Vandens malūnas: atradimo vertė, taikymo sritis, įrenginys ir veikimo principas

2024 Autorius: Henry Conors | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-12 10:26

Vandens malūno išradimas turėjo didelę reikšmę technologijų istorijai ir raidai. Pirmosios tokios konstrukcijos buvo naudojamos vandeniui perpilti senovės Romoje, vėliau jos pradėtos naudoti miltams gauti ir kitiems pramonės tikslams.

Išradimų istorija

Vandens ratą žmonės išrado senovėje, jo dėka žmogus gavo patikimą ir paprastą variklį, kurio panaudojimas kasmet plečiasi. Dar pirmame amžiuje prieš Kristų tokią struktūrą aprašė romėnų mokslininkas Vitruvijus savo traktate „10 knygų apie architektūrą“. Jo veiksmas buvo pagrįstas rato sukimu nuo vandens srauto poveikio jo ašmenims. Ir pirmasis praktinis šio atradimo pritaikymas buvo galimybė sum alti grūdus.

Malūnų istorija prasidėjo nuo pirmųjų girnų akmenų, kuriuos senovės žmonės naudojo miltams gauti. Tokie prietaisai iš pradžių buvo rankiniai, o paskui pradėjo naudoti vergų ar gyvūnų fizinę jėgą, kuri sukdavo miltų ratą.

Vandens malūno istorija prasidėjo naudojant upės tėkmės jėgos varomo rato konstrukciją.grūdų malimo į miltus procesas, o to pagrindas buvo pirmojo variklio sukūrimas. Senovės mašinos išsivystė iš drėkinimo įrenginių, vadinamų čadufonais, kurie buvo naudojami vandeniui iš upės pakelti žemei ir laukams drėkinti. Tokie įtaisai susideda iš kelių kaušelių, pritvirtintų ant apvado: sukimosi metu jie buvo panardinami į vandenį, jį išgriebė, o pakėlus į viršų apvirto į lataką.

Senovinių vėjo malūnų sutvarkymas

Laikui bėgant žmonės pradėjo statyti vandens malūnus ir naudoti vandens galią miltams gaminti. Be to, lygumose, esant mažam upių tėkmės greičiui, buvo įrengtos užtvankos, padidinančios slėgį, taip užtikrinant vandens lygio kilimą. Judėjimui perduoti į malūno įrenginį buvo išrasti varikliai su reduktoriumi, kurie buvo pagaminti iš dviejų ratų, besiliečiančių su ratlankiais.

Naudodami skirtingo skersmens ratų, kurių sukimosi ašys buvo lygiagrečios, sistemą, senovės išradėjai sugebėjo perkelti ir transformuoti judėjimą, kuris galėjo būti nukreiptas į žmonių naudą. Be to, didesnis ratas turi daryti mažiau apsisukimų tiek kartų, kiek jo skersmuo viršija antrąjį, mažą. Pirmosios ratų pavarų sistemos pradėtos naudoti prieš 2 tūkst. Nuo tada išradėjai ir mechanikai sugebėjo sugalvoti daugybę pavarų variantų, naudodami ne tik 2, bet ir daugiau ratų.

Senovinės eros vandens malūno įrenginys, aprašytasVitruvius, kurį sudaro 3 pagrindinės dalys:

1. Variklis, sudarytas iš vertikalaus rato, kurio ašmenys sukasi vandens.
2. Pavarų dėžės mechanizmas yra antrasis vertikalus dantytas ratas (transmisija), kuris suka trečią horizontalųjį, vadinamą krumpliaračiu.
3. Paleidimo mechanizmas, sudarytas iš dviejų girnų: viršutinis yra varomas krumpliaračiu ir sumontuotas ant vertikalaus veleno. Grūdai miltams buvo supilti į kibirą-piltuvą, esantį virš viršutinės girnos.

Vandens ratai buvo sumontuoti keliose padėtyse, atsižvelgiant į vandens tėkmę: pasroviui - ant upių, kurių tėkmės greitis yra didelis. Labiausiai paplitusios buvo „pakabinamos“konstrukcijos, montuojamos ant laisvo srauto, apatinėmis mentėmis panardintos į vandenį. Vėliau jie pradėjo naudoti vidutinio ir aukščiausios kokybės vandens ratus.

Maksimalų įmanomą efektyvumą (efektyvumas=75%) davė darbas ant viršaus arba birių tipų, kurie buvo plačiai naudojami statant „kanojos“plaukiojančius malūnus, tekančius didelėmis upėmis: Dniepro, Kuros, ir tt

Vandens malūno atradimo reikšmė buvo ta, kad buvo išrastas pirmasis senovinis mechanizmas, kurį vėliau buvo galima panaudoti pramoninei gamybai, kuri tapo svarbiu technologijų raidos istorijos etapu.

Viduramžių hidrotechnikos statiniai

Pirmieji vandens malūnai Europoje, remiantis istoriniais duomenimis, atsirado valdant Karoliui Didžiajam (340 m. po Kr.) Vokietijoje irbuvo pasiskolinti iš romėnų. Tuo pačiu metu tokie mechanizmai buvo pastatyti ir Prancūzijos upėse, kur iki XI a. malūnų jau buvo apie 20 tūkst. Tuo pat metu Anglijoje jų jau buvo daugiau nei 5,5 tūkst.

Vandens malūnai viduramžiais buvo paplitę visoje Europoje, buvo naudojami žemės ūkio produkcijos perdirbimui (miltų malūnai, alyvos malūnai, fulleriai), vandeniui pakelti iš kasyklų ir metalurgijos gamyboje. Iki XVI amžiaus pabaigos jų jau buvo 300 tūkstančių, o XVIII a. - 500 tūkst.. Kartu vyko jų techninis tobulinimas ir galios augimas (nuo 600 iki 2220 arklio galių).

Žymusis menininkas ir išradėjas Leonardo da Vinci savo užrašuose taip pat bandė sugalvoti naujų būdų, kaip panaudoti vandens energiją ir galią ratų pagalba. Jis pasiūlė, pavyzdžiui, sukurti vertikalų pjūklą, kurį pajudino į ratą tiekiama vandens srove, t.y. procesas tapo automatizuotas. Leonardo taip pat parengė kelių hidrotechnikos konstrukcijų naudojimo variantų brėžinius: fontanus, pelkių nusausinimo būdus ir kt.

Ryškus hidroelektrinės pavyzdys buvo vandens tiekimo mechanizmas fontanams ir vandens tiekimas rūmams Versalyje, Trianone ir Marly (Prancūzija), kuriam buvo specialiai pastatyta užtvanka ant upės. Senos. Iš rezervuaro vanduo su slėgiu buvo tiekiamas į 14 dugną pradurtų 12 m ratų, kurie 221 siurblio pagalba pakėlė jį į 162 m aukštį iki akveduko, iš kurio tekėjo į rūmus ir fontanus. Paros tiekiamas vandens kiekis buvo 5 tūkst. m3^3.

Kaip veikia vandens malūnas

Tokio malūno dizainas išliko nepakitęs daugelį amžių. Pagrindinė statybų medžiaga buvo mediena, iš kurios buvo statomas tvartas, gaminami ratai, velenai. Metalas buvo naudojamas tik kai kuriose dalyse: ašys, tvirtinimo detalės, laikikliai. Kartais tvartas buvo pastatytas iš akmens.

Vandens energiją naudojančių malūnų tipai:

1. Sūkurinis – pastatytas ant sraunių kalnų upių. Pagal konstrukciją jos panašios į šiuolaikines turbinas: mentės buvo padarytos ant vertikalaus rato kampu į pagrindą, vandens srovei nukritus, įvyko sukimasis, nuo kurio pajudėjo girnos akmuo.
2. Ratas, kuriame sukosi pats „vandens“ratas. Buvo pastatyti du tipai – su apatiniu ir viršutiniu mūšiu.

Vanduo iš užtvankos pateko į viršutinį malūną, tada išilgai latako grioviais buvo nukreipiamas į ratą, kuris sukosi nuo jo svorio. Naudojant apatinę kovą, naudojama konstrukcija su peiliais, kurie pajudinami panardinus į vandens srovę. Siekiant pagerinti darbo efektyvumą, dažnai buvo naudojama užtvanka, blokuojanti tik dalį upės, vadinamą palaima.

Paveikslėlyje žemiau pavaizduotas tipiško medinio vandens malūno įtaisas: sukamasis judesys kyla iš apatinės pavaros (rato) [6], viršuje yra kibiras (bunkeris) [1] grūdams ir a. latakas [2], paduodamas į girnas [3]. Gauti miltai nukrito į dėklą [4], o paskui išsiliejo į skrynią arba maišelį [5].

Grūdų padavimo reguliavimas buvo atliktas dozatoriumi, specialia dėžute su skylute, kuri turėjo įtakos malimo miltų smulkumui. Jį gavus reikėjo persijoti per specialų, virš krūtinės įtaisytą sietelį, kuris svyravo naudojant nedidelį mechanizmą.

Kai kurie vandens malūnai buvo naudojami ne tik grūdams m alti, bet ir lupti soras, grikius ar avižas, iš kurių buvo gaminami javai. Tokios mašinos buvo vadinamos kruopais. Verslūs savininkai malūno konstrukcijas naudojo kuodams daužyti, naminių audinių vėlimui, vilnai šukuoti ir kt.

Statybos gamyklos Rusijoje

Senovės Rusijos kronikose vandens ratai ir malūnai minimi nuo IX a. Iš pradžių jie buvo naudojami tik grūdams m alti, dėl to buvo praminti „miltais“ir „duona“. 1375 m. kunigaikštis Podolskis Korpatovičius pagal įstatą suteikė dominikonų vienuolynui teisę statyti grūdų malūną. O 1389 m. toks pastatas testamentu buvo paliktas kunigaikščio Dmitrijaus Donskojaus žmonai.

Veliky Novgorod mieste beržo tošies dokumentas, kuriame minima malūno statyba, datuojamas XIV a. Pskovo kronikos XVI a. papasakokite apie tokio statinio statybą Volchovo upėje, į kurią buvo įtraukti visi vietos gyventojai. Buvo pastatyta užtvanka, kuri užtvėrė dalį upės, tačiau ji sugriuvo dėl didelio potvynio.

Lygioje vietovėje Rusijoje buvo pastatyti vandens malūnai su užpildomu viršutiniu ratu. 14-15 amžiuje. ėmė atsirasti sukti prietaisai, kuriuoseratas buvo padėtas horizontaliai ant vertikalaus veleno.

Šiuos projektus sukūrė savamoksliai meistrai be jokių brėžinių ir diagramų. Negana to, jie ne tik nukopijavo jau pastatytas konstrukcijas, bet kiekvieną kartą į savo įrenginį įtraukdavo savų naujovių. Dar Petro Didžiojo laikais į Rusiją pradėjo atvykti meistrai iš Europos šalių, kurie parodė savo įgūdžius ir žinias šioje srityje.

Vienas iš Petro bendražygių, garsus inžinierius Williamas Geninas, Urale pastatęs 12 didelių gamyklų, sugebėjo užtikrinti jų veikimą iš hidraulinių jėgainių. Vėliau vandens energiją plačiai naudojo kasybos ir metalo apdirbimo įmonių statybos specialistai visoje Rusijoje.

XVIII amžiaus pradžioje visoje teritorijoje veikė apie 3 tūkst. manufaktūrų, kurios gamybos funkcionavimui naudojo hidraulinius įrenginius. Tai buvo metalurgijos, lentpjūvės, popieriaus, audimo ir kitos įmonės.

Žymiausią ir unikaliausią kasybos ir lydymo gamyklos energijos tiekimo kompleksą 1787 m. pastatė inžinierius K. D. Frolovas analogų pasaulyje neturinčioje Zmeinogorsko kasykloje. Jame buvo užtvanka, vandens paėmimo konstrukcijos, iš kurių vanduo per požemines įlaidas patekdavo į atvirą kanalą (535 m ilgio) į malūną, kuriame sukasi lentpjūvės ratas. Toliau vanduo kitu požeminiu kanalu tekėjo į rūdai iš kasyklos kėlimo mašinos hidroratį, paskui į trečią ir ketvirtą. Pabaigoje daugiau nei 1 km ilgio vaga nutekėjo atgal į upę žemiau užtvankos, bendras kelias buvo daugiau nei 2 km.didžiausio rato skersmuo – 17 m. Visos konstrukcijos buvo pastatytos iš vietinių medžiagų: molio, medžio, akmens ir geležies. Kompleksas sėkmingai veikia daugiau nei 100 metų, tačiau iki šių dienų išliko tik Zmeinogorsky kasyklos užtvanka.

Mokslinius tyrimus hidraulikos srityje atliko ir žinomas mokslininkas M. V. Lomonosovas, kuris savo mokslines mintis įgyvendino praktiškai, dalyvaudamas kuriant spalvoto stiklo įmonę, paremtą hidraulinės sistemos su trimis ratais veikimu.. Dar dviejų Rusijos akademikų - D. Bernullio ir L. Eulerio - darbai įgijo pasaulinę reikšmę naudojant hidrodinamikos ir hidrotechnikos dėsnius ir padėjo teorinius šių mokslų pagrindus.

Vandens energijos naudojimas Rytuose

Vandens ratų naudojimas Kinijoje pirmą kartą buvo išsamiai aprašytas 1637 m. Sunn Yingxing knygoje. Joje išsamiai aprašomas jų naudojimas metalurgijos gamyboje. Kinijos konstrukcijos dažniausiai buvo horizontalios, tačiau jų pajėgumai buvo pakankamai dideli, kad būtų galima gaminti miltus ir metalą.

Vandens energija pirmą kartą pradėta naudoti praėjusio amžiaus 4 dešimtmetyje. n. pvz., Kinijos pareigūnui išradus slankiojamąjį mechanizmą, pagrįstą vandens ratais.

Senovės Kinijoje buvo pastatyti keli šimtai malūnų, išsidėsčiusių palei upes, tačiau 10 a. valdžia pradėjo juos drausti, nes trukdo laivybai upėmis. Malūnų statyba palaipsniui plėtėsi kaimyninėse šalyse: Japonijoje ir Indijoje, Tibete.

Vandens ratai islamo šalyse

ŠalysRytai, kuriuose žmonės išpažįsta islamo religiją, dažniausiai yra teritorija su labai karštu klimatu. Nuo seniausių laikų reguliarus vandens tiekimas buvo labai svarbus. Buvo nutiesti akvedukai miestams tiekti vandenį, o jį iškelti iš upės, pastatyti malūnai, kuriuos vadino „noriais“.

Istorikų teigimu, pirmieji tokie statiniai Sirijoje ir kitose šalyse buvo pastatyti prieš 5 tūkstančius metų. Orontes upėje, vienoje giliausių šalyje, buvo plačiai statomi liftai – didžiuliai vandens malūnų ratai, kurie daugybe menčių semdavo vandenį ir tiekdavo jį į akveduką.

Ryškus tokios struktūros pavyzdys – iki mūsų laikų išlikę Hamos miesto liftai, kurių statyba siekia XIII a. Jie dirba iki šiol, nes yra ir miesto puošmena, ir orientyras.

Hidroenergijos naudojimas įvairiose pramonės šakose

Be miltų gavimo, vandens malūnų veiklos sritis išplėtė šias pramonės šakas:

• melioracijai ir vandens aprūpinimui pasėliams laukuose;
• lentpjūvė, kuri naudojo vandens energiją medienai apdoroti;
• metalurgija ir metalo apdirbimas;
• kasant akmenis ar kitas uolienas;
• audimo ir vilnos manufaktūrose;
• vandeniui pakelti iš kasyklos ir pan.

Vienas iš seniausių naudojimo pavyzdžiųvandens jėgainė – lentpjūvė Hierapolyje (Turkija), jos mechanizmai buvo aptikti kasinėjimų metu ir datuoti VI a. n. e.

Kai kuriose Europos šalyse archeologai aptiko senų senovės Romos malūnų liekanas, kurios buvo naudojamos kasyklose iškastam kvarcui, kuriame buvo aukso, smulkinti.

Didžiausias kompleksas naudojant vandens galią, istoriniais duomenimis, buvo pastatytas I a. Prancūzijos pietuose pavadinimu Barbegal, kuris turėjo 16 vandens ratų, kurie tiekė energiją 16 miltų malūnų, taip aprūpindami duona netoliese esantį Alert miestą. Kasdien čia pagaminama 4,5 tonos miltų.

Panašus malūno kompleksas Janiculum kalne tiekė atsargas III a. Romos miestas, kurį įvertino imperatorius Aurelianas.

Vandens struktūros kūrimas savo rankomis

Architektūrinis elementas, pavyzdžiui, vandens ratas, išpopuliarėjo kartu su baseinais, kaskadomis ar fontanais. Žinoma, tokios konstrukcijos atlieka dekoratyvinę, o ne praktinę funkciją. Kiekvienas savininkas, turintis įgūdžių dirbti su medinėmis detalėmis, gali savo rankomis pasistatyti vandens malūną.

Rekomenduojame rinktis ne mažesnį kaip 1,5 m, bet ne didesnį kaip 10 m ratą, priklausomai nuo aikštelės ploto. Malūno namas parenkamas ir pagal būsimą paskirtį: pastatas inventoriui saugoti, vaikų žaidimų aikštelė, teritorijos puošimas.

Dalių gamyba:

• kaip vandens rato pagrindą galite pasiimti dviratį arba nuverstą medį, prie kurio tvirtinami peiliukai; centrejame turi būti vamzdis, aplink kurį jis sukasi;
• gatavas gaminys montuojamas ant guolių ant 2 atramų, kurios pagamintos iš ąžuolinių sijų, metalinių kampų, plytų;
• prie rato viršaus turi tilpti latakas, kuriuo vanduo teka ant ašmenų; jis atnešamas arba iš žarnos su siurbliu, arba ateina po lietaus;
• visas dalis rekomenduojama apdoroti, kad pailgėtų tarnavimo laikas: medinės – lakuotos, metalinės – dažytos nuo korozijos;
• nuleisti vandenį, tiesti kanalus lysvių kryptimi arba į kitą talpą;
• paskutinėje stadijoje pastatas papuoštas dekoratyviniais elementais.

Dekoratyvinio vandens malūno įrengimas kaime bus puikus estetinis kraštovaizdžio papildymas.

Žymūs istoriniai vėjo malūnai

Didžiausias veikiantis vandens malūnas „Lady Isabella“yra netoli Leksi kaimo Meno saloje, Airijos jūroje. Šią konstrukciją 1854 m. pastatė savamokslis inžinierius Robertas Casementas vietos generalgubernatoriaus žmonos garbei, o pastatymo tikslas buvo pumpuoti požeminį vandenį iš vietinės kasyklos gamtos ištekliams (cinkui, švinui ir kt.) išgauti..).

Specialiai buvo nutiesti kanalai, kuriais per tiltą tekėjo kalnų upių vanduo ir buvo paduodamas sukti 22 m skersmens ratą, kuris iki šiol laikomas didžiausiu pasaulyje, todėl daugelis turistų jau džiaugėsi sėkmemetų.

Viena iš originalių Prancūzijos įžymybių yra senas vandens malūnas, esantis netoli Vernon miesto (Prancūzija). Jo išskirtinumas slypi tame, kad jis remiasi ant 2 seno akmeninio tilto, kadaise jungusio Senos krantus, stulpų. Tiksli jo pastatymo data nežinoma, tačiau, kai kurių š altinių teigimu, jis iškilo opozicijos Ričardui Liūtaširdžiui laikotarpiu ir turėjo strateginę reikšmę. 1883 m. garsus menininkas Claude'as Monet įamžino ją vienoje iš savo drobių.

Vandens malūno sukūrimas yra svarbus žingsnis technologijų plėtros istorijoje, nes jis laikomas pirmuoju dizainu, kuris galėjo būti naudojamas įvairiems tikslams apdirbant žemės ūkio ir kitus produktus, o tai buvo pirmasis žingsnis mašinų link gamyba pasaulyje.