Водяные мельницы

Мельницы другого типа — ветряные — известны с середины VII в., когда  их впервые стали строить на территории Персии. В Нидерландах, где издревле боролись с морем за каждый клочок земли, пригодной для сельского  хозяйства, именно с помощью ветряных мельниц с X—XI вв. осушали большие территории. Сначала возводили земляные дамбы, отгораживающие мелководный участок морского залива, а затем сооружали мельницы с водоотливными колесами. Они неустанно, день и ночь — был бы только ветер! — откачивали воду.

Примерно в то же время люди поняли, что мельничный двигатель можно использовать для выполнения любой работы, требующей больших затрат мускульной энергии. Нужны были только специальные механизмы, обеспечивающие передачу усилий с вала, вращаемого лопастями ветряка или водяным колесом, на другой вал. Этот вал следовало расположить под углом и соединить с техническими устройствами, преобразующими вращательное движение в прямолинейное и возвратно-поступательное движение рабочей машины. И такие механизмы изобрели. Водяные двигатели начали применять в самых разных областях промышленности — в производстве сукна и пороха, для дробления руды, откачки воды из шахт и приведения в действие кузнечных мехов. Появились сложные передаточные механизмы, с помощью которых от одного двигателя работали две машины и более. Мельницы стали основным типом двигателя в ремесленном и мануфактурном производстве, и так было до тех пор, пока не создали универсальный паровой двигатель.

Появляются новые источники  энергии для нужд ремесел и  промышленности. В XI веке водяная мельница, которая была известна еще александрийцам в I веке до н.э., широко распространяется на Западе в различных формах в зависимости от местных условий (работающие на силе приливов – в Венеции, наливные – в речных районах). В тот же период получает распространение и ветряная мельница, появившаяся у арабов и пришедшая в Европу через Марокко и Испанию. Водяные и ветряные мельницы, которые уже в первоначальном виде в XI и XII веках обладали мощностью в 40...60 лошадиных сил, до конца XVIII века определяли характер технических сооружений.

Итак, Средневековье мало что само изобрело и мало чем обогатило  даже продовольственную флору. Рожь, например, — главное приобретение средних веков — к настоящему времени почти исчезла в Европе; это было лишь преходящее обогащение агрикультуры. И тем не менее эта эпоха означает определенный этап в покорении природы человеком с помощью техники. Разумеется, даже самое важное завоевание — мельница (или, точнее, ибо это главное, ее распространение) — зависело от капризов природы: мог прекратиться ветер, высохнуть или, напротив, замерзнуть водный поток. Но вот что говорит по этому поводу Марк Блок: «Водяные и ветряные мельницы — зерновые, дубильные, сукновальные; мельницы, приводящие в действие гидравлические пилы и кузнечные молоты; хомут и подковы, упряжка цугом и, наконец, самопрялка — сколько достижений, которые в равной мере приводили к более эффективному использованию природных сил, одушевленных или нет; следовательно — к сбережению человеческого труда или, что почти то же самое, к росту производительности труда. Почему? Отчасти потому, что было меньше людей, но прежде всего потому, что господин имел меньше рабов».

Некоторые современники осознавали эту  прямую связь между человеческой жизнью и техническим прогрессом — при том, однако, что Средневековье вовсе не числило технический прогресс в ряду своих ценностей. Были люди, которые его оплакивали. Так, например, Гийо Провенский в начале XIII в. сожалел о том, что в его время, даже в военной области, «художники» должны уступать дорогу «техникам», «рыцари» — «арбалетчикам, саперам, обслуге камнеметов и инженерам». Другие, напротив, радовались.

Еще в античный период при появлении  первых водяных мельниц одна из эпиграмм «Антологии» прославляла это  достижение: «Поберегите ваши руки, столь привычные к жернову, о девы, которые еще недавно мололи зерно! Вас ждет отныне долгий сон, и вы не будете внимать пенью петухов, что приветствуют зарю. Ибо вашу работу Деметра повелела делать нимфам». В V в. аббат Лоша радовался тому, что монастырская мельница позволяет «одному брату выполнять работу многих». А в XIII в. монах из Клерво, описывая промышленные приспособления, сложил подлинный гимн во славу машин:

«Один из рукавов (реки) Об, протекая через  многочисленные мастерские аббатства, снискал себе повсюду благословения за те услуги, что он оказывает (обители). Река принимается здесь за большую работу; и если не вся целиком, то по крайней мере она не остается праздной. Русло, излучины которого разрезают долину пополам, было прорыто не природой, но сноровкой монахов. И таким путем река отдает обители половину самой себя, как бы приветствуя монахов и извиняясь, что она не явилась к ним вся целиком, поскольку не смогла найти канал, достаточно широкий, чтобы ее вместить.

Когда подчас река выходит из берегов и выплескивает за свои обычные пределы слишком обильную воду, то ее отражает стена, под которой она вынуждена течь. Тогда она поворачивает вспять, и волна, которую несет с собой прежнее течение, принимает в своих объятьях отраженную волну. Однако, допущенная в аббатство — в той мере, в какой ей это позволяет стена, исполняющая роль привратника, — река бурно устремляется в мельницу, где она сразу же принимается за дело, приводя в движение (колеса) для того, чтобы молоть тяжелыми жерновами пшеницу или трясти решето, которое отделяет муку от отрубей.

И вот уже в соседнем здании она  наполняет котел (для варки пива) и отдается огню, который кипятит  воду, дабы изготовить напиток для  монахов, ежели паче чаяния виноградник  ответил на заботу виноградаря дурным ответом бесплодия или же кровь грозди оказалась негодной и нужно заменить ее дочерью колоса. Но (и после этого) река не считает себя свободной. Ее зовут к себе стоящие подле мельницы сукновальни. Она уже была занята на мельнице приготовлением пищи для братьев; есть, стало быть, резон потребовать, чтобы она позаботилась и об их одежде. Она не спорит и ни от чего не отказывается. Она попеременно поднимает и опускает тяжелые бабы, или, если угодно, молоты, а еще лучше сказать, деревянные ноги (ибо это слово более точно выражает характер работы сукновалов), и сберегает сукновалам много сил. О, мой Бог! Какое утешение даруешь Ты своим бедным слугам, дабы их не угнетала великая печаль! Как облегчаешь Ты муки детей своих, пребывающих в раскаянии, и как избавляешь их от лишних тягот труда! Сколько бы лошадей надрывалось, сколько бы людей утомляли свои руки в работах, которые делает для нас без всякого труда с нашей стороны эта столь милостивая река, которой мы обязаны и нашей одеждой, и нашим пропитанием. Она объединяет свои усилия с нашими и, перенеся все тяготы жаркого дня, ждет от нас лишь одну награду за свой тяжелый труд: чтобы ей позволили свободно удалиться после того, как она старательно сделала все, что от нее требовали. Заставив стремительно вращаться множество быстрых колес, она вся покрывается пеной, словно ее самую перемололи, и ее течение становится более вялым.

Покинув сукновальню, она устремляется в дубильную мастерскую, где выказывает столь же живости, сколь и тщания, дабы изготовить материал, необходимый для обуви братьев. Потом она разделяется на множество мелких рукавов и посещает в своем услужливом течении различные заведения, проворно разыскивая те, что имеют в ней нужду. Идет ли речь о том, чтобы печь, просеивать, вращать, дробить, орошать, поднимать или молоть, — везде она предлагает свою помощь и никогда в ней не отказывает».

ЕТРЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ

Первым двигателем в истории  человечества был ветряной двигатель. Чуть позже появилось водяное  колесо. События эти датируются 2 и 1 столетиями до нашей эры. Но не следует забывать, что самым первым двигателем был все-таки корабельный парус. И сказать точно, когда появился первый парус, невозможно. История создания паруса уходит в глубину тысячелетий.

Ветряной двигатель и парус  – близкие «родственники». Лопасти ветряка – это и есть узкие жесткие паруса. Они располагаются под углом к дующему на них ветру. Ветер скользит по поверхности лопасти от передней кромки к задней, возникает сила, сдвигающая закрепленную на оси лопасть. И ветряное колесо приводится во вращение. Чтобы ветряной двигатель работал, необходимо соблюсти ряд условий. Во-первых, площадь лопастей ветряка должна быть такова, что возникающая сила смогла преодолеть силы трения в подшипниках колеса. На практике движущая сила многократно превышает силу трения, поскольку ветряной двигатель приводит в действие тяжелые каменные жернова мельницы (или, добавим, выполняет другую полезную работу, например выкачивает воду). Во-вторых, ветряное колесо должно быть хорошо уравновешено, чтобы при его вращении не возникали силы, стремящиеся разрушить колесо. В-третьих, необходим какой-нибудь механизм улавливания направления ветра. Небольшие по размерам ветряки устанавливали на поворотное основание, снабженное длинным рычагом. Когда ветер менял направление, мельницу попросту разворачивали при помощи этого рычага, располагая лопасти колеса перпендикулярно набегающему воздушному потоку.

При сооружении водяного колеса необходимо соблюдение практически тех же самых  условий. Разве что упраздняется механизм ориентации колеса, поскольку водяной поток имеет постоянное направление. Простые, остроумные устройства, но как же непросто было правильно рассчитать и изготовить первые ветряные и водяные двигатели, не имея перед глазами каких-либо прототипов.

Ветряные мельницы не сразу стали  такими, какими мы их видим на полях  Эстонии, Голландии и других стран. Первые египетские мельницы снабжались не крыльчатым, а барабанным колесом. Лопасти устанавливались вертикально  на плоскости колеса. Этот двигатель работал при любом направлении ветра, но был не так эффективен, как двигатель с крыльчатым колесом. Поверхность лопастей ветряного колеса, – расположение оси которого совпадает с направлением ветра, полностью обдувается потоком воздуха, поэтому сила вращения колеса значительно больше. Крыльчатое колесо начинает работать при ветре небольшой силы, а барабанное колесо работает только при сильном ветре. И все же ветряные мельницы с крыльчатыми колесами появились только в VII веке нашей эры в Персии.

Что касается водяного двигателя, то его конструкция оставалась неизменной на протяжении тысяч лет. Для приведения во вращение водяному колесу необходим водяной поток постоянной силы, поэтому при строительстве водяной мельницы перегораживалось русло небольшой реки или ручья и устраивалась запруда. Накопившуюся в запруде воду отводили при помощи лотка – поток воды падал на горизонтально расположенные лопасти колеса и приводил колесо в движение. Недостатком водяного двигателя была его зависимость от воды. Построить водяную мельницу можно было только у реки.

Мы постоянно  говорим о мельницах. Действительно, первые ветряные и водяные двигатели  применялись именно на мельницах. Измельчение  зерна в муку, да еще в больших  количествах, – дело трудоемкое. Много  ли зерна можно смолоть в ступе или при помощи ручного жернова? С укрупнением сельскохозяйственного производства, то есть с появлением больших плантаций пшеницы, ячменя и других зерновых культур, возникла потребность в механизированных мельницах. Приводимая водяным или ветряным колесом мельница могла работать круглосуточно и не нуждалась в большом количестве рабочей силы. Перемолотое в муку зерно удобней было хранить и перевозить на большие расстояния – мука занимала меньше места в мешках и кувшинах, лучше сохранялась и воспринималась покупателями не как сырье, а как готовый продукт. Стоимость муки была выше стоимости зерна, торговать мукой было выгодно.

Рабочими элементами ветряной или  водяной мельницы «классического» (или барабанного) типа были каменные колеса-жернова. Нижний камень оставался неподвижным, верхний вращался ветряным или водяным колесом. Зерно подавалось по желобу в зазор между камнями и растиралось жерновами в муку. Есть и другие типы мельниц – роликовые, вибрационные, молотковые, струйные, но все они были изобретены гораздо позднее (к примеру, струйные мельницы, в которых зерно измельчается потоком воздуха, – изобретение нашего времени).

Водяные и ветряные мельницы просуществовали вплоть до начала XX века, когда их окончательно вытеснили мельницы с электроприводом. Впрочем, в Голландии, где ветряных мельниц огромное количество, они служат до сих пор в качестве... жилья. Да, ветряные колеса голландских мельниц не производят никакой работы. А в аккуратных деревянных башенках живут люди.

Эти своеобразные дома выглядят как  классические мельницы, но обставлены и оборудованы по последнему слову  техники и очень комфортабельны. Чтобы получить право пожить в такой мельнице несколько лет, нужно заплатить немалые деньги и выстоять длинную очередь. И все равно количество желающих поселиться в старинных мельницах с каждым годом растет.

Водяные и ветряные мельницы

Уже с раннего средневековья  распространялись водяные, а позднее и ветряные мельницы. Строительство водяных мельниц стало заметным явлением уже в IX в., а начиная с X и по XIII в. темп его все время нарастает.

Очевидно, что использование неживых  сил возможно лишь при условии  механизации некоторых приемов в процессе труда. Монотонные тяжелые операции, более всего нуждающиеся в механизации, легче всего поддаются ей. Путь к механизации многих ручных операций открыли два важных изобретения, относящихся к этому времени. Первое - это кривошип- изобретение «второе по важности после колеса», как пишет Уайт. Значение его трудно переоценить, так как это приспособление позволяет преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное, и наоборот. Это изобретение, неизвестное грекам и римлянам, появляется, даже в примитивной форме, только после эпохи переселения народов. Впервые- в ручных мельницах, затем во вращающихся жерновах, точильных камнях. В средние века он затем применяется в разнообразных машинах. Другое изобретение- маховик, тяжелое маховое колесо, позволяющее выравнивать неравномерное усилие двигателя, придавая равномерность вращению.

От водяного двигателя устраивалась передача вращательного движения к  рабочему органу, это и требовалось  в мукомольном деле. Для этого  необходимо было решить механическую задачу о передаче вращения между осями (валами), пересекающимися под прямым углом. Задача была решена, по-видимому, уже в самых ранних водяных мельницах- посредством зубчатого зацепления. Мельница явилась, вероятно, первым механическим агрегатом, в котором нашли практическое применение и развитие зубчатые передачи.                                        («Западноевропейская наука в средние века»)

В ранних водяных мельницах, предназначенных  для помола зерна, были применены  первые основные виды зубчатых колес, которые затем использовались в продолжении нескольких столетий, в частности и такие колеса, которые позволяли осуществлять передачу вращения между перпендикулярными осями. Более того, передача между перпендикулярными осями с помощью цевочных колес была придумана раньше, чем передача между параллельными осями.

Цевочные колеса долгое время были универсальными и устанавливались  даже в часовых механизмах. Известны три основных вида таких колес: 1) с зубцами на ободе, применявшиеся  для передач между параллельными осями; 2) с зубцами (пальцами, цевками) на торцевых поверхностях, применявшиеся для передач между перпендикулярными осями; 3) малые шестерни, состоявшие из двух кругов, соосно расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и пальцев (цевок), заделанных между ними.

Благодаря этим изобретениям оказалось  возможным заставить воду работать не только в обычных мельницах, где  мелют зерно, но и приводить в  движение различные машины: механические решета для просеивания муки, молоты в кузницах, машины в сукновальнях и сыромятнях. К началу XII в. такие машины получили широкое распространение.                                                       («Очерки истории техники в России.»)

В XI веке водяная мельница, которая  была известна еще александрийцам в I веке до н.э широко распространяется на Западе в различных формах в зависимости от местных условий (работающие на силе приливов – в Венеции, наливные – в речных районах). В тот же период получает распространение и ветряная мельница, появившаяся у арабов и пришедшая в

Европу через Марокко и Испанию. Водяные и ветряные мельницы, которые  уже в первоначальном виде в XI и XII веках обладали мощностью в 40 60 лошадиных  сил, до конца XVIII века определяли характер технических сооружений. Этот новый источник энергии в первых десятилетиях XIII века дал мощный толчок развитию металлургии. В старинных печах воздух нагнетался мехами, которые

приводились в движение силой человека, так что нельзя было достичь высокой  температуры плавления железа (выше 1500°C). В XIII веке мехи стали приводить в движение водой; это позволило получить высокие температуры, при которых можно было выплавлять чугун, помещая в печах чередующимися слоями древесный уголь и железную руду. В XVI веке высота доменных печей достигала уже 6 метров и чугун нашел самое разнообразное применение (пушки, снаряды, печи, трубы, чугунная посуда, плиты).

Средневековье

Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и  Нормандии. [2] 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.

  Водяная мельница распространилась в Римской империи в IV—V вв. В Византии она была хорошо известна. Наряду с этим тяглая сила животных продолжала применяться для размола зерна еще и в XII столетии. На Западе с конца X в. сила воды начинает интенсивно использоваться в ремесленном производстве: в сукновальном деле или для приведения в движение кузнечного молота. Несколько позднее, в XII в., распространяется ветряная мельница, столь типичная для средневекового пейзажа Европы. Византия же, насколько позволяют судить сохранившиеся документы, оставалась в стороне от поисков новых источников энергии; нововведения, которыми здесь ограничивались, сводились лишь к некоторому расширению сферы применения тяглой силы животных: так в Монастырских хозяйствах стали использовать быков, чтобы приводить в движение механизмы, замешивающие тесто.

Вторым представителем машинной техники, явившимся элементом нового, четвертого уклада техники, который также зародился в недрах старого, третьего уклада техники, является водяная мукомольная мельница, появившаяся впервые в первом тысячелетии до н.э. и получившая некоторое распространение в Римской империи. Были попытки в Риме создать и ветряной двигатель и даже паровую турбину, но они не увенчались успехом. Водяное колесо (гидродвигатель) также не получило, кроме мукомольной мельницы, другого применения. Машинная техника не получила дальнейшего развития в Древнем Риме ввиду, главным образом, наличия сверхдешевого рабского труда.

 Мукомольная  мельница с использованием гидродвигателя  явилась в начальный период  широкого внедрения машинной  техники основным ее представителем, если не считать парусные суда. "На юге Трента и Северна  (Англия) в 1086 году было 5624 водяные мельницы, по одной приблизительно на каждые 50 хозяйств. Этого, несомненно, было достаточно, чтобы коренным образом изменить условия жизни людей. Новая разновидность мельницы, приводимая в движение силой прилива, появилась на побережье Адриатического моря в 1044 году, а в Довере - где-то между 1066 и 1086 годами" (7-62).

 В средние  века применялось не горизонтальное, как в Древнем Риме, а вертикальное  водяное колесо. При этом сначала  получило распространение нижнебойное  колесо, затем среднебойное и, наконец, - верхнебойное. Последнее было более эффективным, оно имело большой коэффициент полезного действия (КПД) и, следовательно, большую мощность при одной и той же силе потока, что было особенно важно на небольших речках, где энергия воды была ограничена размерами реки Сначала водяные колеса изготовлялись полностью деревянными, затем начали делать отдельные части и детали, прежде всего вал, из металла, главным образом железа. Постепенно растет и мощность гидродвигателя за счет увеличения его размеров: диаметра, ширины. Совершенствование гидродвигателя позволило значительно улучшить его технические характеристики: КПД, мощность, срок службы и др.

 Следует  иметь в виду, что в водяных  мукомольных мельницах совершенствовалось  не только водяное колесо, но и мукомольный механизм, историю совершенствования которого так описывает К.Маркс: "В мельнице развивается также та часть машины, которая раньше посредством той же движущей силы исполняла самостоятельную работу - часть работы, отделенной от собственно размола муки, и, таким образом, процесс размола механически комбинируется.

 Об отделении  муки от шелухи и отрубей  в первое время не думали. Впоследствии размолотое зерно просеивалось ручным ситом. С весьма давних пор размолотое зерно, как только оно выходило из-под жерновов, собиралось в особый ящик, названный позже мукосейной. Позднее в этих ящиках устанавливались сита и делалось такое устройство, которое позволяло посредством кривошипа приводить их в движение. Ими обходились до начала XVI в., когда в Германии изобретается настоящий пеклевальный механизм, в котором натянутое в форме сетки сито покачивается самой мельницей. Изобретение пеклевального механизма сделало необходимым изготовление особой ткани, так называемой волосяной ткани, которая позже производилась фабричным способом" (К.Маркс. Машины, применение природных сил и науки. Вопросы истории естествознания и техники. М. 1968, выпуск 25, стр. 32).

 Ветряные  мукомольные мельницы появились  и получили в Европе широкое  распространение позднее водяных. В странах ислама водяные мельницы появились раньше, чем в Европе, но они были устроены иначе: лопасти крепили к ободу горизонтального колеса с жерновом, вращающимся по вертикальному валу. В европейской же мельнице крылья отходят от горизонтального вала, который вращает жернов посредством пары зубчатых колес. Первые ветряные мельницы в Европе были козловыми, они поворачивались вместе с корпусом на козлах по мере того, как менялось направление ветра. Поскольку поворачивать тяжелую мельницу приходилось вручную, с помощью рычагов, то приходилось ограничивать ее вес, а следовательно, и размеры, и мощность, что ограничивало ее производительность. Кроме того, сильный ветер мог опрокинуть такую мельницу. Поэтому ветряная мукомольная мельница была усовершенствована, она превратилась в шатровую мельницу. "Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле" (К.Маркс. Машины... стр. 32).