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.
Сегодня энергию ветра в российских деревнях практически не используют, а еще в пору моего детства в нашем селе сохранялись развалины 3 ветряных мельниц. Одна из них, как рассказывала мне бабушка, принадлежала моему прадеду. В 50-е годы прошлого века действующей была только одна ветряная мельница в нашей местности, располагавшаяся в соседней деревне Есипово. Вот работу ее я и видел. В помещении этой мельницы все было покрыто белой мучной пылью, одежда и борода мельника тоже были в этой пыли. Время от времени он выходил наружу, и если ветер менял направление, то поворачивал голову мельницы специальным правилом крыльями к ветру. Правило было сделано из двух довольно толстых слег (жердей), верхними концами прикрепленных к "голове" мельницы. В нижней части слеги были соединены между собой, и вся конструкция была фактически остроугольным треугольником с острым углом внизу.
Скрипели жернова, скрипела, поворачиваясь, главная центральная ось, которую вращал горизонтальный вал, идущий от крыльев. Все передаточные механизмы были сделаны из дерева, и от трения они были буквально отполированные. Но главное – всюду была мучная пыль.
Зерно и муку на есиповской мельнице взвешивали на весах в виде металлического коромысла, подвешенного к потолку. К коромыслу на цепях были подвешены 2 листа железа размером 1,5х1,5 м. На один лист клали мешки с зерном, а на другой гири. Гири были с ручками – двухпудовые, пудовые, полупудовые и совсем небольшие, весом в несколько фунтов. За помол зерна мельнику платили кто чем мог – деньгами, зерном, мукой, мясом, молоком, яйцами. Тогда на трудодни в колхозе поздней осенью колхозникам выдавали по 2–3 мешка зерна, которое и мололи для себя на этой мельнице. Когда мельника не стало, мельницу в Есипове тоже быстро разрушили, и молоть зерно приходилось на ручных жерновах дома. Ох и тяжелая это работа – крутить одной рукой тяжелый каменный жернов, а другой в дыру в его центре насыпать горстями зерно! Но зато потом, благодаря этим тренировкам, я побеждал всех студентов института в соревнованиях по армрестлингу.
Позднее – в начале 60-х – зерно колхозникам на трудодни выдавать перестали, заменили деньгами, правда, деньги эти были смехотворными, и на них эквивалентное количество хлеба в магазине купить было невозможно. Но моя бабушка была очень изобретательна: она с полей, где обмолачивали зерно, приносила домой несколько мешков мякины, провеивала ее на ветру, и при этом из 10 мешков мякины получался один мешок зерна. Вот такими были потери урожая на колхозных полях. Но собирать мякину было запрещено, хотя там она сгнивала, никому не нужная. Бабушка брала большую корзину, клала в нее мешок, шла будто бы в лес по грибы. Набирала в мешок мякины, а сверху прикрывала ее грибами или лекарственными травами. Как говорят в народе: "Голь на выдумки хитра".
При обмолоте хлебов современными комбайнами потери зерна еще большие, чем при обмолоте стационарными молотилками. Почему? Да потому, что обмолачиваются колоски, которые только что срезаны. А зерно в колосках вызревает не одновременно. В одних колосках оно уже созрело и при первом встряхивании вываливается и падает на землю, а в других – еще не созрело и при обмолоте уходит в мякину. В северной России, где осенью постоянно идут дожди, потери зерна при обмолоте комбайнами составляют до 30% урожая. В "примитивном" крестьянском хозяйстве потери зерна были не более 5%, столько зерна оставалось в мякине на гумне (на току). Но и это зерно использовали куры и гуси, которые осенью кормились на нагуменниках. Не случайно один из видов дикого гуся так и называется – гусь гуменник. При перелете на юг осенью эти гуси кормились на гумнах – местах обмолота хлебов.
Да, сегодня есть мельницы с электрическим приводом, а также электрические кофемолки, мясорубки и т. д. Но какова при этом эффективность использования энергии? А ведь при выработке электроэнергии наносится немалый вред окружающей среде, древние же ветряные мельницы не наносили вреда природе. Крылья вращались довольно медленно, они не могли убить даже мух и комаров. Никакого задымления и шумового загрязнения не происходило. От мучной пыли мельника спасала респираторная повязка.
В 1921 г. бывшие монашки закрытого Павло-Обнорского женского монастыря Анна Соловьева, Анфиса Патакова, Анна Езелева, Мария Метеничева и еще четыре женщины уведомили власти, что создают коммуну, и попросили землю, прилегающую к храму в селе Захарьево, а также попросили помещение бывшей церковной сторожки. Чиновники разрешили – ведь в Поволжье тогда пришел голод, люди мерли от голода, словно мухи, поэтому властями горячо одобрялись инициативы всех, кто желал кормить себя сам. Затем Анна Соловьева продала свою единственную дорогую вещь – пальто, и на эти деньги артель купила корову. Впрягшись в хомут вместо лошади, девушки распахали поле, высадили пшеницу и арендовали дом, где устроили пошивочную мастерскую.
А вскоре артель принялась расти за счет дочерей священников, бывших монашек и просто верующих. Через год она насчитывала уже 36 женщин. Одни успешно освоили плотницкие навыки, другие выучились на каменщиков, третьи закончили шестимесячные курсы сапожников. Днем работали – а вечерами, плотно закрыв дверь, устраивали общие молитвы и изучали духовную литературу. Ее, кстати, «тайные монашки» тиражировали сами, переписывая от руки священные тексты и снабжая их рисунками.
В 1923 г. артель зарегистрировали официально, избрали Анну Соловьеву председателем. Устав артели вызвал у советских служащих ироничную улыбку, – в нем отмечалось, что предприятие организовано, дабы «доказать мужчинам, что и без их содействия женщина может строить свою жизнь», устав запрещал сотрудницам встречаться с местными парнями. Не могли же коммунарки прямо признать, что живут по законам монастыря. У самой Н.К Крупской письмом попросили разрешения назвать хозяйство ее именем. Надежда Константиновна против ничего не имела – и даже похлопотала о получении коммуной льготного кредита в Госбанке.
На всесоюзном смотре колхозов-коммун в 1927 году «монашки» из с. Захарьево получили третью премию. После этого в коммуну зачастили делегации, жаждущих перенять передовой опыт. Особенно визитеров потрясала сапожная мастерская, где коммунарки-монашки делали не только рабочую обувь, но и, как отмечалось, «туфельки на французских каблучках», купить которые приходили модницы из соседнего большого села Кукобой. Многие также обращали внимание на восемь благоустроенных жилых домов и пасеку с 21 ульем. «Об этом еще нет песни простой и прекрасной, которая бы сама рвалась с языка и дарила безудержную радость. Но знаем мы – песня будет», – так писала об успехах «бабьей коммуны» 8 марта 1929 года Ярославская партийная газета «Северный рабочий». К тому времени в хозяйстве было уже 30 голов крупного рогатого скота, 25 овец, 8 лошадей, 150 бельгийских кроликов, валенокатальный, кожевенный, дектярный и кирпичный цеха, ветряная мельница, электрический генератор и купленный в кредит трактор. Коммуна тогда насчитывавала уже 104 человека.
Но в 1931 г. были арестованы 17 самых активных работниц коммуны имени Н.К. Крупской. Обвинительное заключение гласило: «Организация сельхозартели, и, впоследствии, сельхозкоммуны была проведена контрреволюционной группой в целях маскировки от общественности и имела конечной установкой подготовку открытия монастыря после падения Советской власти. Будучи уверены в неизбежности этого падения, руководители контрреволюционной группы, соответственно, вели подготовку, организуя монашеские кадры». Через год внесудебным решением комиссии ОГПУ женщины были приговорены к заключению на срок от 3 до 5 лет. Часть коммунарок сослали в Казахстан, а еще часть – в исправительно-трудовой лагерь Ивановского управления НКВД. Именно там оказалась и бывшая руководительница коммуны Анна Соловьева, ставшая, кстати, в лагере у заключенных бригадиром. Оставшиеся на свободе рядовые «коммунарки» продолжали обитать в Захарьино, они ютились в одном «общинном» доме, вели отдельное хозяйство и ждали освобождения «сестер», но власти запретили тем возвращаться в деревню. Марию Благовещенскую после отсидки в 1936-го вновь арестовали, привезли в Ярославль и через полгода расстреляли. Анна Васильевна Шакшина была отправлена в дальневосточный лагерь у бухты Нагаево (Магадан), где в 1939 г. скончалась от сепсиса.
После Великой Отечественной войны, когда гонения на церковь со стороны власти ослабли, в Захарьево стали постепенно съезжаться сестры, отбывшие свои срока и выжившие. О воссоздании «тайного монастыря», конечно, и речи быть не могло. Но верующим женщинам просто хотелось быть вместе. Совместными усилиями они нашли и бывшую председательшу коммуны Анну Александровну Соловьеву. Лагерь ее не сломал. Освободившись, Анна с отличием закончила учительский институт при Ленинградском университете и до пенсии работала педагогом. Ее, пенсионерку, привезли обратно в Захарьево, где основательница «тайного монастыря» и дожила свой век. Последнюю «монашку-коммунарку» похоронили в 2004 г. Кстати, даже на местном погосте могилки всех сестер находятся рядом. Мария Благовещенская и Анна Шашкина были канонизированы Архиерейским Собором Русской Православной Церкви как мученицы. Историю создания, существования подпольной православной общины – Коммуны им. Н.К. Крупской в селе Захарьево изучили ученики Первомайской (Кукобойской) средней школы под руководством учительницы Ирины Деруновой. Они собрали документы, повествующие об удивительной коммуне, работницы которой днем ударно трудились, а по вечерам истово молились. (Использована информация с сайта: http://yarportal.ru/topic56368.html).
Чаще всего у мельниц было по 4 крыла, но встречались мельницы и шестикрылые – такие, как на этом рисунке. Мощность такой мельницы, разумеется, была больше. Мощность мельницы также зависит от ширины крыльев и угла наклона их к плоскости вращения. При передаче вращения с горизонтального ротора на вертикальный вал угловая скорость вращения увеличивается примерно в 5–6 раз, При передаче вращения с вертикального вала на жернова скорость вращения еще раз увеличивается в 5–6 раз. Следовательно, угловая скорость жерновов в 25–30 раз больше, чем крыльев мельницы.
У этой мельницы есть механизм, благодаря которому она сама настраивается на направление ветра. Принцип работы этого механизма – это принцип флюгера. Как только ветер меняет направление, он дует на лопасти механизма и поворачивает их в соответствии с направлением ветра. Этот сдвиг передается рычагом на звездчатое колесо, которое поворачивает ось, на другом конце которой – звездчатое колесо меньшего размера, а меньшее звездчатое колесо поворачивает очень большое колесо, на котором закреплена верхняя часть мельницы вместе с крыльями и горизонтальным ротором. Для облегчения вращения верхней поворотной части мельницы верхняя и боковая части обруча, оси роликов смазывались. (http://brunja.livejournal.com/26061.html)
Когда речь заходит о ветряных мельницах, сразу вспоминается знаменитый литературный герой Мигеля де Сервантеса Сааведра - Дон Кихот, в воспаленном мозгу которого они предстали в виде великанов. Первая ветряная мельница появились на берегах Нила (около трех тысячелетий назад), именно в этих краях пшеница давала щедрый урожай. Первые конструкции были довольно примитивными. Чтобы смолоть ведро зерна, требовалось не менее пяти-шести часов работы. Ручные жернова при наличии одного физически сильного мужчины позволяют перемолоть ведро пшеницы часа за полтора.
Принципы размола зерна в муку
Процесс превращения зерна в муку на современных мельницах проходит в несколько этапов. Перед размолом зерно очищается на специальных установках. Сита позволяют разделить массу по размеру, а специальные триеры удаляют из нее примеси. Это довольно хитрая машина, она распознает конфигурацию отдельных зерен и отбрасывает в сторону все, что отличается по форме. Далее масса замачивается. Эта операция нужна, чтобы поверхностный слой (его называют отрубным) легче снимался. В отрубях остается шелуха и зародышевые зоны зерна. Теперь наступает самый ответственный момент - выполняется обрубка. Она позволяет ускорить процесс размола зерна на жерновах. Современные жернова во многом напоминают те, которые использовались еще в древности. Это два круга. Один из них неподвижный, а другой вращается относительно первого. В верхнем имеется питающее отверстие, сюда поступают зерна. Зерно движется от центра к периферии, соприкасаясь с поверхностью жерновов. Те давят с определенным усилием, сдирая тонкий слой, который и превращается в муку. По мере истирания от цельных зерен не остается ничего, кроме муки, которая ссыпается с поверхности неподвижного жернова. Финишная операция - это разделение муки на ситах. Через самые тонкие проходит мука высшего сорта, далее отделяются и другие сортовые фракции. На самом грубом сите остаются сравнительно крупные частицы - это любимая многими (но кто-то ее и не любит) манная крупа.
Как поймать ветер
Природа ветра - это движение потока воздушных масс. Где-то ветер ежедневно дует с большой скоростью, но есть места, где его подолгу не могут дождаться. Первыми его сумели поймать моряки, паруса легко уловили легкое дуновение и потянули суда в направлении потока. Несколько позже научились ставить и косые паруса, появилась возможность двигаться и под углами, лавируя, опытные моряки могут плыть и навстречу ветру. Для привода вращающихся жерновов потребовалось иначе расположить несколько парусов. Их пришили к радиальным направляющим, сидящим на валу. Потом преобразовали в лопасти. Теперь давление воздушного потока заставляет двигаться каждую лопасть, здесь поступательное движение воздуха преобразуется во вращательное движение вала. Ветряная мельница упрощенного привода имела жернова, которые вращались в горизонтальной оси. Много сложностей преодолели изобретатели древности, чтобы найти способы поджимать неподвижный жернов к вращающемуся. Среди рисунков египетских пирамид есть такие, которые показывают, как ветер на мельнице перемалывает зерно в муку.
Классическая ветряная мельница
Вопрос о том, как передать вращение от горизонтальной оси к вертикальной, долго не мог разрешиться. Многократно пытались изменить направление вращения валов. Но техническое решение так и не находилось. В манускриптах есть схемы устройств для преобразования направлений вращения. Наиболее распространенная конструкция приписывается Архимеду (ветряная мельница по Архимеду изображена на фресках, вывезенных римлянами из Сиракуз). Он придумал зубчатые колеса, изготовленные из бревен, закрепленных на ободьях колес. Гениальная идея была воплощена в десятках тысяч мельниц, разбросанных по миру. В них ветер заставляет вращаться горизонтальный вал, на конце которого установлено колесо. На его ободе имеются крепко зафиксированные зубья (круглые бруски), установленные с определенным шагом. Перпендикулярно горизонтальному валу установлен вертикальный. На нем тоже имеется колесо с аналогичными зубьями. Получился аналог шестеренного механизма, передающий крутящий момент под заданным углом (в данном случае 90°). Вертикальный вал вращает подвижный жернов, в него равномерно засыпается зерно, которое превращается в муку. В результате получилась мельница для муки.
Как устроена современная мельница
В современных конструкциях вместо сложного шестеренного механизма, изготовленного из дерева, используются иные устройства для передачи вращения. Сегодня только на побережье Пиренейского полуострова работают несколько десятков мельниц. В них использованы фрикционные вариаторы - редукторы, преобразующие направление вращения, а также обеспечивающие нужную скорость вращения рабочего вала. В Норвегии и Исландии применяется несколько иной привод, там работают конические шестерни, изготовленные из бронзы. На улице XXI век, но ветряная мельница все равно находит применение и в наше время.
Какие мельницы используются сегодня
Большие объемы промышленной переработки зерна невозможно осилить только с использованием ветра. Для привода вращения жерновов применяются синхронные электродвигатели с фазовым ротором. Они могут плавно изменять частоту вращения вала. Для зерна и муки характерно проявление термопластических свойств - расплавление при нагревании. В процессе помола муки температура поверхности жерновов повышается, поэтому скорость вращения ограничивается разумными пределами. Если не ограничить, то может произойти возгорание муки, а ее наличие в воздухе, соответственно, привести к взрыву. Современные жернова внутри себя имеют довольно сложную систему охлаждения. В зоне их работы установлены термодатчики, которые контролируют ход технологического процесса. Внедрение компьютеров в технологии не обошло и мельничное производство. На современных мельницах датчики контроля разных параметров установлены по всей технологической цепи: от приема зерна на склад до упаковки муки в тару и погрузки в транспортное средство, которое доставит ее на хлебопекарный завод или в магазин.
Мельница своими руками
Мини-мельницы применяются в фермерских хозяйствах для приготовления кормов с использованием муки крупного помола. Известно, что организм животных лучше усваивает не цельное зерно, а дробленное. Для этого применяют небольшие зернодробилки или машинки для грубого помола. Мельница своими руками создается в следующей последовательности. Нужно изготовить жернова. Для этого применяют два толстостенных диска, их рабочие поверхности насекаются бородком или зубилом. В результате получаются жернова. Затем в верхнем жернове просверливается отверстие. К нему приваривают конус из тонкостенной жести (питатель, подающий зерно в зону помола). Организуют привод вращающегося жернова, здесь проще всего использовать клиноременную передачу. Поэтому болтами к верхнему диску прикручивают шкив. На валу электродвигателя также устанавливают шкив. Теперь вращение вала двигателя будет передано к жернову мельницы. Остается только заключить всю конструкцию в корпус и начать производить муку.
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.
nRJF8B7h9uw
Ветряная мельница — аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра, улавливаемой крыльями мельницы. Наиболее известным применением ветряных мельниц является их использование для помола муки.
На протяжении долгого времени ветряные мельницы, наряду с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество. Поэтому применение этих механизмов было различным: в качестве мукомольной мельницы, для обработки материалов (лесопилка) и в качестве насосной или водоподъемной станции.
С развитием в XIX в. паровых машин использование мельниц постепенно стало сокращаться.
«Классическая» ветряная мельница с горизонтальным ротором и удлиненными четырехугольными крыльями является широко распространенным элементом пейзажа в Европе, в ветреных равнинных северных регионах, а также на побережье Средиземного моря. Для Азии характерны другие конструкции с вертикальным размещением ротора.
История
Античность
Предположительно древнейшие мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание органа, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связан с осью, мельница не будет вращаться.
Еще один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Средневековье
Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Такое положение дел было в Европе вплоть до появления двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей в XIX веке. Водяные мельницы были распространены в основном в горных районах с быстрыми реками, а ветряные — в равнинных ветреных местностях.
Мельницы принадлежали феодалам, на чьей земле они располагались. Население было вынуждено искать так называемые принудительные мельницы для помола зерна, которое было выращено на этой земле. В совокупности с плохой дорожной сетью это вело к локальным экономическим циклам, в которые были вовлечены мельницы. С отменой запрета, население стало в состоянии выбирать мельницу по своему усмотрению, таким образом стимулируя технический прогресс и конкуренцию.
Новое время
В конце XVI века в Нидерландах появились мельницы, у которых навстречу ветру поворачивалась только башня.
До конца XVIII в. ветряные мельницы были в огромном количестве распространены по всей Европе — там, где ветер был достаточно силен. Средневековая иконография ясно показывает их распространенность. В основном они были распространены в ветреных северных областях Европы, в значительной части Франции, Нижних Землях, где в прибрежных районах некогда имелось 10 000 ветряных мельниц, Великобритании, Польше, Прибалтике, Северной России и Скандинавии. В других европейских регионах было всего несколько ветряных мельниц. В странах Южной Европы (Испания, Португалия, Франция, Италия, Балканы, Греция), строились типичные мельницы-башни, с ровной конической крышей и, как правило, фиксированной ориентацией.
Когда в XIX в. произошел общеевропейский экономический скачок, наблюдался и серьезный рост мельничной промышленности. С появлением множества независимых мастеров произошел единовременный рост числа мельниц.
В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна или подъёма воды. Современные ветряные электростанции обеспечивают электроэнергией небольшие хозяйства и предприятия.
Ветряные мельницы Нидерландов
Ежегодно в Нидерландах проводится День мельников и мельниц. В этот день для посещения открыты все мельницы страны. Например, De Kat - мельница, производящая сырьё для красильной промышленности, De Huisman - небольшая горчичная мельница, мукомольная мельница De Leeuw.
В городке Схиедам сохранилось пять мельниц, которые обрабатывают зерно для получения этилового спирта. Две из них - «Север» и «Свобода» считаются самыми большими в мире, высота каждой из них достигает 33 метров.
В XI веке Нидерланды были одной из самых густонаселённых стран Европы, а вот с плодородными почвами было не очень хорошо. Их просто-напросто не хватало. Никто не мог с этим ничего поделать до XVI. А потом Ян Лигвотер приспособил ветряные мельницы для осушения глубоких водоемов - до этого при помощи дренажных канав вода отводилась только от неглубоких заболоченных мест. Лигвотер предложил создать ветряные насосы, соединяя валы мельниц с винтом Архимеда. Но одиночные насосы не могли поднять воду на нужную высоту, - тогда он разработал систему последовательной перекачки. Были построены целые системы параллельных каналов. Десятки мельниц перекачивали воду из канала в канал, отводя ее за дамбу, окружавшую осушаемый участок. Таким способом за последние несколько веков территория Нидерландов увеличилась на 10%.
.jpg)
19 ветряных мельниц в Киндердайке включены в список мирового наследия ЮНЕСКО. Они располагаются в два ряда на берегу рек Nederwaard и Oderwaard. Хотя они сейчас они не имеют практического значения, но они находятся в рабочем состоянии и представляют большой интерес для туристов.
Ветрогенераторы современного образца
Ветрогенераторы, применяемые для получения электроэнергии в наши дни, имеют трехлопастное ветроколесо, направляемое на ветер с помощью специальных двигателей, управляемых компьютерами. Высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 метров. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах присутствует подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможностью автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.
Ветроэнергетика в России
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 миллиардов кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2006 год составляет около 15 МВт.
Одна из самых больших ветроэлектростанций России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Её среднегодовая выработка составляет около 6 млн кВт·ч.
На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт) среднегодовой выработкой более 3 млн кВт·ч, параллельно станции установлен ДВС, вырабатывающий 30 % энергии установки.
Также крупные ветроэлектростанции расположены у деревни Тюпкильды Туймазинского района респ. Башкортостан (2,2 МВт).
В Калмыкии в 20 км от Элисты размещена площадка Калмыцкой ВЭС планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт·ч, на 2006 год на площадке установлена одна установка «Радуга» мощностью 1 МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт·ч.
В республике Коми вблизи Воркуты строится Заполярная ВДЭС мощностью 3 МВт. На 2006 действуют 6 установок по 250 кВт общей мощностью 1,5 МВт.
На острове Беринга Командорских островов действует ВЭС мощностью 1,2 МВт.
В 1996 году в Цимлянском районе Ростовской области установлена Маркинская ВЭС мощностью 0,3 МВт.
В Мурманске действует установка мощностью 0,2 МВт.
В Белгородском районе (пос.Крапивинские Дворы) построен сетевой ветропарк на 0,2 Мвт.
В Астрахани установлен и действует автономный ветропарк на 0,1 МВт.
Успешным примером реализации возможностей ветряных установок в сложных климатических условиях является ветродизельная электростанция на мысе Сеть-Наволок Кольского полуострова мощностью до 0,1 МВт. В 17 километрах от неё в 2009 году начато обследование параметров будущей ВЭС работающей в комплексе с Кислогубской ПЭС.
Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт Ленинградская область, Ейской ВЭС 72 МВт Краснодарский край, Морской ВЭС 30 МВт Карелия, Приморской ВЭС 30 МВт Приморский край, Магаданской ВЭС 30 МВт Магаданская область, Чуйской ВЭС 24 МВт Республика Алтай, Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт Камчатская область, Новиковской ВДЭС 10 МВт Республика Коми, Дагестанской ВЭС 6 МВт Дагестан, Анапской ВЭС 5 МВт Краснодарский край, Новороссийской ВЭС 5 МВт Краснодарский край и Валаамской ВЭС 4 МВт Карелия.
Началось строительство «Морского ветропарка» в Калининградской области мощностью 50 МВт. В 2007 году этот проект был заморожен.
Как пример реализации потенциала территорий азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС, действующей на 2007 год мощностью в 20,4 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива.
Реализуется «Программа развития ветроэнергетики РАО „ЕЭС России“». На первом этапе (2003—2005 г.) начаты работы по созданию многофункциональных энергетических комплексов (МЭК) на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания. На втором этапе будет создан опытный образец МЭТ в посёлке Тикси — ветрогенераторы мощностью 3 МВт и двигатели внутреннего сгорания. В связи с ликвидацией РАО ЕЭС России все проекты, связанные с ветроэнергетикой были переданы компании РусГидро. В конце 2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций.
Ветряной насос «Ромашка» производства СССР
Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка».