Мельницы.Конструкция водяной мельницы. Конструирование водяной мельницы своими руками Как сделать на даче водяную мельницу
Louis Aston Knight (1873-1948) Водяная мельница
Хлеб - всему голова, гласит народная мудрость, но хлеб не испечешь без муки, а муку не сделаешь без мельницы. Конечно, можно обойтись и без них, как обходятся люди, проживающие в пустынных районах земного шара. Они размалывают зерно ручными жерновами, но это примитивный ручной труд и в развитии своем, эти народы не далеко ушли от первобытных племен. По мере развития промышленности, водяное колесо стали применять не только для переработки зерна, но и в других сооружениях, которые так же назывались мельницами.Так именовались железоделательные, лесопильные, бумагоделательные, текстильные и ряд других предприятий. Водяная мукомольная мельница была одним из первых технических устройств, жизненно необходимых для человека. Получается, что без мельницы не может быть и прогресса в технике и развития человечества. На рисунке изображена конструкция современной мельницы
с приводом от подливного колеса 6 бункером 1 для зерна и желобом 2, по которому зерно подается к жерновам 3.Мука попадает в лоток 4 и оттуда ссыпается в мешок 5.
Конструкция водяных мельниц за многие века особенно не изменилась. Основные механические элементы остались неизменны. Основным материалом для постройки служила древесина. Из нее строили и амбар и колеса, и валы, и всю прочую снасть По устройству водяные мельницы разделялись на мутовчатые и колесные. Мутовчатые представляли собой прообраз современной турбины. Колесные мельницы бывают двух типов: верхнего и нижнего боя. Устройство водяных мельниц всех типов во многом одинаково. Из бревен рубили амбар. В половине амбара, на высоте плеча, настилали массивный потолок. На нем помещали жернова: нижний - лежак и верхний - бегун. В середине его - отверстие (глазок). Жернова огораживались кожухом. Жерновые камни должны были быть особого свойства. От них требовалась прочность, вязкость и пористость. Часто жернова приходилось везти издалека. В зависимости от водных запасов и силы реки мельницы бывали и с несколькими поставами, то есть при одном амбаре имелось два водяных колеса и два мукомольных агрегата. Строили мельницы без каких-либо чертежей. Вся "техническая документация" находилась у мастеров в памяти. Конечно, за образец брались уже имеющиеся в округе мельницы, но
приходилось что-то менять и добавлять новое в виду особенностей местности. Запруда делалась простейшими подручными средствами. Вспахивали участок целины и из дерна выкладывали плотину. Плотные, ровные пласты, которые тянулись на несколько сажень укладывали слой за слоем. Для крепления применяли жерди, колья, связки из хвороста.
Зимой в сильные морозы некоторые мельницы временно останавливались. Иногда над колесом делалось укрытие-"тепляк" в виде соломенного шатра, но помогало это мало. Весной, во время половодья плотину могло прорвать и ее возводили заново. Чтобы этого не случилось, плотины снабжали подъемным щитом-затвором, через которую уходили излишки воды. Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».
Производительность мельницы зависела от размера камня и скорости его вращения. Жернова брали диаметром от 50 до 120 сантиметров. На маловодных речках ставился небольшой бегун, и вращался он в пределах 60 оборотов в минуту. Река полноводнее могла крутить камень побольше, и совершал он до 150 оборотов. В зависимости от этого один постав размалывал от одного пуда (16 кг) до четырех пудов (64 кг) в час. На некоторых водяных мельницах не только мололи зерно. Здесь работали и крупорушки. Эти машины обдирали просо, гречиху, овес и делали из них крупу. На них же можно было снимать лузгу с подсолнечных зерен, подготовляя их к выжимке масла. Кроме пшеницы, ржи, ячменя, полбы мололи и другие зерновые культуры: горох, просо, крупу гречневую, овсяную, пшено, рожь на солод. Делались и специальные приспособления для толчения кудели, сукновальню для валяния домотканого сукна, чесальный барабан для шерсти.
водяная мельница - это один из ранних памятников человеческого знания. Она несет в себе и элементы техники и архитектуры, т.о. является "музеем под открытым небом" причем не в современном индустриальном пейзаже, а расположена в живописнейших уголках природы. И природу эту не загрязняет, являясь экологически чистым производством. Мельницы появились при римлянах. Они строили водяные мельницы с подливными и верхнебойными, или наливными, колесами. Первые приводились в действие импульсом падающей воды, вторые - ее весом. Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись в России как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.
Самая существенная часть мукомольной мельницы —мельничный постав
или снасть - состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, А
и - нижнего, или нижняка, В
. Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g
, сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С
; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC
, укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею. В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С
. При таком соединении бегуна с веретеном, первый вращается при вращении последнего и, в случае надобности, легко снимается с веретена. Нижний конец веретена вставлен шипом в подшипник, укрепленный на балке D
. Последнюю можно поднимать и опускать и таким образом увеличивать и уменьшать раcстояние между жерновами. Веретено С
вращается помощью т. н. цевочной шестерни Е
; это - два диска, надетые на веретено в небольшом расстоянии друг от друга и скрепленные между собою, по окружности, вертикальными палочками. 
Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F
, имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном. На ось Z
надето крыло, которое и приводится в движение ветром; или, в водяной мельнице, - водяное колесо, приводимое в движение водою. Зерно вводится через ковш а
и очко бегуна в промежуток между жерновами. Ковш состоит из воронки а
и корытца b
, подвешенного под очком бегуна. Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухом N
, который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающих зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут, по наклонному желобу, в пеклевальный рукав R
—для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q
, из которого выставляется его нижележащий конец. Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S
, а самая грубая мука собирается в ящик T
.
Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами , на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями . От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением . Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой . У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова́ требуют своевременного подтачивания , то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.
Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.
Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.
Лучшим материалом для жерновов служит особенная каменная порода - вязкий, твердый и неспособный полироваться песчаник, называемый жерновым камнем. Так как каменные породы, в которых все эти свойства развиты достаточно и при том равномерно, встречаются редко, то хорошие жернова весьма дороги.
На трущихся поверхностяхъ жернов делают 
насечку
, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок. Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.
John Constable (1776-1837). Мельница Флэтфорда. Вид со шлюза на Стуре
Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. За девять столетий до рождения Христа в Китае изобрели водяное колесо- деревянное колесо с лопастями, вращаемое потоком воды. Это была первая машина, работавшая без использования мускульной силы человека, и называлась она чадуфон. С помощью чадуфонов поднимали из реки воду для орошения. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, насаженных 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 вода бежит по крутому руслу, колесо стали снабжать специальными лопатками. С изобретением водяного колеса человек впервые получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой двигатель. Оставался один шаг до водяной мельницы. Китайцы утверждают, что этот шаг они сделали первыми и изобрели сначала водяную мельницу с горизонтальным колесом, затем придумали колесную зубчатую передачу и повернули водяное колесо в вертикальную плоскость.Но первым водяную мукомольную мельницу с вертикальным колесом и зубчатой передачей описал римский архитектор и механик Витрувий, живший в 1 веке до РХ:
«… на реках ставят колеса… К их ободам прибивают лопасти, которые будучи толкаемы течением реки приводят своим движением колесо во вращение и таким образом, набирая воду черпаками и поднимая ее кверху, доставляют нужное количество воды без помощи топчака, вращаясь от самого напора реки.
Таким же способом вертятся водяные мельницы, в которых все то же самое, кроме зубчатого барабана, насаженного на один конец оси. Вертикально поставленный на ребро, он вращается в одной плоскости с колесом. К этому большому барабану примыкает меньший, лежачий, тоже зубчатый с которым соединены жернова. Так зубцы барабана насаженного на ось, толкая зубцы лежачего, приводят жернова во вращение. Из висящего над этой машиной ковша на жернова сыплется зерно, из которого посредством того же вращения получается мука
».
Альбрехт Дюрер. Водяная мельница. 1489. Акварель и гуашь, бумага
Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. 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.
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.
François Boucher (1703— 1770) .Старая водяная мельница.
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 ходом 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. 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.
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.
Плотина. С. Жуковский, 1909 г.
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.
***
Жди горя с моря, беды от воды. Вода и мельницу ломает.
Каждый мельник на свою мельницу воду льет.
Когда нет коня, поехать на мельницу на осле — не позор.
Без воды мельница не мелет.
Большая мельница малой водой не вертится.
Вода всю мельницу унесла, а ты спрашиваешь, где желобок.
Вода и мельницу ломает.
Водой мельница стоит, да от воды ж и погибает.
Голова без ума, что мельница без воды.
Денег много - мельницу заведи.
Не мельница, а мутовка. Молоть не мелет, а только воду мутит.
Работающей мельнице некогда замерзать.
Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет (т. е. утопит человека).
Ум молодого, что мельница без воды.
Чем больше воды, тем лучше для мельницы.
Известно, что загородный участок необходим не только для труда, но и для полноценного отдыха на природе. Садоводы украшают приусадебную территорию фонтанами, каменными фигурками, светильниками. Прекрасным дополнением к этим деталям станет небольшая водяная мельница, которую реально сделать своими руками.
Известно, что загородный участок необходим не только для труда, но и для полноценного отдыха на природе
На воду можно смотреть бесконечно, она дарит холодок в жаркий день, а журчание, доносящееся из сада, успокаивает и отвлекает от суеты. Современные технологии позволяют дачникам самостоятельно создать такое украшение для своего участка.
Виды водяных мельниц
Это устройство было известно ещё в древние времена, различают следующие его виды по типу ориентации колёс:
- вертикальная;
- горизонтальная.
В первом случае механизм приводится в движение от водяного колеса, располагающегося в вертикальной плоскости через механизм зубчатой передачи, а горизонтальная ориентация предполагает отсутствие такого принципа.
По цели использования водяные мельницы бывают мукомольными, лесопильными, а также созданными для производств бумаги и нужд текстильной промышленности. Однако, на дачном участке они выполняют лишь декоративную функцию.
Механизм вертикальной водяной мельницы приводится в движение от водяного колеса, располагающегося в вертикальной плоскости через механизм зубчатой передачи
Полноценная водяная мельница состоит из следующих деталей:
- колесо с лопастями;
- жёлоб, ось и шарниры;
- каркас для колеса;
- корпус.
Такое устройство упоминается в старинных книгах и других источниках с незапамятных времён, строилось оно на протяжении столетий для переработки зерна в муку. Так, продукт поднимали наверх, откуда по желобу ссыпали в жернова, а готовое сырьё для выпечки хлеба люди собирали в мешки.
Несмотря на изобретение, процесс размалывания зёрен всё же оставался делом тяжёлым. Усовершенствованное устройство природную воду из водоёма направляет на колесо, а сила падающей жидкости приводит в движение лопасти колеса, которое вращает ось мельницы.
Водяная мельница, украшенная растениями придаст загородному участку загадочности и прекрасно дополнит его
Сегодня можно создать уменьшенный вариант этого устройства, приложив немного фантазии и сил. Существует множество декоративных вариантов водяной мельницы, к примеру, её можно сделать из доступных всем материалов: камня, дерева, битого кирпича. Некоторые садоводы изготавливают не только колесо, но и домик с крышей, которая представляет собой солому или камыш, такая композиция идеально вписывается в общий вид участка.
Корпус, находящийся рядом с конструкцией, можно использовать как хранилище для садового инвентаря. Кроме того, водяной поток делает возможным получение энергии, поэтому с помощью мельницы реально освещать дорожку или поливать огород. Водяная мельница, украшенная растениями, в особенности хвойниками и кустарниками, придаст загородному участку загадочности и прекрасно дополнит его.
Водяная мельница своими руками (видео)
Принцип работы водяной мельницы
Как правило, вода для этого устройства поступает из водоёма - реки, пруда или водохранилища по трубе, двигаясь к колесу. Её мощный поток приводит в движение лопасти колеса, которое вращает ось. Полноразмерная водяная мельница устроена таким образом, что прохождение жидкости контролируется шлюзовыми воротами, которые предотвращают наводнение. Декоративное устройство работает по аналогичному принципу. На колесо сверху поступает вода из дачного водоёма, сила падающей жидкости воздействует на лопасти, и оно начинает вращаться.
Подаётся вода посредством шланга, один его конец помещён в пруд, а другой выведен на крышу мельницы. Перегоняет жидкость насос, благодаря которому она циркулирует по кругу и заставляет колесо двигаться.
На колесо сверху поступает вода из дачного водоёма, сила падающей жидкости воздействует на лопасти, и оно начинает вращаться
Способы создания водяного потока
Обеспечить постоянную подачу воды на мельничное колесо можно с помощью следующих решений:
- водосток;
- неровности участка;
- установка насоса.
В первом случае устройство находится под жёлобом от водостока, поэтому работать мельница будет только в том случае, если на улице идёт дождь. А вот для создания падающего потока воды некоторые дачники приспосабливают неровности участка, к примеру, природную альпийскую горку.
На небольшом расстоянии от мельницы создаётся место сбора жидкости, которая по желобу будет подаваться на колесо. Но сделать неровность можно и своими руками из подручных материалов - камней, кирпичей и уплотнённой земли, внутри сооружения устанавливается шланг, который и подаёт воду. Установка насоса в водоёме предполагает поступление жидкости под давлением на колесо , тем самым обеспечивая его постоянное движение. Это может быть мелкий пруд, скважина или бак.
На небольшом расстоянии от мельницы создаётся место сбора жидкости, которая по желобу будет подаваться на колесо
Стилевые решения
Декоративная водяная мельница - это великолепное украшение для современного сада, существует немало вариантов оформления участка и прилегающей территории. Как правило, создать красивое устройство несложно, всё зависит от фантазии и трудолюбия дачника.
К примеру, деревенский стиль кантри предполагает применение деревянных деталей. Рядом с мельницей рекомендуется соорудить маленькую скамейку или беседку, а также эффектно будет смотреться крошечная тележка с цветами или фигурки животных из дерева. Вблизи такой водяной мельницы можно посадить подсолнухи, ромашки и злаки, которые добавят композиции колорит и очарование деревенского стиля.
Декоративная водяная мельница - это великолепное украшение для современного сада
Фахверк - это уникальный стиль, в котором каркас построек виден снаружи. Для создания такого решения дачнику потребуется белая и коричневая краски, черепица для крыши и тонкие рейки. Мельничный домик следует покрасить в белый цвет, затем наклеить декоративные полоски, разбивая поверхность на мелкие квадраты и треугольники. В результате фасад будет выглядеть очень необычно. А рядом с мельницей можно поставить коричневую скамейку или посадить белые цветы.
Сегодня многие дачники становятся поклонниками японского стиля. Дизайн водяной мельницы в таком случае будет выдержанным, основные украшения - это камни, вода и растения, а домик должен быть тёмного цвета. При желании можно соорудить каменную башенку или скамейку, а также посадить вокруг устройства карликовые деревья. Колесо декорируется песком, галькой или кусочками раковин.
Как работает водяная мельница (видео)
Изготовление мельницы для сада своими руками
Прежде всего необходимо нарисовать эскиз будущего устройства или найти его в интернете. В качестве основы можно использовать различные предметы, к примеру, колёса от велосипеда, автомобиля или игрушек. Но сделать мельничное колесо можно и своими руками, используя следующие материалы:
- массив дерева или влагостойкая фанера;
- металлическая трубка;
- гайки и шурупы.
Фахверк - это уникальный стиль, в котором каркас построек виден снаружи
Для создания основы и других частей вам понадобятся такие инструменты, как электрический лобзик, дисковая пила, молоток, отвёртка.
Для начала следует создать 2 равных по диаметру деревянных диска, между которыми крепятся лопасти, которые можно сделать из фанеры, прикрепляют их с равными интервалами. В центр колеса нужно вмонтировать кусок металлической трубки для оси, с помощью которой оно будет крепиться с одной стороны к корпусу мельницы, с другой - к опоре, она собирается из деревянных брусков. Установить их следует достаточно прочно с помощью крепёжных изделий.
Водяная мельница это гидротехническое сооружение, использующее энергию воды, поступающей на водяное колесо, движение которого выполняет полезную работу, обычно посредством зубчатой передачи, в отличие от , использующей энергию ветра.
Традиционно водяная мельница применялась как устройство, использующее водяное колесо или водяную турбину для осуществления таких механических процессов, как помол зерна, заточка, дубление, резка или ковка.
Использование водяной мельницы долгие годы оставалось незаменимым при производстве многих материальных благ, в том числе муки, пиломатериалов, бумаги, текстильной продукции и металлических изделий.
Виды водяных мельниц
Водяные мельницы делятся на виды по цели использования:Мукомольная мельница
Лесопильная
Для производства бумаги
Для нужд текстильной промышленности
Для заточки металла
Для изготовления проволоки и др.
Одним из основных способов классификации водяных мельниц является классификация по типу ориентации колеса (вертикальная или горизонтальная). При вертикальной ориентации мельничный механизм приводится в движение от водяного колеса, расположенного в вертикальной плоскости через механизм зубчатой передачи, при горизонтальной ориентации механизм оснащен горизонтальным колесом без такого механизма.
Водяные мельницы могут быть поделены по признаку их расположения на:
Приливные мельницы, использующие движение воды при приливах и отливах;
корабельные мельницы, расположенные на борту судна
История изобретения водяной мельницы
Водяная мельница в Древней Греции и Древнем Риме
В западном мире инженеры Эллады первыми изобрели два главных компонента, необходимых для создания водяной мельницы: водяное колесо и зубчатую передачу, вместе с продолжателями технологий Древней Греции - древними римлянами, они первыми использовали это изобретение в работе.Самые ранние сведения о водяном колесе (в трактате греческого инженера Филона Византийского «PNEUMATICA»), дошедшие до наших дней, датируются 3-м веком до нашей эры, конструктором устройства считается греческий ученый Перахор.
Греческий географ Страбон сообщает в своей Географии о водяном колесе для переработки зерна, увидеть которое ему удалось в окрестностях дворца царя Митридата VI Евпатора, во время путешествия по Малой Азии в 71 году до н. э.
Римский инженер Витрувий создал первое техническое описание водяной мельницы, существование которой датируется приблизительно 40-10 годами до н.э.; устройство приводилось в движение водяным колесом через механизм зубчатой передачи. Он также указывал на существование водных месильных машин.
Греческий эпиграмм Антипатр Солунский говорил о существовании продвинутой водной мельничной системы около 20 г. до н.э. Он дал устройству высокую оценку за возможность продуктивно использовать конструкцию при размоле зерна и за снижение затрачиваемого человеческого труда.
Римский энциклопедист Плиний упоминал в своей Естественной истории, что около 70-го года до н.э. устройства, работающие за счет силы движения воды существовали на значительной части территории Италии.
Существует свидетельство о наличии водяной мельницы в 73 г. н.э. в Антиохии, на территории римской Сирии.
Вероятно, что водяные мельницы, используемые для дробления золотосодержащего кварца, существовали начиная с конца 1-го века до начала 2-го. Подобные конструкции были обнаружены в римских шахтах по всей Европе, особенно в Испании и Португалии.
В 1-м веке нашей эры водяной мельничный комплекс «Barbegal», расположенный на юге Франции, был описан как "самое большое из известных приспособлений для концентрации механической энергии в древнем мире". При его работе использовалось 16 водяных колес для питания соответствующего количества мукомольных мельниц. Производительность устройства оценивалась в 4,5 тонны муки в сутки, что было вполне достаточно для полного обеспечения хлебом 12500 жителей, населявших город Алерт в то время. Аналогичный мельничный комплекс существовал на холме Яникул. Обязанностью мельников, обслуживающих конструкцию, было выполнение поставок муки для населения Рима. Комплекс был признан императором Аврелианом достаточно важным, чтобы территория холма была включена в стены Аврелиана в конце 3-го века.
Мельничное колесо, происхождение которого датируется 2-м веком н.э., было обнаружено при раскопках на территории современной Франции.
Существовавшая в 3-м веке нашей эры на территории Иераполя лесопильная мельница является наиболее ранним примером механизма, в работе которого использовалось устройство, соединённое с коленчатым валом. Механизмы с подобным принципом работы были обнаружены при раскопках в Джераше и Эфесе и датируются 6-м веком н.э. В литературе отсылку на существование водяного колеса в современной Германии можно найти в стихотворении «Mosella» Децима Магна Авсония, датируемого 4 веком. Примерно в то же время христианский святой Григорий Нисский из Анатолии демонстрировал возможности использования энергии воды в различных частях Римской империи.
Самая ранняя водяная турбинная мельница была найдена в Чемтау на территории римской Северной Африки; ее возраст датируется концом 3-го - началом 4-го века нашей эры.
По сведениям Плиния Старшего водяные мельницы преимущественно использовались для измельчения зерна в муку, но применение устройства в промышленных целях также было достаточно распространённым.
Римляне использовали фиксированные и плавающие водяные колеса для получения энергии, они же ввели использование водяного колеса в других провинциях Римской империи. Так называемые "греческие мельницы" использовали водяные колеса с горизонтальным колесом (и вертикальным валом). В то время, как "римские мельницы" были оснащены вертикальным колесом (на горизонтальной оси). Греческие мельницы данного типа являются более ранним изобретением и намного проще в использовании, но их недостатком является работа лишь при наличии быстрого течения и жерновов малого диаметра. Римские мельницы, оснащенные вертикальным колесом, являются более сложным механизмом, поскольку для работы необходимо наличие шестерен для передачи мощности от вала с горизонтальной осью на вал с вертикальной осью.
Несмотря на то, что на сегодняшний день лишь несколько десятков римских мельниц удалось найти во время раскопок, широкое использование в римский период показывает, что основное количество водяных мельниц археологам еще предстоит найти. Например, во время недавних раскопок в римском Лондоне, обнаружилось, что приливные мельницы (Река Темза, на которой стоит Лондон, имеет одну очень характерную особенность. Это одна из немногочисленных в мире «приливных рек» (tidal river). Уровень воды в ней и направление ее течения меняются два раза в сутки. ) использовались вместе с акведуками и располагались на всем протяжении Ривер Флит - шестикилометровой лондонской подземной реки.
В 537 г. н.э. судовые мельницы были изобретательно использованы генералом Восточной Римской Империи Велисарием. После того, как осаждающие готы перекрыли подачу воды к мельницам, лодки были пришвартованы в месте быстрого течения реки, и благодаря наличию водяных колес, прикрепленных к лодкам, удалось наладить работу мельниц.
Водяная мельница в Средние века
На момент составления «Книги Судного дня» в 1086 году на территории Англии насчитывалось около 5624 водяных мельниц. Согласно более поздним данным, в Англии в то время существовало по крайней мере 6082 мельниц, и следует отметить высокую вероятность того, что не все мельницы севера Англии были учтены. К 1300 году число водяных мельниц находящихся в использовании возросло до 10000 - 15000.К началу 7-го века водяные мельницы были хорошо известны в Ирландии и сто лет спустя начали стремительно распространяться с территории бывшей империи на северные районы Германии.
Судовые и приливные мельницы стали использоваться в 6-ом столетии.
Приливная мельница
В последние годы целый ряд новых археологических находок сместил дату существования первых приливных мельниц существовавших на побережьях Ирландии.Вертикальная двухколесная приливная мельница, датируемая 6-м веком, была расположена около Вотерфорта. Схожая по устройству горизонтально-колесная приливная мельница была раскопана на Маленьком острове, считается, что она существовала в 630 году. Существование мельницы «Nendrum Monastery» датируется 787 годом, она была найдена на острове Странгфорд в Северной Ирландии. Она была оснащена жерновами диаметром 830 мм, горизонтальным колесом и обладала мощностью 7-8 лошадиных сил.Промышленные водяные мельницы
В ходе исследования в 2005 году ученый Адам Лукас определил следующую последовательность появления различных типов промышленных мельниц в Западной Европе.Заметна выдающаяся роль Франции во введении новых инновационных методов использования гидроэнергии. Вместе с тем, А.Лукас обратил внимание на недостаток объектов для исследований в ряде других стран.
Первое известное появление различных промышленных мельниц в средневековой Европе (770-1443 н.э.).
| Год | Тип мельницы | Страна |
|---|---|---|
| 770 | Мельница для производства солода | Франция |
| 1080 | Валяльная мельница | Франция |
| 1134 | Кожевенная мельница | Франция |
| 1200 | Кузнечная мельница | Англия, Франция |
| 1203 | Мельница для заточки инструментов | Франция |
| 1209 | Мельница для обработки конопли | Франция |
| 1238, 1273 | Мельница для производства бумаги | Испания |
| 1269, 1283 | Воздуходувная мельница | Венгрия, Франция |
| 1300 | Лесопильная мельница | Франция |
| 1317 | Рудодробильная мельница | Германия |
| 1384 | Мельница для доменной технологии | Франция |
| 1443 | Мельница для изготовления проволоки | Франция |
Водяная мельница в Древнем Китае
Водяные мельницы, найденные в Китае, относятся к 30-м годам н.э., их использовали при выплавке металла, для приведения в движение механизмов, и даже для астрономических наблюдений с помощью вращающейся армиллярной сферы. В 488 году математик и инженер Цзу Чунчжи имел водяную мельницу, возведение который инспектировалось императором Ву. Под началом у инженера Янг Су из династии Суй, было возведено сотни водяных мельниц к началу 6 века. В источниках датируемых 612 годом н.э. упоминаются буддийские монахи, спорящие о распределении доходов, полученных от работы мельницы. Во времена династии Тан (618-907 н.э.) было издано "Распоряжение Департамента о водных путях", в котором указывалось, что водяные мельницы не должны препятствовать движению речного транспорта, посему необходимо ограничить использование устройств в определенные сезоны года. Постановление было принято очень серьезно, правительством было снесено много водяных мельниц, принадлежащих великим семьям, купцам и буддийским монастырям, которые не признавали требования законодательства. К 610 - 670 годам н.э. технология водяной мельницы проникла в Японию через корейский полуостров. В 641 году нашей эры началось использование водяных мельниц в Тибете.Водяная мельница в Древней Индии
Согласно греческой исторической традиции, Индия получила водяные мельницы из Римской империи в начале 4-го века нашей эры, когда некий Метродорос ввел "водяные мельницы и бани, неизвестные среди них [брахманов] до тех пор".Водяная мельница в Исламскомй мире
Мусульманские инженеры переняли греческую технологию по изготовлению водяных мельниц из Византии, где она применялась в течение многих столетий в провинциях, завоеванных мусульманами, в том числе на территории современной Сирии, Иордании, Израиля, Алжира, Туниса, Марокко и Испании.К 11-м веку, в каждой провинции по всему исламскому миру (от Аль-Андалус и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии) в промышленности были введены в эксплуатацию водяные мельницы. Мусульманские и ближневосточные христианские инженеры использовали коленчатые валы, водяные турбины, водоподъёмные машины и плотины в качестве дополнительного источника воды и для обеспечения дополнительной мощности необходимой для работы водяных мельниц. Промышленные водяные мельницы использовались в работе крупных фабричных комплексов, построенных в Аль-Андалус между 11-м и 13-м веками.
Инженеры исламского мира пользовались несколькими путями, позволяющими достигать максимальной отдачи от водяной мельницы. Нередко мельницы монтировались на опорах мостов, что позволяло воспользоваться увеличением скорости потока в узких местах русла. Другим решением было оборудование корабельных мельниц, позволяющих получать питание от водяных колес, закрепленных на боковых сторонах судов, установленных в середине реки. Эта методика была использована вдоль рек Тигр и Евфрат в Ираке 10-го века, где наличие крупных корабельных мельниц из тикового дерева и железа позволяло производить до 10 тонн муки из кукурузы каждый день для транспортировки в зернохранилища Багдада.
Водяная мельница в Персии
Более 300 водяных мельниц функционировали в Иране до 1960 г. В настоящее время лишь немногие из них остаются в рабочем состоянии. Одной из самых известных является водяная мельница из Аскзара; не меньшей популярностью среди туристов пользуется мельница города Йезд находящаяся в рабочем состоянии (на ней до сих пор производят муку).Водяная мельница - принцип работы
Как правило, вода для водяной мельницы поступает из реки, водоема, водохранилища или мельничного пруда к турбине или водяному колесу, по каналу или трубе. Поток воды приводит в движение лопасти колеса (или турбины), которое, в свою очередь, вращает ось, что приводит в движение другие механизмы.Прохождение воды контролируется шлюзовыми воротами, что позволяет проводить техническое обслуживание мельницы и является действенным способом борьбы с наводнениями; крупные мельничные комплексы могут иметь десятки шлюзов, которые питают несколько конструкций и обеспечивают работу нескольких промышленных процессов.
Водяные мельницы, можно разделить на два вида:
С горизонтальным водяным колесом на вертикальной оси
с вертикальным колесом на горизонтальной оси
Первыми, согласно археологическим находкам и письменным сведениям, появились горизонтальные мельницы, в которых поток воды при ударе о водяное колесо, установленное в горизонтальной плоскости, приводил мельницу в движение путем вращения верхнего камня-жернова. Этот тип мельницы был не самым удобным в использовании из-за невозможности управления скоростью вращения. Движение воды приводило к тому, что жернова вращалась с соответствующей течению воды скоростью, без возможности регулирования процесса перемолки зерна. Большинство водяных мельниц в Великобритании и США имели вертикальное водяное колесо, производящее вращательные движения вокруг горизонтальной оси.
Устройство декоративной водяной мельницы: правила размещения на участке, изготовление основных элементов и сборка, популярные стили зон отдыха с подобной конструкцией.
Устройство и принцип работы водяной мельницы
Текущая вода всегда манила к себе людей, она успокаивает и вдохновляет, дает прохладу в летний период. Чтобы получить такие комфортные условия на своем участке, строят мельницу. Сооружение придает пейзажу привлекательность и романтичность, оно всегда считалось загадочным местом, где живут русалки.
Устройство водяной мельницы, которая используется как декор, достаточно простое. Она состоит из таких частей:
- Колесо с лопастями, которое вращает течение.
- Желоб для подачи воды к изделию. Идеальный вариант - мельница на берегу ручья, приводящего в движение основной элемент. При отсутствии таких условий вода подается в рабочую зону из вышестоящего озерца или с помощью насоса.
- Ось и опора колеса. Штырь, продетый сквозь элемент, фиксируется к двум стойкам по обе стороны ручья. При наличии помещения ось можно закрепить к его стенке с одной стороны.
Принцип работы водяной мельницы такой: поток попадает на колесо сверху и вращает его, вытекая с другой стороны. Если течение создается искусственно, жидкость с помощью насоса подается наверх и процесс повторяется вновь.
На даче строение может выполнять несколько функций:
- Украшение загородного участка;
- Маскировка других сооружения, имеющих неприглядный вид;
- Защита от атмосферных осадков элементов коммуникаций дачи;
- Хранение инструментов.
Чтобы производить электрический ток большой мощности, необходимо решить несколько проблем: построить прочную массивную конструкцию, которая способна вращаться длительное время без поломок, и получить разрешение от местных властей. Также возникнут сложности технического характера - как защитить механизм водяной мельницы от влаги и обеспечить легкость хода колеса. Таких проблем не возникнет, если заниматься только декоративными проектами.
Как сделать водяную мельницу на даче
Предварительно выберите место под строение и разработайте его чертеж. На основании проекта определите количество расходного материала и подготовьте рабочий инструмент. Оставшееся время уйдет на механическую работу. Рассмотрим каждый этап подробнее.
Подготовительные работы
Идеальным местом для мельницы является берег ручья, но не у всех он течет через участок. Отсутствие естественного потока не является причиной отказываться от декора.
- Мельницу всегда устанавливают возле пруда. Если водоема еще нет, есть возможность сделать его с учетом ваших пожеланий.
- Не обустраивайте озерцо близко к большим деревьям. Площадка должна хорошо проветриваться.
- Лучшим местом для декора является участок с перепадом высот. Учтите, что возле мельницы всегда будет повышенная влажность.
Подготовьте расходный материал. Его количество зависит от размеров мельницы:
- Вагонка - для обшивки каркаса.
- Деревянные рейки - для создания каркаса помещения. Основание можно изготовить из ящиков, досок и других ненужных материалов.
- Бухта от проволоки или кабеля - для изготовления колеса.
- Фанера - для создания лопастей. Вместо нее можно использовать любой листовой металлический материал.
- Ось, на которой будет вращаться движущийся элемент.
- Любой кровельный материал на крышу помещения. Ее также можно накрыть камышом или соломой.
- Желоб или шланг - для подачи жидкости к колесу.
- Лакокрасящие средства и пропитки - для защиты пиломатериалов от влаги.
- Деревенский стиль . Мельницу изготавливают массивной, из деревянных брусьев, с вращающимся колесом. Для создания домика можно использовать грубо обработанные бревна и натуральные камни. На участке устанавливают деревянные изделия - плетеную изгородь, скамейку и т.д. Хорошо смотрится состаренный мостик, который перекинут через водяной поток. Вокруг водяной мельницы для сада установите другие декоративные элементы в том же стиле: сруб колодца, клумба-тележка, деревянные фигурки. Все элементы дизайна искусственно состарьте, что увеличивает сходство с деревенским двором. Дополняют композицию растения - камыш, подсолнухи, ромашки.
- Японский стиль . Отличается от других минимальным количеством предметов в зоне отдыха. Мельницу постройте из камня, в виде замка с бойницами и башнями. Вокруг нее расположите каменные элементы, например, скамейку или скульптуру. Растения также должны соответствовать выбранному стилю, рекомендуется посадить карликовый японский клен, сакуру, японскую айву. Вся обстановка настраивает на позитивный лад и философские размышления.
- Голландский стиль . Мельница изготавливается в виде фахверкового домика, которые распространены в Голландии и Германии. На участке разместите гномов, флюгеры и высадите большое количество растений. Обязательно должны расти тюльпаны и розы.
Создание водного потока
Мельница смотрится очень красиво, если колесо вращается. Приводит его в движение течение ручья, но только в том случае, если он протекает через ваш участок. Если таких условий нет, поток придется организовать собственными силами.
Самая простая система состоит из двух маленьких прудов, один из которых находится выше. Поток самотеком стекает по желобу вниз, попутно вращая колесо. Из нижнего озерца вода насосом перекачивается в верхнее. В этом случае необходимо правильно рассчитать объемы вытекающей жидкости и вновь закачиваемой, иначе один из водоемов вскоре окажется пустым.
Насос может быть наземным или погружаемым. В первом случае его помещают в домик и подсоединяют к нему 2 шланга. Один протягивают к пруду, другой используют для создания потока. Во втором случае применяют погружной насос, с помощью которого вода по шлангу подается к желобу или непосредственно к колесу. При выборе насосов необходимо учитывать расстояние между прудом и мельницей - чем оно больше, тем мощнее должен быть аппарат.
Желоб должен заканчиваться точно над лопастями. Вместо озерца за колесом можно построить каналы, по которым вода будет поступать к растениям на огороде или в саду.
Рассмотрим другие варианты сооружений, обеспечивающих вращение колеса:
- Если на участке есть возвышенность, сделайте в верхней части углубление и наполните его водой. Рядом соорудите мельницу и пустите к ней поток от верхнего пруда.
- На ровной территории постройте альпийскую горку из камня и грунта высотой не менее 0,5 м. В середину установите шланг и подсоедините его к насосу. Второй шланг протяните на самый верх горки и замаскируйте. Соорудите желоб, одна сторона которого должна располагаться под шлангом, другая - над колесом. Проконтролируйте, чтобы вода точно падала на лопасти.
- Можно собрать мельницу рядом с домом и расположить рабочий элемент под сточной трубой. В этом случае она будет работать только во время дождя. Чтобы не ждать подходящих природных условий, используйте насос, который подаст воду на крышу здания по шлангу.
Изготовление колеса для мельницы
Основным элементом водяной мельницы является вращающееся колесо. От его размеров зависят габариты домика, ведь эти два узла должны хорошо смотреться друг с другом. Его рекомендуется изготавливать в пределах 1,5 м в диаметре.
Простейшая конструкция выглядит как два диска, соединенные лопастями. Удобно изготавливать элемент из бухты для кабеля. Можно использовать и другие заготовки круглой формы - диски от автомобилей, трубу с закрепленными лопастями и т.д.
Выполните такие операции:
- Измерьте расстояние между дисками и нарежьте заготовки по полученным размерам из фанеры или любого другого материала.
- Элементы установите равномерно между дисками и закрепите.
- Все пиломатериалы покрасьте или покройте средством для защиты от воды. Металлические части покрасьте.
- В центре элемента зафиксируйте металлическую трубку для установки оси, на которой будет держаться изделие. Подберите штырь диаметром чуть меньше диаметра трубки, а длина его должна позволять крепить конструкцию на опорах. Ось можно сделать из длинной шпильки, на которой по всей длине нарезана резьба.
- Хорошо смажьте штырь консистентной смазкой. Проденьте ось сквозь отверстие в колесе и расположите так, чтобы лопасти находились строго посредине.
- Наверните с обеих сторон шпильки гайки и зафиксируйте его в таком положении. Крепеж не зажимайте, чтобы колесо свободно вращалось.
Инструкция по сборке мельницы
После изготовления основного элемента декоративной водяной мельницы можно приступать к сборочным работам.
Операции выполняйте в такой последовательности:
- Выровняйте площадку возле озерца под домик мельницы. Размеры ее должны соответствовать размерам строения. Если использовать помещение как игровую комнату для детей, габариты не могут быть маленькими. С другой стороны, большое строение из бревен не смотрится на участке в несколько соток. Для деревянной конструкции вымостите площадку брусчаткой или тротуарной плиткой.
- Если строение будет каменным, выкопайте небольшой фундамент глубиной 50 см.
- На подготовленной площадке соорудите каркас домика из реек. Оставьте место под дверь и окна.
- Обшейте каркас вагонкой или другим облицовочным материалом.
- Установите двери и окна.
- Крышу накройте выбранным материалом.
- Поместите внутрь оборудование - насос для подачи воды к лопастям или электрогенератор.
- Сформируйте опоры для фиксации колеса в заданном положении. Их можно изготовить из различного материала - брусья из твердых пиломатериалов, швеллеров, уголков, камня и т.д. Допускается соорудить одну опору, а с другой стороны закрепить ее к стенам мельницы.
- Установите элемент шпилькой на опоры и зафиксируйте любым способом.
- Подайте воду в желоб и убедитесь, что она падает точно на лопасти, а колесо легко движется.
- Выполните декорирование участка в соответствии с выбранным стилем.
Построить своими руками водяную мельницу с вращающимся колесом совсем нетрудно. Главное создать водяной поток, приводящий в движение лопасти. Правильно разработанная конструкция станет украшением участка и принесет море удовольствий.
Изобретение водяной мельницы имело большое значение для истории и развития техники. Первые такие конструкции использовались для перелива воды еще в Древнем Риме, позже их стали применять для получения муки и в других промышленных целях.
История изобретения
Водяное колесо было изобретено людьми еще в древние времена, благодаря чему человек получил надежный и простой двигатель, применение которого с каждым годом все расширялось. Еще в первом столетии до нашей эры римский ученый Витрувий описал такую конструкцию в своем трактате «10 книг об архитектуре». Действие ее было основано на вращении колеса от воздействия потока воды на его лопасти. И первым практическим применением этого открытия стала возможность перемалывания зерен.
История мельниц ведет свое начало от первых жерновов, которые использовали древние люди для получения муки. Такие устройства были вначале ручными, затем стали использовать физическую силу рабов или животных, которые вращали мукомольное колесо.
История водяной мельницы началась с использования конструкции колеса, двигающегося от силы речного потока, для осуществления процесса перемалывания зерна в муку, а основанием для этого послужило создание первого двигателя. Древние машины произошли от поливальных устройств, называемых чадуфонами, которые применялись для поднятия воды из реки для орошения земли и полей. Такие устройства представляли собой несколько черпаков, насаженных на обод: при вращении они погружались в воду, зачерпывали ее, а после поднятия вверх опрокидывали в желоб.
Устройство древних мельниц
Со временем люди стали строить водяные мельницы и использовать силу воды для получения муки. Причем на равнинных территориях при низкой скорости течения рек для увеличения напора устраивали запруды, обеспечивая тем самым повышение уровня воды. Для передачи движения к устройству мельницы были изобретены двигатели с зубчатой передачей, которые делались из двух колес, соприкасающихся ободами.
Используя систему из колес различного диаметра, у которых оси вращения были параллельными, древние изобретатели смогли осуществить передачу и преобразование движения, которое можно было направить на пользу людям. Причем большее колесо должно совершить меньшее количество оборотов во столько раз, во сколько его диаметр превышает второе, малое. Первые колесные зубчатые системы стали применять еще 2 тыс. лет назад. С тех пор изобретатели и механики смогли придумать множество вариантов зубчатых передач, использующих уже не только 2, но и большее количество колес.
Устройство водяной мельницы античной эпохи, описанное Витрувием, содержало 3 основных части:
- Двигатель, состоящий из вертикального колеса, имеющего лопатки, которые вращаются водой.
- Передаточный механизм — второе вертикальное колесо с зубцами (трансмиссия), которое вращает третье горизонтальное, называемое шестерней.
- состоящий из двух жерновов: верхний приводится в движение шестерней и насажен на ее вертикальный вал. Зерно для получения муки засыпалось в ковш-воронку, расположенную над верхним жерновом.
Водяные колеса устанавливали в нескольких положениях по отношению к потоку воды: нижнебойные — на реках с большой скоростью течения. Самыми распространенными были «висячие» конструкции, устанавливаемые на свободном течении, погруженные в воду нижними лопастями. Впоследствии стали использовать среднебойные и верхнебойные виды водяных колес.
Максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД = 75%) давала работа верхнебойных или наливных видов, что широко применялось при устройстве «байдачных» плавучих мельниц, которые курсировали на больших реках: Днепре, Куре и др.
Значение открытия водяной мельницы состояло в том, что был изобретен первый античный механизм, который в дальнейшем мог быть использован для промышленного производства, что стало важным этапом в истории развития техники.
Средневековые гидроконструкции
Первые водяные мельницы в Европе, согласно историческим данным, появились в эпоху правления Карла Великого (340 г. н. э.) в Германии и были заимствованы у римлян. Одновременно были построены такие механизмы и на реках Франции, где к концу 11 в. уже насчитывалось около 20 тыс. мельниц. В это же время в Англии уже насчитывалось их более 5,5 тыс.
Водяные мельницы в Средневековье были широко распространены на всей территории Европы, использовались они для переработки сельскохозяйственной продукции (мукомольные, маслобойные, сукновальные), для подъема воды из шахты и в металлургическом производстве. К концу 16 в. их насчитывалось уже 300 тыс., а в 18 в. — 500 тыс. Одновременно происходило их техническое усовершенствование и увеличение роста мощности (с 600 до 2220 лошадиных сил).
Знаменитый художник и изобретатель Леонардо да Винчи в своих заметках также пытался придумать новые способы использования энергии и силы воды с помощью колес. Он предложил, например, конструкцию вертикальной пилы, которую приводил в движение поток воды, подающийся на колесо, т. е. процесс становился автоматизированным. Также Леонардо сделал чертежи нескольких вариантов использования гидроконструкций: фонтаны, способы осушения болот и т. д.
Ярким примером гидросиловой установки стал механизм подачи воды для устройства фонтанов и водоснабжения дворцов в Версале, Трианоне и Марли (Франция), для чего была специально возведена плотина на р. Сене. Из устроенного водохранилища вода под напором поступала на 14 нижнебойных колес размером 12 м. Они осуществляли ее подъем с помощью 221 насоса на высоту 162 м к акведуку, из которого она поступала во дворцы и фонтаны. Ежесуточно объем подаваемой воды составлял 5 тыс. м 3.
Как работает водяная мельница
Конструкция такой мельницы оставалась неизменной на протяжении многих веков. Основным материалом для постройки служило дерево, из которого складывали амбар, делали колеса и валы. Металл использовался только в некоторых деталях: оси, крепежные части, скобы. Изредка амбар возводили из камня.
Виды мельниц, которые использовали энергию воды:
- Мутовчатые — строились на горных реках с быстрым течением. По конструкции они похожи на современные турбины: на вертикальном колесе делали лопасти под углом к основанию, при падении потока воды происходило вращение, от которого шло движение жернова.
- Колесные, в которых вращалось само «водяное» колесо. Строились двух типов — с нижним и верхним боем.
На мельницу с верхним боем вода поступала от запруды, далее по желобу направлялась на колесо с кюветами, которое вращалось под его тяжестью. При использовании нижнего боя используется конструкция с лопастями, которые приводятся в движение при погружении в водный поток. Для повышения эффективности работы часто использовали плотину, перегораживающую только часть реки, называемую буном.
На рисунке ниже изображено устройство типичной деревянной водяной мельницы: вращательное движение идет от нижнего привода (колеса) , вверху расположен ковш (бункер) для зерна и желоба , подающие его на жернова . Полученная мука попала в лоток , а затем высыпалась в ларь или мешок .
Регулировка подачи зерна осуществлялась дозатором, специальным ящиком с отверстием, который влиял на крупность помола муки. После получения ее необходимо было просеять через специальное сито, установленное над ларем, которое совершало колебание при помощи небольшого механизма.
Некоторые водяные мельницы использовались не только для перемола зерна, но и для обдирания проса, гречихи или овса, из которых делалась крупа. Такие машины называли крупорушками. Предприимчивые хозяева использовали мельничные конструкции для толчения кудели, для валяния домотканого сукна, для чесания шерсти и т. д.
Строительство мельниц на Руси
В древнерусских летописях упоминание о водяных колесах и мельницах встречается с 9 в. Вначале они использовались исключительно для размалывания зерна, за что и были прозваны «мучными» и «хлебными». В 1375 г. князь Подольский Корпатович даровал грамотой Доминиканскому монастырю право на постройку хлебной мельницы. А в 1389 г. жене князя Дмитрия Донского такое сооружение отошло по завещанию.
В Великом Новгороде упоминание в берестяной грамоте о постройке мельницы датировано 14 в. Псковские летописи 16 в. рассказывают о строительстве такой конструкции на реке Волхов, к чему привлекли все местное население. Была устроена плотина, перекрывшая часть реки, однако она разрушилась из-за сильного паводка.
На равнинной местности водяные мельницы в России строились с наливным верхнебойным колесом. В 14-15 вв. стали появляться мутовчатые устройства, в которых колесо было расположено горизонтально на вертикальном валу.
Строили такие конструкции мастера-самоучки без каких-либо чертежей и схем. Причем они не только копировали уже возведенные сооружения, но каждый раз добавляли свои нововведения в их устройство. Еще во времена Петра Первого в Россию стали приезжать мастера из европейских стран, которые показывали свои навыки и знания в этой области.
Один из соратников Петра, известный инженер Вильям Генин, построивший на Урале 12 больших заводов, смог обеспечить их работу от гидросиловых установок. В последующем энергию воды повсеместно использовали специалисты при строительстве горнорудных и металлообрабатывающих предприятий по всей России.
В начале 18 века по всей территории действовало около 3 тыс. мануфактур, которые использовали гидроустановки для функционирования производства. Это были металлургические, лесопильные, бумажные, ткацкие и другие предприятия.
Самый знаменитый и уникальный комплекс для обеспечения энергией горнометаллургического комбината был построен в 1787 г. инженером К. Д. Фроловым на Змеиногорском руднике, который не имел аналогов в мире. Он включал плотину, от которых вода по подземным штольням проходила в открытый канал (535 м длиной) до мельницы, где вращалось колесо лесопильной конструкции. Далее вода поступала через следующий подземный канал к гидроколесу машины по подъему руды из шахты, далее — к третьему и четвертому. В конце она вытекала через штольню длиной более 1 км обратно в реку ниже плотины, общий путь ее составлял более 2 км, диаметр самого большого колеса — 17 м. Все сооружения были построены из местных материалов: глины, дерева, камня и железа. Комплекс успешно проработал более 100 лет, но до наших дней сохранилась только плотина Змеиногорского рудника.
Исследования в области гидравлики проводил также знаменитый ученый М. В. Ломоносов, который воплотил свои научные мысли на практике, участвуя в создании предприятия цветного стекла на основе работы гидроустановки с тремя колесами. Труды еще двух российских академиков — Д. Бернулли и Л. Эйлера — приобрели мировое значение в использовании законов гидродинамики и гидротехники и заложили теоретическую основу этих наук.
Использование энергии воды на Востоке
Применение водяных колес в Китае было впервые подробно описано в книге Сунн Инсина в 1637 г. В ней рассказывается подробно об использовании их для металлургического производства. Китайские конструкции были обычно горизонтальными, однако их мощность была достаточно высокой для производства муки и металла.
Использование энергии воды было впервые начато еще в 30-е гг. н. э., после изобретения китайским чиновником возвратно-поступательного механизма на основе водяных колес.
В Древнем Китае было построено несколько сотен мельниц, располагавшихся вдоль рек, однако в 10 в. правительство стало запрещать их из-за препятствования речному судоходству. Строительство мельниц постепенно расширялось и в соседних странах: Японии и Индии, на Тибете.
Колеса для подачи воды в странах ислама
Страны Востока, в которых люди исповедуют исламскую религию, являются в большинстве своем территорией с очень жарким климатом. С древних времен регулярное водоснабжение имело очень важное значение. Строились акведуки для подачи воды в города, а для поднятия ее из реки строили мельницы, которые называли «нориями».
По данным историков, первые такие сооружения возводились еще 5 тыс. лет назад на территории Сирии и других стран. На реке Оронт, одной из самых полноводных в стране, строительство норий было широко распространено в виде огромных колес водяных мельниц, которые многочисленными лопастями черпали воду и подавали ее на акведук.
Ярким примером такого сооружения являются сохранившиеся до наших времен нории города Хама, строительство которых датируется 13 в. Они продолжают работать и до настоящего времени, являясь одновременно украшением и достопримечательностью города.
Использование гидроэнергии в различных производствах
Кроме получения муки, область применения водяных мельниц распространялась на такие виды производств:
- для мелиорации и обеспечения водой посевов на полях;
- лесопильное, в котором энергия воды использовалась для обработки древесины;
- металлургия и обработка металла;
- в горных производствах для или другой породы;
- в ткацкой и шерстяной мануфактурах;
- для подъема воды из шахты и др.
Один из самых древних примеров использования силы воды — лесопильная мельница в Хиераполисе (Турция), механизмы ее были обнаружены во время раскопок и датированы 6 в. н. э.
В некоторых европейских странах археологами были обнаружены остатки старых мельниц эпохи Древнего Рима, которые использовали для дробления кварца с содержанием золота, добываемого в шахтах.
Самый большой комплекс, использующий силу воды, был построен, по историческим данным, в 1 в. на юге Франции под названием Barbegal, в котором было установлено 16 водяных колес, снабжавших энергией 16 мукомольных мельниц, обеспечивая, таким образом, хлебом близлежащий город Алерт. Ежесуточно здесь производилось 4,5 т муки.
Аналогичный мельничный комплекс на холме Яникул снабжал в 3 в. город Рим, что было оценено императором Аврелианом.
Создание водяной конструкции своими руками
Такой архитектурный элемент, как водяное колесо, приобрел популярность наравне с бассейнами, каскадами или фонтанчиками. Конечно, подобные сооружения выполняют скорее декоративную, нежели практическую функцию. Построить водяную мельницу своими руками сможет каждый хозяин, имеющий навыки работы с деревянными деталями.
Размер колеса рекомендуется выбирать минимум 1,5 м, но не более 10 м, что зависит от площади участка. Мельничный домик также выбирается по его будущему предназначению: строение для хранения инвентаря, игровая зона для детей, украшение территории.
Изготовление деталей:
- в качестве основы для водяного колеса можно взять велосипедное или сбитое из дерева, к которому крепятся лопасти; в центре его должна быть труба, вокруг которое происходит вращение;
- готовое изделие крепится на подшипники на 2 опоры, которые изготавливают их дубового бруса, металлического уголка, кирпича;
- к верхней части колеса должен подходить желоб, по которому стекает вода на лопасти; ее подводят либо от шланга с насосом, либо она поступает после дождя;
- все детали для увеличения срока работы рекомендуется обработать: деревянные - покрыть лаком, металлические — краской от коррозии;
- для отведения воды прокладывают каналы в направлении грядок или к другой емкости;
- на завершающем этапе сооружение украшают декоративными элементами.
Устройство на загородном участке декоративной водяной мельницы станет прекрасным эстетическим дополнением к ландшафту.
Знаменитые исторические мельницы
Самая большая действующая водяная мельница «Леди Изабелла» расположена около деревни Лекси на острове Мэн в Ирландском море. Это сооружение было возведено в 1854 г. инженером-самоучкой Робертом Казементом в честь жены местного генерал-губернатора, а целью его строительства было откачка грунтовых вод из местной шахты по добыче природных ископаемых (цинка, свинца и др.).
Специально были проложены каналы, по ним вода из горных рек проходила через мост и подавалась для вращения колеса диаметром 22 м, которое до сих пор считается самым огромным в мире, благодаря чему пользуется успехом у туристов уже много лет.
Одна из оригинальных достопримечательностей Франции — водяная старая мельница, расположенная около г. Вернона (Франция). Ее уникальность в том, что она опирается на 2 опоры старинного каменного моста, который соединял когда-то берега Сены. Точная дата ее сооружения неизвестна, однако, по некоторым данным, она возводилась в период противостояния Ричарду Львиное Сердце и имела стратегическое значение. В 1883 г. ее увековечил знаменитый художник Клод Моне на одном из своих полотен.
Создание водяной мельницы является важным этапом в истории развития техники, ведь она считается первой конструкцией, которую можно было использовать в различных целях для переработки сельскохозяйственной и другой продукции, что стало первым шагом к машинному производству в мире.
