Ūdens dzirnavas: atklāšanas vērtība, darbības joma, ierīce un darbības princips

2024 Autors: Henry Conors | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-12 10:39

Ūdensdzirnavu izgudrojumam bija liela nozīme tehnoloģiju vēsturē un attīstībā. Pirmās šādas konstrukcijas tika izmantotas ūdens pārplūdei Senajā Romā, vēlāk tās sāka izmantot miltu iegūšanai un citiem rūpnieciskiem mērķiem.

Izgudrojumu stāsts

Ūdensratu senatnē izgudroja cilvēki, pateicoties kuriem cilvēks saņēma uzticamu un vienkāršu dzinēju, kura izmantošanas iespējas ar katru gadu paplašinās. Jau pirmajā gadsimtā pirms mūsu ēras romiešu zinātnieks Vitruvijs aprakstīja šādu struktūru savā traktātā "10 grāmatas par arhitektūru". Tās darbība balstījās uz riteņa griešanos no ūdens plūsmas ietekmes uz tā asmeņiem. Un pirmais šī atklājuma praktiskais pielietojums bija iespēja sam alt graudus.

Dzirnavu vēsture aizsākās līdz pirmajiem dzirnakmeņiem, ko senie cilvēki izmantoja miltu iegūšanai. Šādas ierīces sākotnēji bija manuālas, pēc tam tās sāka izmantot vergu vai dzīvnieku fizisko spēku, kas grieza miltu ratu.

Ūdensdzirnavu vēsture aizsākās ar upes plūsmas spēka vadīta riteņa konstrukcijas izmantošanu, lai veiktugraudu samalšanas process miltos, un pamats tam bija pirmā dzinēja izveide. Senās mašīnas attīstījās no apūdeņošanas ierīcēm, ko sauc par čadufoniem, kuras izmantoja ūdens pacelšanai no upes, lai apūdeņotu zemi un laukus. Šādas ierīces sastāvēja no vairākām liekšķerēm, kas bija uzmontētas uz apmales: griešanās laikā tās tika iegremdētas ūdenī, uzvilktas un pēc pacelšanas uz augšu apgāztas teknē.

Seno vējdzirnavu sakārtošana

Laika gaitā cilvēki sāka būvēt ūdens dzirnavas un izmantot ūdens spēku miltu ražošanai. Turklāt līdzenumos pie neliela upju tecējuma ātruma tika ierīkoti aizsprosti, lai paaugstinātu spiedienu, tādējādi nodrošinot ūdens līmeņa paaugstināšanos. Lai pārnestu kustību uz dzirnavu ierīci, tika izgudroti motori ar reduktoriem, kas tika izgatavoti no diviem riteņiem, kas saskaras ar diskiem.

Izmantojot dažāda diametra riteņu sistēmu, kuru griešanās asis bija paralēlas, senie izgudrotāji spēja pārnest un pārveidot kustību, ko varēja virzīt cilvēku labā. Turklāt lielākajam ritenim ir jāveic mazāk apgriezienu tik reižu, cik tā diametrs pārsniedz otro, mazo. Pirmās riteņu pārnesumu sistēmas sāka izmantot pirms 2 tūkstošiem gadu. Kopš tā laika izgudrotāji un mehāniķi ir spējuši nākt klajā ar daudzām pārnesumu variācijām, izmantojot ne tikai divus, bet vairāk riteņus.

Aprakstīta seno laiku ūdensdzirnavu iekārtaVitruvius, satur 3 galvenās daļas:

1. Dzinējs, kas sastāv no vertikāla riteņa ar lāpstiņām, kuras griež ūdens.
2. Pārnesumkārbas mehānisms ir otrs vertikāls zobrats (transmisija), kas griež trešo horizontālo riteni, ko sauc par zobratu.
3. Iedarbināšanas mehānisms, kas sastāv no diviem dzirnakmeņiem: augšējais tiek darbināts ar zobratu un uzstādīts uz tā vertikālās vārpstas. Graudus miltiem iebēra spainī-piltuvē, kas atrodas virs augšējā dzirnakmens.

Ūdens riteņi tika uzstādīti vairākās pozīcijās attiecībā pret ūdens plūsmu: lejup pa straumi - uz upēm ar lielu plūsmas ātrumu. Visizplatītākās bija "karājās" konstrukcijas, kas uzstādītas uz brīvas plūsmas, iegremdētas ūdenī ar apakšējiem asmeņiem. Pēc tam viņi sāka izmantot vidēja un augstas kvalitātes ūdensratu veidus.

Maksimālo iespējamo efektivitāti (efektivitāte=75%) piešķīra darbs pie virszemes vai beztaras, ko plaši izmantoja "kanoe" peldošo dzirnavu celtniecībā, kas gāja pa lielām upēm: Dņepru, Kuru, utt.

Ūdensdzirnavu atklāšanas nozīme bija tāda, ka tika izgudrots pirmais antīkais mehānisms, ko vēlāk varēja izmantot rūpnieciskai ražošanai, kas kļuva par svarīgu posmu tehnoloģiju attīstības vēsturē.

Viduslaiku hidrotehniskās būves

Pirmās ūdensdzirnavas Eiropā, pēc vēsturiskiem datiem, parādījās Kārļa Lielā valdīšanas laikā (340. g. p.m.ē.) Vācijā untika aizgūti no romiešiem. Tajā pašā laikā šādi mehānismi tika uzbūvēti uz Francijas upēm, kur līdz 11. gadsimta beigām. jau bija ap 20 tūkstošiem dzirnavu. Tajā pašā laikā Anglijā to jau bija vairāk nekā 5,5 tūkstoši.

Ūdens dzirnavas viduslaikos bija plaši izplatītas visā Eiropā, tās izmantoja lauksaimniecības produktu pārstrādei (miltu dzirnavas, eļļas dzirnavas, pildītāji), ūdens pacelšanai no raktuvēm un metalurģijas ražošanā. Līdz 16. gadsimta beigām to jau bija 300 tūkstoši, un 18. gs. - 500 tūkst. Tajā pašā laikā notika to tehniskā uzlabošana un jaudas pieauguma palielināšana (no 600 līdz 2220 zirgspēkiem).

Slavenais mākslinieks un izgudrotājs Leonardo da Vinči savos pierakstos arī mēģināja izdomāt jaunus veidus, kā ar riteņu palīdzību izmantot ūdens enerģiju un spēku. Viņš piedāvāja, piemēram, vertikālā zāģa konstrukciju, kuru iedarbināja ritenim pievadīta ūdens straume, t.i., process kļuva automatizēts. Leonardo arī izveidoja rasējumus par vairākām hidrotehnisko būvju izmantošanas iespējām: strūklakām, purvu nosusināšanas veidiem utt.

Spilgts hidroelektrostacijas piemērs bija ūdens apgādes mehānisms strūklakām un piļu ūdens apgāde Versaļā, Trianonā un Mārlī (Francija), kam upē tika īpaši uzcelts dambis. Sēna. No rezervuāra ūdens zem spiediena tika piegādāts 14 12 m gariem dibena caurdurošajiem riteņiem, kas ar 221 sūkņa palīdzību to pacēla 162 m augstumā līdz akveduktam, no kura tas aiztecēja uz pilīm un strūklakām. Diennakts piegādātā ūdens apjoms bija 5 tūkstoši m3^3.

Kā darbojas ūdensdzirnavas

Šādu dzirnavu dizains ir palicis nemainīgs daudzus gadsimtus. Galvenais būvmateriāls bija koks, no kura uzbūvēja šķūni, taisīja riteņus un šahtas. Metāls tika izmantots tikai atsevišķās daļās: asis, stiprinājumi, kronšteini. Reizēm šķūnis tika celts no akmens.

Dzirnavu veidi, kas izmantoja ūdens enerģiju:

1. Rotaļveida - celta uz straujām kalnu upēm. Pēc konstrukcijas tās ir līdzīgas mūsdienu turbīnām: lāpstiņas tika izgatavotas uz vertikāla riteņa leņķī pret pamatni, ūdens plūsmai nokrītot, notika rotācija, no kuras pārvietojās dzirnakmens.
2. Rats, kurā griezās pats "ūdens" ritenis. Tika uzbūvēti divi veidi – ar apakšējo un augšējo kauju.

Ūdens no dambja nāca uz gaisvadu dzirnavām, tad pa tekni ar grāvjiem tika novirzīts uz riteni, kas zem sava svara griezās. Izmantojot apakšējo cīņu, tiek izmantots dizains ar asmeņiem, kas tiek iedarbināti, iegremdējot ūdens straumē. Lai uzlabotu darba efektivitāti, bieži tika izmantots dambis, kas bloķēja tikai daļu upes, ko sauca par svēto.

Zemāk redzamajā attēlā redzama tipisku koka ūdensdzirnavu iekārta: rotācijas kustība nāk no apakšējās piedziņas (riteņa) [6], augšpusē ir spainis (bunkurs) [1] labībai un a. tekne [2], padodot to dzirnakmeņiem [3]. Iegūtie milti iekrita paplātē [4] un pēc tam izlija lādē vai somā [5].

Graudu padeves regulēšana tika veikta ar dozatoru, speciālu kasti ar caurumu, kas ietekmēja m alto miltu smalkumu. Pēc tā saņemšanas bija nepieciešams izsijāt caur speciālu virs lādes uzstādītu sietu, kas svārstījās, izmantojot nelielu mehānismu.

Dažas ūdensdzirnavas izmantoja ne tikai graudu malšanai, bet arī prosas, griķu vai auzu mizīšanai, no kurām gatavoja graudaugus. Šādas mašīnas sauca par kruperiem. Uzņēmēji saimnieki izmantoja dzirnavu konstrukcijas pakulu dauzīšanai, paššķiedru audumu filcēšanai, vilnas ķemmēšanai utt.

Celtniecības fabrikas Krievijā

Senkrievu hronikās ūdensratu un dzirnavu pieminēšana notiek no 9. gadsimta. Sākotnēji tos izmantoja tikai graudu malšanai, par ko tie tika saukti par "miltiem" un "maize". 1375. gadā kņazs Podoļskis Korpatovičs ar hartu piešķīra dominikāņu klosterim tiesības būvēt graudu dzirnavas. Un 1389. gadā šādu ēku ar testamentu atstāja kņaza Dmitrija Donskoja sievai.

Veļikijnovgorodā bērza mizas dokuments, kurā minēta dzirnavu celtniecība, datēts ar 14. gadsimtu. 16. gadsimta Pleskavas hronikas. pastāstiet par šādas būves celtniecību Volhovas upē, kurā bija iesaistīti visi vietējie iedzīvotāji. Tika uzcelts dambis, kas bloķēja daļu upes, taču tas sabruka lielu plūdu dēļ.

Lendenajā reljefā Krievijā tika uzbūvētas ūdens dzirnavas ar aizpildāmu augšējo riteni. 14-15 gadsimtos. sāka parādīties virpuļotas ierīces, kurāsritenis tika novietots horizontāli uz vertikālas vārpstas.

Šos dizainus veidoja autodidakti meistari bez jebkādiem rasējumiem un diagrammām. Turklāt viņi ne tikai kopēja jau uzceltās konstrukcijas, bet katru reizi pievienoja savai ierīcei savus jauninājumus. Jau Pētera Lielā laikā uz Krieviju sāka ierasties meistari no Eiropas valstīm, kuri parādīja savas prasmes un zināšanas šajā jomā.

Viens no Pētera domubiedriem, slavenais inženieris Viljams Genins, kurš Urālos uzbūvēja 12 lielas rūpnīcas, spēja nodrošināt to darbību no hidroelektrostacijām. Pēc tam ūdens enerģiju plaši izmantoja kalnrūpniecības un metālapstrādes uzņēmumu būvniecības speciālisti visā Krievijā.

18.gadsimta sākumā visā teritorijā darbojās ap 3 tūkstošiem manufaktūru, kuras ražošanas funkcionēšanai izmantoja hidrauliskās iekārtas. Tie bija metalurģijas, kokzāģētavu, papīra, aušanas un citi uzņēmumi.

Slavenāko un unikālāko kompleksu ieguves un kausēšanas rūpnīcas enerģijas nodrošināšanai 1787. gadā uzcēla inženieris K. D. Frolovs Zmeinogorskas raktuvēs, kurām pasaulē nebija analogu. Tajā ietilpa dambis, ūdens ņemšanas būves, no kurām ūdens pa pazemes ieejām nonāca atklātā kanālā (535 m garumā) uz dzirnavām, kur griezās kokzāģētavas ritenis. Tālāk ūdens plūda pa nākamo pazemes kanālu uz mašīnas hidroratu rūdas izcelšanai no raktuves, tad uz trešo un ceturto. Beigās tas pa vairāk nekā 1 km garu ieplūdi ieplūda atpakaļ upē zem dambja, tā kopējais ceļš bija vairāk nekā 2 km,lielākā riteņa diametrs ir 17 m Visas konstrukcijas tika būvētas no vietējiem materiāliem: māla, koka, akmens un dzelzs. Komplekss veiksmīgi darbojas vairāk nekā 100 gadus, taču līdz mūsdienām ir saglabājies tikai Zmeinogorskas raktuvju dambis.

Pētījumus hidraulikas jomā veica arī slavenais zinātnieks M. V. Lomonosovs, kurš savas zinātniskās domas realizēja praksē, piedaloties krāsainā stikla uzņēmuma izveidē, pamatojoties uz hidrauliskās iekārtas ar trīs riteņiem darbību.. Vēl divu krievu akadēmiķu - D. Bernulli un L. Eilera darbi ieguva pasaules nozīmi hidrodinamikas un hidrotehnikas likumu izmantošanā un ielika šo zinātņu teorētiskos pamatus.

Ūdens enerģijas izmantošana austrumos

Ūdensratu izmantošana Ķīnā pirmo reizi tika detalizēti aprakstīta Sunn Yingxing grāmatā 1637. gadā. Tajā sīki aprakstīta to izmantošana metalurģijas ražošanā. Ķīniešu konstrukcijas parasti bija horizontālas, taču to jauda bija pietiekami liela, lai ražotu miltus un metālu.

Ūdens enerģijas izmantošana pirmo reizi tika sākta 30. gados. n. piem., pēc tam, kad Ķīnas amatpersona izgudroja virzuļa mehānismu, kura pamatā ir ūdens riteņi.

Senajā Ķīnā tika uzcelti vairāki simti dzirnavu, kas atradās gar upēm, bet 10.gs. valdība sāka tos aizliegt, jo tika traucēta kuģošana upēs. Dzirnavu celtniecība pakāpeniski paplašinājās kaimiņvalstīs: Japānā un Indijā, Tibetā.

Ūdensrati islāma valstīs

ValstisAustrumi, kuros cilvēki atzīst islāma reliģiju, lielākoties ir teritorija ar ļoti karstu klimatu. Kopš seniem laikiem regulāra ūdens piegāde ir bijusi ļoti svarīga. Tika izbūvēti akvedukti, lai apgādātu pilsētas ar ūdeni, un, lai to paceltu no upes, tika uzceltas dzirnavas, ko viņi sauca par "noriām".

Pēc vēsturnieku domām, pirmās šādas būves tika uzceltas pirms 5 tūkstošiem gadu Sīrijā un citās valstīs. Orontes upē, kas ir viena no dziļākajām valstī, liftu celtniecība bija plaši izplatīta kā milzīgi ūdensdzirnavu riteņi, kas ar daudzām lāpstiņām smeļ ūdeni un piegādāja to akveduktam.

Spilgts šādas struktūras piemērs ir līdz mūsdienām saglabājušies Hamas pilsētas lifti, kuru celtniecība aizsākās 13. gadsimtā. Tie turpina darboties līdz pat šai dienai, vienlaikus esot pilsētas rota un orientieris.

Hidroenerģijas izmantošana dažādās nozarēs

Papildus miltu iegūšanai ūdensdzirnavu darbības joma tika paplašināta, aptverot arī šādas nozares:

• meliorācijai un ūdens nodrošināšanai labībai laukos;
• kokzāģētava, kas koksnes apstrādei izmantoja ūdens enerģiju;
• metalurģija un metālapstrāde;
• raktuvēs akmeņu vai citu iežu apstrādei;
• aušanas un vilnas manufaktūrās;
• ūdens pacelšanai no raktuves utt.

Viens no senākajiem lietošanas piemēriemūdens spēks - kokzāģētava Hierapolē (Turcija), tās mehānismi tika atklāti izrakumos un datēti ar 6. gs. n. e.

Dažās Eiropas valstīs arheologi ir atklājuši seno Senās Romas laikmeta dzirnavu paliekas, kuras izmantoja raktuvēs iegūtā zelta kvarca smalcināšanai.

Lielākais komplekss, kas izmanto ūdens spēku, pēc vēsturiskajiem datiem tika uzcelts 1. gadsimtā. Francijas dienvidos ar nosaukumu Barbegal, kam bija 16 ūdensrati, kas piegādāja enerģiju 16 miltu dzirnavām, tādējādi nodrošinot maizi tuvējai Alertas pilsētai. Katru dienu šeit tika saražotas 4,5 tonnas miltu.

Līdzīgs dzirnavu komplekss Janiculum kalnā nodrošināja krājumus 3. gs. Romas pilsēta, kuru novērtēja imperators Aurēliāns.

Ūdens struktūras izveide ar savām rokām

Kā ar baseiniem, kaskādēm vai strūklakām popularitāti ir ieguvis tāds arhitektūras elements kā ūdens ritenis. Protams, šādas konstrukcijas pilda dekoratīvu, nevis praktisku funkciju. Katrs īpašnieks, kuram ir iemaņas strādāt ar koka detaļām, savām rokām var uzbūvēt ūdensdzirnavas.

Riteņu izmēru ieteicams izvēlēties vismaz 1,5 m, bet ne vairāk kā 10 m atkarībā no objekta platības. Dzirnavu māja izvēlēta arī pēc tās turpmākā mērķa: ēka inventāra glabāšanai, bērnu rotaļu laukums un teritorijas dekorēšana.

Daļu ražošana:

• par pamatu ūdensratam var paņemt velosipēdu vai nogāztu koku, kuram piestiprināti asmeņi; centrātai jābūt caurulei, ap kuru tā griežas;
• gatavais produkts ir montēts uz gultņiem uz 2 balstiem, kuri ir izgatavoti no ozolkoka sijām, metāla stūriem, ķieģeļiem;
• riteņa augšpusē ir jāpieguļ teknei, caur kuru ūdens plūst uz asmeņiem; tas tiek atvests vai nu no šļūtenes ar sūkni, vai arī nāk pēc lietus;
• visas detaļas ieteicams apstrādāt, lai palielinātu kalpošanas laiku: koka - lakots, metāls - krāsots pret koroziju;
• ūdens novadīšanai, kanālu ieklāšanai gultņu virzienā vai citam konteineram;
• beigu posmā ēka ir dekorēta ar dekoratīviem elementiem.

Dekoratīvu ūdensdzirnavu ierīkošana laukos būs lielisks estētisks papildinājums ainavai.

Slavenas vēsturiskas vējdzirnavas

Lielākās strādājošās ūdens dzirnavas "Lady Isabella" atrodas netālu no Leksi ciema Menas salā Īrijas jūrā. Šo konstrukciju 1854. gadā uzcēla pašmācītais inženieris Roberts Casements par godu vietējā ģenerālgubernatora sievai, un tās būvniecības mērķis bija izsūknēt gruntsūdeņus no vietējās raktuves dabas resursu (cinka, svina u.c.) ieguvei..).

Īpaši tika ielikti kanāli, pa kuriem ūdens no kalnu upēm gāja cauri tiltam un tika padots, lai grieztu riteni ar diametru 22 m, kas joprojām tiek uzskatīts par lielāko pasaulē, pateicoties kuriem daudzi tūristi jau baudīja panākumusgadi.

Viens no Francijas oriģinālajiem apskates objektiem ir vecas ūdens dzirnavas, kas atrodas netālu no Vernonas pilsētas (Francija). Tās unikalitāte slēpjas faktā, ka tas balstās uz 2 sena akmens tilta pīlāriem, kas kādreiz savienoja Sēnas krastus. Precīzs tā uzcelšanas datums nav zināms, taču, saskaņā ar dažiem avotiem, tas tika uzcelts laikā, kad pastāvēja opozīcija Ričardam Lauvassirdim, un tam bija stratēģiska nozīme. 1883. gadā slavenais mākslinieks Klods Monē viņu iemūžināja vienā no saviem audekliem.

Ūdensdzirnavu izveide ir nozīmīgs solis tehnoloģiju attīstības vēsturē, jo tiek uzskatīts par pirmo dizainu, ko varēja izmantot dažādiem mērķiem lauksaimniecības un citu produktu pārstrādei, kas bija pirmais solis ceļā uz mašīnu ražošana pasaulē.