ мощности всех атомных электростанций планеты. В Дании, например, треть всей электроэнергии вырабатывается ветряками, а Германия к 2020 году намеревается довести выработку до 20% от общего энерго­потреб­ления, а к 2030 - до половины от всего объёма.

Использующей энергию потока воды. Много веков назад, ветряные мельницы, как правило, использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для выполнения обеих задач. Большинство современных ветряных мельниц имеют форму ветровых турбин и используются для выработки электроэнергии; ветряные насосы используются для перекачки воды, осушения земель или выкачивания подземных вод.

Ветряные мельницы в древности

Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма.Другим примером древней ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

Горизонтальные ветряные мельницы

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 - 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах датируемых десятым веком.

Мельницы того времени имели от шести до двенадцати лопастей покрытых тростником или тканевым материалом. Эти приспособления использовались для измельчения зерна или добывания воды, и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц. Первоначально ветряные мельницы получили широкое распространение на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем постепенно стали популярными в Китае и Индии.

Подобный тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, также можно найти в тринадцатом веке в Китае (во время правления династии Цзинь на севере), открытой и привезённой в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем в 1219 году.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.

Вертикальные ветряные мельницы

Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.

Козловая мельница

Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы таким образом она получала возможность вращаться по направлению ветра; это позволяло работать более продуктивно в северо-западной Европе, где направление ветра изменяется с короткими интервалами. Основания первых козловых мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте. Позже была разработана деревянная опора получившая название эстакада (либо козлы). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время неблагоприятных погодных условий.

Этот тип ветрянных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор пока мощные башенные мельницы не заменили их.

Полая (пустая) козловая мельница

Мельницы этой конструкции имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах, а также не было необходимости поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, так как применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах начиная с 14 века.

Башенная мельница

К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции, башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.
В отличие от козловой мельницы, в башенной мельнице только крыша башенного стана реагировала на наличие ветра, это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, что, в свою очередь, позволяло изготовлять лопасти большего размера, благодаря чему вращение мельницы было возможно даже в условиях слабой ветрености.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии. На территории расположенной на небольшом расстоянии от Средиземного моря, башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, так как изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Шатровая мельница

Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.

При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.

Механическое устройство мельниц

Лопасти (паруса)

Традиционно парус состоит из каркаса-решётки на которой расположена парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности. В средние века лопасти представляли собой решетку на которой располагалась парусина, в то время, как в условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце восемнадцатого века конструкции, которая автоматически приспосабливалась к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 году. В этих лопастях, ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, который позволял мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В двадцатом веке, благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имеют четыре паруса. Наряду с ними существуют мельницы оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир), Германии, и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имеет преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей, возможно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

В Нидерландах во время того, как лопасти мельницы находятся в неподвижном состоянии, их используют для передачи сигналов. Небольшой наклон парусов по направлению к главному зданию символизирует радостное событие; в то время, как наклон в противоположную от главного здания сторону символизирует скорбь. Ветряные мельницы по всей Голландии, были помещены в позиции траура в память о голландских жертвах авиакатастрофы малазийского Боинга в 2014 году.

Мельничный механизм

Шестерни внутри мельницы передают энергию от вращательного движения парусов к механическим устройствам. Паруса закреплены на горизонтальных валах. Валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с металлическими элементами или целиком из металла. Тормозное колесо устанавливают на валу между передним и задним подшипниками.

Мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, например для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Распространение мельниц

Общее количество ветряных мельниц в Европе, по оценкам экспертов, достигало количества около 200 000 во времена наибольшего распространения этого типа устройств, эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 000 , существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и в равнинных регионах, где поток рек были слишком медленными, чтобы обеспечить требуемую мощность для работы водяных мельниц.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем, ветряные мельницы по прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца 19-го века.

В наши дни ветряные мельницы часто являются охраняемыми конструкциями, так как была признана их историческая ценность. В некоторых случаях старинные мельницы существуют в качестве статичных экспонатов (когда древние машины слишком хрупки, чтобы привести их в движение), в других случаях, как полностью рабочие экспонаты.

Из 10 000 ветряных мельниц, используемых в Нидерландах в 1850х годах, около 1000 мельниц до сих пор находятся в рабочем состоянии. Большинство ветряков в настоящее время обслуживается добровольцами, хотя некоторые мельники до сих пор работают на коммерческой основе. Многие из дренажных мельниц существуют в качестве резервного механизма для современных насосных станций. Регион Заан в Голландии был первым промышленным регионом мира в котором к концу 18 века функционировало около 600 ветряных мельниц. Экономические колебания и промышленная революция имела гораздо большее влияние на ветряные мельницы, чем на другие источники энергии, это привело к тому, что лишь немногие из них удалось сохранить до наших дней.

Строительство мельниц было распространено на территории Капской колонии в Южной Африке в 17 веке. Но первые башенные мельницы не пережили штормы на мысе полуострова, поэтому в 1717 году было решено построить более прочную мельницу. Мастера, специально присланные Голландской Ост-Индской компанией завершили строительство к 1718 году. В начале 1860х годов, Кейптаун мог похвастаться 11 мельницами.

Ветряные турбины

Ветряная турбина по сути является ветряной мельницей, структура которой специально разработана для выработки электроэнергии. Ее можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены в конце девятнадцатого века профессором Джеймсом Блитом в Шотландии (1887 г.), Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887-1888)и Полем ля Куром в Дании (1890-е). Мельница Поля ля Кура начиная с 1896 года выполняла функции электрогенератора в селе Аскове. К 1908 году насчитывалось 72 ветряных электрогенератора в Дании, с мощностью в пределах от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы получили широкое распространение на фермах в Соединенных Штатах, где их использовали для выработки электроэнергии, в связи с тем, что еще не были установлены системы передачи и распределения энергии.

Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с запуска серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas, Nordtank и Bonus. Первые турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20-30 кВт каждая. С тех пор турбины коммерческого производства были значительно увеличены в размерах; Турбина Enercon E-126 способна обеспечить поступление до 7 МВт энергии.

С началом 21-го века, наблюдается рост озабоченности населения по поводу энергетической безопасности, глобального потепления и истощения ископаемого топлива. Все это в конечном итоге привело к увеличению интереса к всевозможным видам возобновляемых источников энергии и усилило интерес к ветровым турбинам.

Ветряные насосы

Ветряные насосы использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с 9-го века. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от Средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

Американский ветряной насос или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году и использовался в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии ветряного насоса также использовались для таких задач, как распиловка древесины, измельчение сена, шелушение и размол зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах, ветряной насос был частью автономной системы по добыче хозяйственно-бытовой воды, которая также включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце 19-го века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году, по оценкам экспертов около 600 000 ветряных насосов находились в использовании. Производством ветряных насосов занимались такие американские компании, как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, со временем именно они стали основными поставщиками насосов в Северной и Южной Америке.

Ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии в наши дни. Они имеют большое количество лопастей, что позволяет им вращаться с большей скоростью при слабом ветре и замедлять движение до необходимого уровня при сильном ветре. Такие мельницы поднимают воду для нужд комбикормовых заводов, лесопильных заводов и сельскохозяйственных машин.

В Австралии компания Griffiths Brothers занимается изготовлением ветряных мельниц под названием «Southern Cross Windmills» начиная с 1903 года. В наши дни они стали незаменимой частью австралийского сельского сектора благодаря использованию воды Большого артезианского бассейна.

Ветряные мельницы в разных странах

Ветряные мельницы Голландии

В 1738 - 40 годах в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Ветряные мельницы перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря в реку Лек, которая впадает в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 году стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Сегодня воду с отметки ниже уровня моря в Киндердейке перекачивают современные насосные станции, а ветряные мельницы в 1997 году были внесены в Список объектов мирового наследия Юнеско.

Сегодняшняя наша публикация посвящена истории изобретения мельницы — устройства, которое использует не мышечную энергию человека или животных, а энергию сил природы: воды и ветра.

Водяные мельницы

Первыми были изобретены водяные мельницы . В них происходило преобразование энергии водяного потока в энергию вращения. Это простейшее устройство состояло из основного , двух цевочных колес и рабочего органа – двух жерновов: подвижного и неподвижного. Первые мельницы появились на горных речках и быстро распространились повсюду, где можно создать перепад воды.
В XI–XII веках помол на ручных мельницах был повсеместно прекращен. Водяные мельницы в то время ставились не только на реках: на территории современного Ирака в Басре были построены мельницы в устьях каналов, питавшихся водой за счет приливов. Они приводились в движение водой, отступавшей во время прилива. В Месопотамии на Тигре действовали плавучие мельницы. Мельницы Мосула висели на железных цепях посреди реки.

Вначале основным назначением мельниц был помол зерна. Но в XII в. жернова были заменены так называемыми кулаками, предназначенными для выполнения совсем другой работы. В простейшем варианте на главном валу мельницы вместо цевочного колеса был жестко закреплен кулак, управлявший рабочим органом. В XII–XIII веках появились сукноваляльные, железо– и делательные мельницы.

Стремление повысить мощность заставляло строить гидравлические установки больших размеров. Во Франции мастер Р. Салем под руководством А. де Виля соорудил в 1682 г. крупнейшую гидросиловую установку из 13 колес, диаметр которых достигал 8 м. Колеса, установленные на реке Сене, приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду на высоту 163 м. Эта система, снабжавшая водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли, получила у современников название «чудо Марли».

Больших успехов в области строительства гидротехнических сооружений добился русский изобретатель К. Д. Фролов на Колывано-Воскресенских рудниках Алтая. В 70-х годах XVIII в. на Алтае начали разработку серебряных руд, залегавших на более глубоких горизонтах. Использовавшиеся ранее водоотливные подъемные машины, приводимые в движение вручную или конной тягой, не могли обеспечить откачку воды и подъем руды на поверхность. Для увеличения количества добываемой руды Фролов разработал проект строительства комплекса вододействующих установок. После длительной борьбы с чиновниками Горного ведомства К. Д. Фролову удалось добиться утверждения своих предложений. В течение 1783–1789 гг. он внедрил свой проект. Это было самое крупное гидротехническое сооружение XVIII века.

К. Д. Фролов построил плотину высотой 17,5 м, шириной по верху 14,5 м, в основании – 92 м, длиной 128 м, создававшую необходимый напор воды.

Ветряные мельницы

В Афганистане ветряные мельницы впервые появились в IX в. Лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в действие верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства. Они были необходимы, поскольку крылья мельницы были связаны с жерновом практически напрямую и, следовательно, скорость его вращения очень зависела от капризов ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колеса приводились в движение господствующим северным ветром, поэтому ориентировались только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы регулировать силу ветра.

В Европе ветряные мельницы появились в XII в., в основном в тех местах, где было недостаточно рек. По своей конструкции они отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала.

Различают два вида ветряных мельниц. В первом при смене направления ветра поворачивается весь корпус мельницы, во втором – лишь головная часть.

Следует отметить, что ветряные мельницы, которые являются неотъемлемой частью пейзажа Голландии, предназначены не для помола зерна, а для откачки воды. Поэтому можно отметить, что изобретение, сделанное в Афганистане, помогло сохранить европейскую страну.

На десерт предлагаем посмотреть видео о необычных механизмах, за работой которых интересно наблюдать.

Первыми инструментами для измельчения зерна в муку были каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Люди очень скоро убедились, что при перетирании мука получается гораздо лучше.

Каменные ступки и пестики

Однако это также была крайне утомительная работа. Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Пестик сменился плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. От камня, который перетирает зерно, было уже легко перейти к жернову, то есть заставить один камень скользить при вращении по другому. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку.

Ручная мельница

Эта ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием мельницы служил камень, выпуклый посередине. На его вершине располагался железный штифт. Второй, вращающийся камень имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собирались у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел.

С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Не случайно, именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице. Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель.

Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в воду реки, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб. Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками. Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека.

Реконструкция водяной мельницы (I в.)

Изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. В равнинных местностях скорость течения рек мала для того, чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.

Водяная мельница

Однако изобретение двигателя сразу породило другую задачу: каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес.

Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы можем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент.

Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется "усилить движение" (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые.

Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцам необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал - зубья врезаются друг в друга и крошатся.

Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения.

Червячная передача

Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.

Реконструкция водяной мельницы Витрувия

Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее детальное устройство описано древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство: 1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой; 2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо - шестерню; 3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.

Конические зубчатые колеса

Цилиндрические зубчатые колеса с косыми зубьями. Зубчатое зубчатая линейка

Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.

Смотрите другие статьи раздела .