Wynalezienie młyna wodnego miało ogromne znaczenie dla historii i rozwoju techniki. Pierwsze takie konstrukcje służyły do przelewania wody w starożytnym Rzymie, później zaczęto je wykorzystywać do pozyskiwania mąki oraz do innych celów przemysłowych.
Historia wynalazku
Koło wodne zostało wynalezione przez ludzi już w starożytności, dzięki czemu człowiek otrzymał niezawodny i prosty silnik, którego zastosowanie z roku na rok poszerza się. Już w I wieku pne rzymski naukowiec Witruwiusz opisał taką strukturę w swoim traktacie „10 ksiąg o architekturze”. Jego działanie opierało się na obrocie koła od uderzenia strumienia wody na jego łopatki. A pierwszym praktycznym zastosowaniem tego odkrycia była możliwość mielenia ziaren.
Historia młynów sięga pierwszych kamieni młyńskich używanych przez starożytnych do pozyskiwania mąki. Takie urządzenia były początkowo ręczne, potem zaczęły wykorzystywać fizyczną siłę niewolników lub zwierząt, które obracały młynem.
Historia młyna wodnego rozpoczęła się od zastosowania konstrukcji koła napędzanego siłą strumienia rzeki do realizacjiproces mielenia ziarna na mąkę, a podstawą do tego było stworzenie pierwszego silnika. Starożytne maszyny wyewoluowały z urządzeń nawadniających zwanych chadufonami, które służyły do podnoszenia wody z rzeki w celu nawadniania gruntów i pól. Takie urządzenia składały się z kilku szufelek osadzonych na obręczy: podczas obracania były zanurzane w wodzie, nabierały ją, a po podniesieniu przewracały do zsypu.
Układ starożytnych wiatraków
Z czasem ludzie zaczęli budować młyny wodne i wykorzystywać moc wody do produkcji mąki. Ponadto na terenach płaskich, przy małej prędkości przepływu rzek, urządzano tamy zwiększające ciśnienie, zapewniając tym samym wzrost poziomu wody. Aby przenieść ruch do urządzenia młyna, wynaleziono motoreduktory, które zostały wykonane z dwóch kół stykających się z felgami.
Używając systemu kół o różnych średnicach, których osie obrotu były równoległe, starożytni wynalazcy byli w stanie przenieść i przekształcić ruch, który mógł być skierowany na korzyść ludzi. Co więcej, większe koło musi wykonywać mniej obrotów tyle razy, ile jego średnica przekracza drugie, małe. Pierwsze systemy kół zębatych zaczęły być używane 2 tysiące lat temu. Od tego czasu wynalazcy i mechanicy byli w stanie wymyślić wiele odmian kół zębatych, wykorzystując nie tylko 2, ale więcej kół.
Opisane urządzenie starożytnego młyna wodnegoWitruwiusz, zawierał 3 główne części:
- Silnik składający się z pionowego koła z łopatkami, które są obracane przez wodę.
- Mechanizmem przekładni jest drugie pionowe koło zębate (przekładnia), które obraca trzecie poziome koło zębate.
- Mechanizm uruchamiający składający się z dwóch kamieni młyńskich: górny napędzany jest przekładnią i osadzony na jej pionowym wale. Ziarno na mąkę wsypywano do lejka-wiadra znajdującego się nad górnym kamieniem młyńskim.
Koła wodne zainstalowano w kilku pozycjach względem przepływu wody: w dół rzeki – na rzekach o dużym natężeniu przepływu. Najczęściej były to konstrukcje „wiszące”, instalowane na swobodnym przepływie, zanurzane w wodzie przez dolne łopatki. Następnie zaczęto stosować koła wodne średnio- i górno-przebijające.
Maksymalną możliwą wydajność (wydajność=75%) dała praca typów napowietrznych lub masowych, które były szeroko stosowane przy budowie „kajakowych” młynów pływających, które pływały po dużych rzekach: Dniepr, Kura, itp.
Znaczenie odkrycia młyna wodnego polegało na tym, że wynaleziono pierwszy antyczny mechanizm, który później mógł zostać wykorzystany do produkcji przemysłowej, co stało się ważnym etapem w historii rozwoju techniki.
Średniowieczne konstrukcje hydrauliczne
Pierwsze młyny wodne w Europie, według danych historycznych, pojawiły się za panowania Karola Wielkiego (340 rne) w Niemczech izostały zapożyczone od Rzymian. W tym samym czasie takie mechanizmy budowano na rzekach Francji, gdzie pod koniec XI wieku. było już około 20 tysięcy młynów. W tym samym czasie w Anglii było ich już ponad 5,5 tys.
Młyny wodne w średniowieczu były szeroko rozpowszechnione w całej Europie, wykorzystywano je do przetwarzania produktów rolnych (młyny, olejarnie, folusze), do podnoszenia wody z kopalń oraz w produkcji metalurgicznej. Pod koniec XVI wieku było ich już 300 tys., aw XVIII wieku. - 500 tys. W tym samym czasie nastąpiło ich udoskonalenie techniczne i wzrost przyrostu mocy (z 600 do 2220 koni mechanicznych).
Słynny artysta i wynalazca Leonardo da Vinci w swoich notatkach próbował również wymyślić nowe sposoby wykorzystania energii i mocy wody za pomocą kół. Zaproponował np. zaprojektowanie piły pionowej, którą wprawiał w ruch strumień wody doprowadzany do koła, czyli proces został zautomatyzowany. Leonardo wykonał również rysunki kilku opcji wykorzystania konstrukcji hydraulicznych: fontann, sposobów osuszania bagien itp.
Uderzającym przykładem elektrowni wodnej był mechanizm zaopatrzenia w wodę fontann i zaopatrzenia w wodę pałaców w Wersalu, Trianon i Marly (Francja), dla którego specjalnie zbudowano tamę na rzece. Sekwana. Ze zbiornika wodę pod ciśnieniem doprowadzano do 14 kół przebijających dno mierzących 12 m. Podnosili ją za pomocą 221 pomp na wysokość 162 m do akweduktu, z którego spływała do pałaców i fontann. Dzienna ilość dostarczanej wody wynosiła 5 tys. m33.
Jak działa młyn wodny
Projekt takiego młyna pozostaje niezmieniony przez wiele stuleci. Głównym materiałem do budowy było drewno, z którego zbudowano stodołę, wykonano koła i wały. Metal został użyty tylko w niektórych częściach: osie, łączniki, wsporniki. Sporadycznie stodoła była budowana z kamienia.
Rodzaje młynów wykorzystujących energię wodną:
- Whorled - zbudowany na szybko płynących górskich rzekach. Z założenia przypominają współczesne turbiny: łopatki wykonano na pionowym kole ustawionym pod kątem do podstawy, gdy opadał strumień wody, następował obrót, z którego przesuwał się kamień młyński.
- Koło, w którym obracało się samo „wodne” koło. Zbudowano dwa typy - z dolną i górną bitwą.
Woda spływała z tamy do górnego młyna, następnie kierowana była po zsypie do koła z rowami, które obracało się pod jej ciężarem. Podczas korzystania z dolnego bijaka stosuje się konstrukcję z ostrzami, które są wprawiane w ruch po zanurzeniu w strumieniu wody. W celu poprawy efektywności pracy często stosowano tamę, blokującą tylko część rzeki, zwaną dobrodziejstwem.
Poniższy rysunek przedstawia urządzenie typowego drewnianego młyna wodnego: ruch obrotowy pochodzi z dolnego napędu (koła) [6], u góry znajduje się wiadro (bunkier) [1] na ziarno oraz zsyp [2], podający nim kamienie młyńskie [3]. Powstała mąka wpadła do tacy [4], a następnie rozsypała się do skrzyni lub torby [5].
Regulacja dopływu ziarna odbywała się za pomocą dozownika, specjalnej skrzyni z otworem, który wpływał na stopień rozdrobnienia mąki. Po jego otrzymaniu należało przesiać przez specjalne sito zainstalowane nad skrzynią, które oscylowało za pomocą niewielkiego mechanizmu.
Niektóre młyny wodne służyły nie tylko do mielenia ziarna, ale także do obierania prosa, gryki czy owsa, z których robiono zboża. Takie maszyny nazywano krupierami. Przedsiębiorczy właściciele wykorzystywali konstrukcje młynów do tłuczenia kabli, filcowania sukna samodziałowego, czesania wełny itp.
Budowanie młynów w Rosji
W starożytnych rosyjskich kronikach wzmianka o kołach wodnych i młynach pochodzi z IX wieku. Początkowo używano ich wyłącznie do mielenia ziarna, przez co nazywano je „mąką” i „chlebem”. W 1375 r. książę Podolski Korpatowicz nadał klasztorowi dominikańskiemu prawo do budowy młyna zbożowego na mocy statutu. A w 1389 roku taki budynek pozostawiono żonie księcia Dmitrija Donskoja testamentem.
W Nowogrodzie Wielkim dokument z kory brzozowej wspominający o budowie młyna pochodzi z XIV wieku. Kroniki pskowskie z XVI wieku. opowiedzieć o budowie takiej konstrukcji na rzece Wołchow, w którą zaangażowana była cała miejscowa ludność. Zbudowano tamę, która zablokowała część rzeki, ale zawaliła się z powodu poważnych powodzi.
Na płaskim terenie zbudowano w Rosji młyny wodne z podwieszonym kołem napełniającym. W wiekach 14-15. Whorled urządzenia zaczęły się pojawiać, w którychkoło zostało umieszczone poziomo na pionowym wale.
Te projekty zostały zbudowane przez mistrzów samouków bez żadnych rysunków i diagramów. Co więcej, nie tylko kopiowali już wzniesione konstrukcje, ale za każdym razem dodawali do swojego urządzenia własne innowacje. Już w czasach Piotra Wielkiego do Rosji zaczęli przybywać mistrzowie z krajów europejskich, którzy wykazali się umiejętnościami i wiedzą w tej dziedzinie.
Jeden ze współpracowników Petera, słynny inżynier William Genin, który zbudował 12 dużych elektrowni na Uralu, był w stanie zapewnić ich działanie z elektrowni wodnych. Następnie energia wodna była szeroko wykorzystywana przez specjalistów w budowie przedsiębiorstw górniczych i metalurgicznych w całej Rosji.
Na początku XVIII wieku na całym terytorium działało około 3 tysięcy manufaktur, które wykorzystywały instalacje hydrauliczne do funkcjonowania produkcji. Były to przedsiębiorstwa hutnicze, tartaczne, papiernicze, tkackie i inne.
Najsłynniejszy i najbardziej unikalny kompleks energetyczny dla zakładu górniczo-hutniczego wybudował w 1787 r. inżynier K. D. Frolov w kopalni Zmeinogorsk, która nie miała odpowiednika na świecie. W jego skład wchodziła zapora, ujęcia wody, z których woda przechodziła podziemnymi sztolniami do otwartego kanału (długości 535 m) do młyna, w którym obracało się koło tartaczne. Dalej woda płynęła kolejnym podziemnym kanałem do hydrokoła maszyny do podnoszenia rudy z kopalni, a następnie do trzeciego i czwartego. W końcu spłynęła sztolnią o długości ponad 1 km z powrotem do rzeki poniżej zapory, jej łączna trasa wynosiła ponad 2 km,średnica największego koła to 17 m. Wszystkie konstrukcje zbudowano z lokalnych materiałów: gliny, drewna, kamienia i żelaza. Kompleks działa z powodzeniem od ponad 100 lat, ale do dziś przetrwała tylko tama kopalni Zmeinogorsky.
Badania w dziedzinie hydrauliki prowadził również słynny naukowiec M. W. Łomonosow, który swoje myśli naukowe przekuwał w życie, uczestnicząc w tworzeniu przedsiębiorstwa ze szkła kolorowego opartego na działaniu instalacji hydraulicznej z trzema kołami. Prace dwóch kolejnych rosyjskich akademików - D. Bernoulliego i L. Eulera - nabrały światowego znaczenia w wykorzystaniu praw hydrodynamiki i hydrotechniki i położyły podwaliny teoretyczne tych nauk.
Wykorzystywanie energii wodnej na Wschodzie
Wykorzystanie kół wodnych w Chinach zostało po raz pierwszy szczegółowo opisane w księdze Sunn Yingxinga w 1637 roku. Szczegółowo opisuje wykorzystanie ich do produkcji metalurgicznej. Chińskie konstrukcje były zwykle poziome, ale ich wydajność była wystarczająca do produkcji mąki i metalu.
Wykorzystywanie energii wodnej po raz pierwszy rozpoczęto w latach 30-tych. n. np. po wynalezieniu przez chińskiego urzędnika mechanizmu posuwisto-zwrotnego opartego na kołach wodnych.
W starożytnych Chinach zbudowano kilkaset młynów, położonych wzdłuż rzek, ale w X wieku. rząd zaczął je zakazywać z powodu utrudnień w żegludze rzecznej. Stopniowo budowa młynów rozwijała się w krajach sąsiednich: Japonii i Indiach, w Tybecie.
Koła wodne w krajach islamskich
KrajeWschód, na którym ludzie wyznają religię islamską, jest w większości obszarem o bardzo gorącym klimacie. Od czasów starożytnych bardzo ważne było regularne zaopatrzenie w wodę. Zbudowano akwedukty, aby dostarczać wodę do miast, a aby podnieść ją z rzeki, zbudowano młyny, które nazwali „norias”.
Według historyków pierwsze takie konstrukcje powstały 5 tysięcy lat temu w Syrii i innych krajach. Na rzece Orontes, jednej z najgłębszych w kraju, rozpowszechniono budowę wind w postaci ogromnych kół młynów wodnych, które czerpały wodę licznymi łopatami i dostarczały ją do akweduktu.
Żywym przykładem takiej konstrukcji są zachowane do naszych czasów windy miasta Hama, których budowa sięga XIII wieku. Pracują do dziś, będąc jednocześnie ozdobą i wizytówką miasta.
Wykorzystanie energii wodnej w różnych gałęziach przemysłu
Oprócz pozyskiwania mąki, zakres młynów wodnych rozszerzył się na następujące rodzaje gałęzi przemysłu:
- do melioracji i nawadniania upraw na polach;
- tartak, który wykorzystywał energię wodną do obróbki drewna;
- metalurgia i obróbka metali;
- w górnictwie do obróbki kamieni lub innych skał;
- w manufakturach tkackich i wełnianych;
- do podnoszenia wody z kopalni itp.
Jeden z najstarszych przykładów użyciaenergia wodna - tartak w Hierapolis (Turcja), jego mechanizmy odkryto podczas wykopalisk i datuje się na VI wiek. n. e.
W niektórych krajach europejskich archeolodzy odkryli pozostałości starych młynów z czasów starożytnego Rzymu, które były używane do kruszenia kwarcu zawierającego złoto wydobywane w kopalniach.
Największy kompleks wykorzystujący siłę wody powstał, według danych historycznych, w I wieku. na południu Francji pod nazwą Barbegal, która miała 16 kół wodnych, które dostarczały energię do 16 młynów, dostarczając w ten sposób chleb do pobliskiego miasta Alert. Codziennie produkowano tu 4,5 tony mąki.
Podobny kompleks młynów na wzgórzu Janiculum dostarczał zaopatrzenie w III wieku. miasto Rzym, które zostało docenione przez cesarza Aureliana.
Tworzenie struktury wodnej własnymi rękami
Element architektoniczny, taki jak koło wodne, zyskał popularność wraz z basenami, kaskadami czy fontannami. Oczywiście takie konstrukcje pełnią funkcję dekoracyjną, a nie praktyczną. Każdy właściciel, który posiada umiejętności pracy z elementami drewnianymi, może własnoręcznie zbudować młyn wodny.
Zaleca się wybór rozmiaru koła co najmniej 1,5 m, ale nie więcej niż 10 m, w zależności od obszaru witryny. Dom młyna jest również wybierany zgodnie z jego przyszłym przeznaczeniem: budynek do przechowywania zapasów, kącik zabaw dla dzieci i dekorowanie terenu.
Produkcja części:
- jako podstawę do koła wodnego możesz wziąć rower lub powalone drzewo, do którego przymocowane są ostrza; w centrumpowinien mieć rurkę, wokół której się obraca;
- gotowy produkt jest montowany na łożyskach na 2 wspornikach, które są wykonane z dębowych belek, metalowych narożników, cegieł;
- w górnej części koła powinien znajdować się zsyp, przez który woda spływa na ostrza; sprowadza się albo z węża z pompką, albo przychodzi po deszczu;
- zaleca się obróbkę wszystkich części w celu wydłużenia żywotności: drewniane - lakierowane, metalowe - malowane antykorozyjnie;
- aby spuścić wodę, ułóż kanały w kierunku łóżek lub do innego pojemnika;
- na ostatnim etapie budynek jest ozdobiony elementami dekoracyjnymi.
Postawienie ozdobnego młyna wodnego na wsi będzie świetnym estetycznym dodatkiem do krajobrazu.
Słynne zabytkowe wiatraki
Największy działający młyn wodny „Lady Isabella” znajduje się w pobliżu wioski Lexie na Wyspie Man na Morzu Irlandzkim. Konstrukcja ta została wzniesiona w 1854 roku przez inżyniera samouka Roberta Casementa na cześć żony lokalnego gubernatora generalnego, a celem jej budowy było pompowanie wód gruntowych z lokalnej kopalni w celu wydobycia surowców naturalnych (cynk, ołów itp..).
Specjalnie ułożono kanały, którymi przez most przepływała woda z górskich rzek i podawana była do obracania kołem o średnicy 22 m, które do dziś uważane jest za największe na świecie, dzięki czemu wielu turystów ma już cieszył się sukcesemlat.
Jednym z oryginalnych zabytków Francji jest stary młyn wodny znajdujący się w pobliżu miasta Vernon (Francja). Jego wyjątkowość polega na tym, że spoczywa na 2 filarach starego kamiennego mostu, który niegdyś łączył brzegi Sekwany. Dokładna data jego budowy nie jest znana, jednak według niektórych źródeł powstał w okresie opozycji wobec Ryszarda Lwie Serce i miał strategiczne znaczenie. W 1883 roku słynny artysta Claude Monet uwiecznił ją na jednym ze swoich płócien.
Stworzenie młyna wodnego jest ważnym krokiem w historii rozwoju technologii, ponieważ uważa się go za pierwszy projekt, który mógł być wykorzystywany do różnych celów do przetwarzania produktów rolnych i innych, co było pierwszym krokiem w kierunku maszyny produkcja na świecie.
