Музей гидроэнергетики

Энергетика мельничного колеса

Но не только силу ветра использовали наши далекие предки — очень давно были известны и водяные колеса. Уже в древнейших земледельческих государствах, для которых одной из насущнейших задач был подъем воды на поля для орошения, на смену примитивному и мало­производительному египетскому вороту — шадуфу — пришли простейшие, так называемые плавучие, водяные колеса. Еще за три тысячелетия до нашей эры на Ниле, Евфрате, Янцзы медленно вращались десятки водя­ных колес, с помощью которых рабы поднимали на по­ля воду.

В уже упоминавшемся многотомном труде Витрувия описано такое колесо: «Вокруг вала устанавливается колесо, по своим размерам соответствующее высоте, на которую должна быть доставлена вода, вокруг него, по внешнему кругу, устанавливаются кубические ящики, ко­торые делаются водонепроницаемыми при помощи смолы и воска. Когда колесо путем наступания приводится в движение, то наполняющиеся ящики поднимаются кверху и на обратном пути выливают свое содержимое в водохранилище».

Эллины первыми догадались, что если течение реки достаточно сильное, то оно само может вращать колесо, и усилия раба или животного можно заменить силой самой текущей воды. Для этого нужно прикрепить к колесу лопасти, которые будут увлекаться водой и вращать его.

Все в той же технической энциклопедии древних — у Витрувия — описано и такое колесо: «В реках также устанавливаются водоподъемные колеса, подобные вышеописанным, с той только разницей, что к ним с наружной стороны приделываются лопасти, которые, будучи увлечены течением воды, своим движением заставляют вращаться колесо и, наполняя при этом ящики водой и поднимая их кверху, без работы толкания, путем использования течения воды, сами, вращаясь, выполняют необходимую работу».

Более того, древние греки догадались, что вращаю­щееся водяное колесо может не только поднимать воду, но и совершать иную полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь один шаг до изобретения водяной мельницы. Этот шаг был сделан. Уже у древнегреческого историка Страбона есть замечание о том, что он возле дворца царя Митридата в Кабирах видел водяную мельницу.

Это достаточно простое устройство представлялось очевидцам настоящим чудом, сродни «самостоятельно» открывавшимся дверям храмов и «беспричинному» появ­лению огня на жертвенном очаге. Но там эти действия, казалось, производили сами боги, а здесь, на водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа — размол зерна — осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями. Один из многочисленных тогда поэтов, македонянин Антипатр Фессалоникский, посвятил водяной мельнице дошедшую до наших времен оду:

Дайте рукам отдохнуть, мукомолки; спокойно дремлите,

Хоть бы про близкий рассвет громко петух голосил:

Нимфам пучины речной ваш труд поручила Деметра;

Как зарезвились они, обод крутя колеса!

Видите? Ось завертелась, а оси крученые спицы

С рокотом движут глухим тяжесть двух пар жерновов.

Снова нам век наступил золотой: без труда и усилий

Начали снова вкушать дар мы Деметры святой.

Нужно сказать, что применение водяных мельниц в Элладе было довольно ограниченным — технические потребности того времени вполне обеспечивались энергетически мускульной силой рабов и домашних животных.

Древние римляне, наследовавшие достижения эллинов, создали первую цивилизацию, в которой техника действительно занимала достойное место. Уже во II веке водяные мельницы были распространены почти повсеместно, все больше и больше работ выполнялось с их помощью. Водяные колеса у римлян использовались и для выжимания масел, и для размягчения яблок, из которых приготовлялся любимый римлянами напиток — сидр, с их помощью заполнялся водой знаменитый римский водопровод. А когда во время осады Рима остготами водопровод был разрушен и Вечный город остался без воды, император Велизарий устроил прямо на Тибре огромные плавучие водяные колеса, служившие для подачи воды в город.

Яркий и недолгий расцвет Римской империи сменился тем периодом истории человечества, который иногда не вполне справедливо называют «тьмой средневековья». Приток рабов прекратился, стал высоко цениться физический труд, приходилось искать и находить новые методы ведения хозяйства в условиях, когда потребности в более производительных орудиях возросли, а основная энергетическая основа техники — мускульная сила — потеряла свою прежнюю роль.

Новый — феодальный — строй вызвал к жизни и новую технику. Водяные мельницы и колеса довольно быстро распространились по Европе.

Первое упоминание о водяной мельнице в Центральной Европе относится к 340 году — тогда одна из них была запущена на Мозеле. В VI веке водяная мельница появляется во Франции — она заработала в Дижоне. В Англии водяная мельница появилась примерно в VIII веке, а уже в 1086 году в Тренте и Северне были зарегистрированы 5624 мельницы!

Чуть позже водяной мельницы возникла ветряная. Первое упоминание о ветряной мельнице встречается в 644 году, когда в обвинительном акте против некоего Абу Лулуа, убившего Халифа Умара ибн ал-Каттаба, он назван «строителем ветряных мельниц». Немногим более чем через 200 лет ветряные мельницы появляются в городке Систеке на границе между Ираном и Афгани­станом.

Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе относится к 1105 году — в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку мельницы. Французские хроники 1180 года и английские 1190 года уже прямо говорят о работающих ветряных мельницах. Но еще совсем не о тех мельницах, с которыми впоследствии сражался хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский! Это были неуклюжие сооружения с вращающимися в горизонтальной плоскости лопастями, укрепленными на деревянном корпусе. Чтобы лопасти всегда были подставлены ветру, постоянно меняющему свое направление, вся эта конструкция вручную поворачивалась с помощью примитивного рычага. В рукописи 1270 года, именуемой «Водно-мельничный Псалтырь», имеется изображение одной из первых ветряных мельниц.

Уже потом ветряная мельница трудами многих поколений была усовершенствована, приобрела более знакомый нам облик. Она оказалась существенно проще водяной, значительно дешевле. Основной ее недостаток заключался, конечно, в непостоянстве энергоносителя — ветра. Поэтому лишь в тех районах, где не было достаточно быстрых потоков,— на равнинах Германии, Италии, России, Испании и, конечно, Голландии, классической стране ветряных мельниц,— мерно вращали свои лопасти деревянные великаны.

Тем временем совершенствовались и водяные колеса. Были придуманы довольно сложные устройства и передаточные механизмы, которые позволяли использовать силу воды не только для помола зерна, но и для производства самых различных работ. Водяные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт — словом, всюду, где руки человека не могут справиться с тяжелой работой, на помощь им приходит сила воды.

Вот не лишенная интереса выдержка из рукописи XIII века, где описывается использование энергии небольшой европейской реки: «Сначала река наталкивается на мельницу... потом ее зовут к себе сукновальни, находящиеся по соседству с мельницей... Опуская и поднимая тяжелые песты или — лучше сказать — молоты или деревянные ступы... река освобождает сукновалов от утомительной работы... Быстрое течение реки приводит в движение большое количество водяных колес. Затем покрытая пеной река медленно движется далее... Здесь ее принимает общежитие братии, и она принимает деятельное участие в выработке того, что необходимо для обуви братии... Затем, мало-помалу распадаясь на множество рукавов, река суетливо кружится, заглядывает в отдельные мастерские, тщательно отыскивая, где имеется надобность в ее службе: при варке, просеивании, вращении, растирании, орошении и мытье».

Для приведения в движение водяных колес, ставших такими необходимыми для всяческих ремесел, использо­валась даже сила прилива! Приливные мельницы, предвосхитившие современные приливные электростанции, по­явились сперва на побережье Адриатического моря уже в 1044 году, а чуть позже — в Англии и Франции. (К более поздним временам относится сохранившаяся жало­ванная грамота Ивана Грозного, в которой упоминается о приливных мельницах, построенных Никитой Павловым на берегу Белого моря в Усть-Золотице, а также в других местах.)

Именно в средние века основными энергетическими источниками становятся силы воды и ветра, более продуктивно используется сила животных. Известен проект удивительного военного судна, которое называлось «Ли-бурна». Оно было оснащено парусами, но на случай безветрия имелся дополнительный двигатель — три гребных колеса, каждое из которых вращалось парой быков. Привычными стали машины, с помощью которых точили металлы и дерево, ткали полотно, пилили доски и волочили проволоку. Все это ставило задачи перед наукой, и именно во «тьме средневековья» видим мы первые ростки науки Нового времени.

Очень высоко ценились ремесла. Искусные мастера выделялись из сельских общин, переезжали в города, заселяли улицы и районы, образовывали цехи, в которые объединялись ремесленники одной и той же профессии. Каждый поступающий в цех мастер подвергался очень строгому экзамену, он должен был в совершенстве владеть своим ремеслом и уметь изготавливать предмет высокого качества.

В мастерских находят широкое применение самые разные механизмы — мощные токарные и ткацкие станки, сверлильные приспособления. Там, где это было возможно, использовалась и мускульная сила человека — многие станки имели ручной или ножной привод, но ясно было, что энергетическая база производства изменилась. Начиналось широкое использование водяных колес не только в мельницах, но и для приведения в движение самых разнообразных станков и механизмов.

Уже в конце XII века в Нюрнберге были широко распространены шерстобойни, в которых металлические пальцы для трепания шерсти приводились в движение водяным колесом. К 1351 году относится изобретение первого вододействующего стана для изготовления железной проволоки. В рукописи Виллара де Оннекура 1245 года описана первая лесопилка, приводимая в движение водяным колесом.