Ветряная мельница: интересные факты. Мельницы.ветряные мельницы, история, типы и конструкции. Водяные и ветряные мельницы

В какой стране и когда изобрели ветряные мельницы?

История ветряной мельницы также уходит далеко в глубины веков. Точных известий об изготовлении первой ветряной мельницы история не сохранила. Но известно, что в Китае пользуются ветряками уже несколько тысячелетий . Крыльчатый ветродвигатель-самый древний и в то же время наилучший тип двигателя, к которому относится и ветряная мельница.
В древности для получения муки израильтяне, как и другие народы, мололи съедобные зерна «в жерновах». Работа на ручной мельнице была нелегкой. Постепенно вошли в обиход более тяжелые жернова, которые «вращались ослом» или другим животным. Но и у мельниц, приводимых в движение животными, были свои недостатки. К тому времени человек уже научился использовать энергию воды, чтобы вращать водяное колесо, и энергию ветра, чтобы плавать на парусной лодке. А примерно в VII веке н. э. в засушливых степях Азии или Ближнего и Среднего Востока объединили эти две идеи, заставив ветер вращать жернов. Первое упоминание о ветряных мельницах, используемых в Иране для измельчения зерна, относится так же к VII в. н.э. Так, из жернова выходил вертикальный вал с парусами, который поворачивался, когда дул ветер. С помощью таких простых ветряных мельниц мололи пшеницу или ячмень, а также качали воду из-под земли.
Первый ветродвигатель был, вероятно, простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, применявшееся в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря. Б XI в.ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу 10 в. при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные права, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, вынуждали арендаторов иметь площади для посева зерна около мельниц феодальных поместий. Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV". голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этого времени для осушения болот и озер в дельте р. Рейн.
Ранние мельницы с парусами на вертикальном валу не отличались высокой производительностью. Но она сильно возросла с пониманием того, что больше энергии производится, когда лопасти или паруса крепятся к горизонтальному валу, выходящему из башни. Горизонтальный вал посредством зубчатых колес сообщал вращательное движение вертикальному валу, который поворачивал прикрепленный к нему жернов. Затем придумали мельницы на ко́злах, или «столбовки». Эти мельницы покоились на столбе, подпертом балками, что позволяло поворачивать весь мельничный амбар, устанавливая крылья против ветра. По понятной причине «столбовки» не могли быть очень большими, и тогда придумали другую конструкцию: неподвижную башню с вращающейся крышей ("шатровки" или "голландки"). В мельницах такого типа главный вал выходит из крыши, благодаря чему, куда бы ни дул ветер, ее вместе с крыльями-парусами можно развернуть против ветра.
Считают, ветряные мельницы появились сначала в южной части Европы (предположительно в Греции) и быстро распространились повсюду . Большинство авторов полагает, что ветряные мельницы появились в России не ранее XVII в., хотя некоторые исследователи относят их появление на Руси к XV в
Поначалу они представляли собой кирпичные, похожие на огромные бочки сооружения с крыльями.
В 1772 году шотландский изобретатель заменил паруса на автоматически отрывающиеся и закрывающиеся щитки, похожие на жалюзи.

О.БУЛАНОВА

Они стали символом Голландии, с ними воевал Дон-Кихот, о них слагались сказки и легенды… О чем речь? Конечно, о ветряных мельницах. Много веков назад они использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для того и другого.

Наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма является ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в I в. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использовать энергию ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

В сообщениях мусульманских географов IX в. описываются персидские мельницы. Они отличаются от западных конструкций вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями (парусами). Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе, и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, т.к. паруса жестко связаны с осью, мельница не будет вращаться.

Еще один вид мельниц с вертикальной осью известен как китайская мельница или китайский ветряк, используемый в Тибете и Китае в начале IV в. Эта конструкция значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса, вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Парусов, покрытых тростником или тканью, было от 6 до 12. Эти мельницы использовались для помола зерна или добывания воды и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц.

Описание подобного типа горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, можно найти в китайских документах XIII в. В 1219 г. такая мельница была завезена в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали в XVIII-XIX вв. и на территории Европы. Наиболее известными являются мельница Хупера и мельница Фаулера. Вероятнее всего, мельницы, существовавшие на территории Европы в те времена, были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 г. Она была расположена в селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в XII в. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерна.

Имеются данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы эта деталь получала возможность вращаться по направлению ветра. В северо-западной Европе, где направление ветра меняется очень быстро, это позволяло работать более продуктивно. Основания первых подобных мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте.

Позже была разработана деревянная опора, получившая название эстакады (козлов). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время непогоды. Этот тип мельниц был наиболее распространенным в Европе вплоть до XIX в., до тех пор, пока их не заменили мощные башенные мельницы.

Козловые мельницы имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра, прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах. Исчезала и необходимость поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, т.к. применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах, начиная с XIV в.

Башенные мельницы появились к концу XIII в. Основным их преимуществом являлось то, что в башенной мельнице реагировала на наличие ветра только крыша башенного стана. Это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, а лопасти – большего размера, благодаря чему вращение мельницы становилось возможным даже при слабом ветре.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по ветру благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру из-за небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям. Данный тип конструкции получил распространение на территории Британской империи, Дании и Германии.

В странах Средиземноморья башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, т.к. изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Усовершенствованным вариантом башенной мельницы является шатровая мельница. В ней каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существовали мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, толем, листовым металлом. Эта легкая по сравнению с башенными мельницами шатровая конструкция делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить мельницы в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип использовали в качестве дренажной конструкции, но позже сфера использования значительно расширилась.

Большое значение в ветряных мельницах всегда имела конструкция лопастей (парусов). Традиционно парус состоит из каркаса-решетки, на который натянута парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности.

В условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце XVIII в. конструкции, автоматически приспосабливаемой к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 г. В этих лопастях ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, позволявшего мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В ХХ в. благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имело четыре паруса. Наряду с ними существовали мельницы, оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании, Германии и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имела преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей можно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

Необходимо отметить, что ветряные мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, кроме помола зерна, например, для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Общее количество ветряных мельниц в Европе во времена наибольшего распространения этого типа устройств достигало, по оценкам экспертов, количества около 200 тыс. Но эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 тыс. водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки зимой замерзали, а также на равнинах, где поток рек был слишком медленным.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем ветряные мельницы по-прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца XIX в.

Кроме ветряных мельниц, существовали и ветряные турбины – конструкции, специально разработанные для выработки электроэнергии. Первые ветряные турбины были построены в конце XIX в. профессором Джеймсом Блитом в Шотландии, Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде и Полем ля Куром в Дании.

Имелись также и ветряные насосы. Они использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с IX в. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

В 1738-1740 гг. в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Они перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря, в реку Лек, впадающую в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 г. стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Стоит также отметить, что ветряные мельницы в 1997 г. были внесены в Список объектов мирового наследия ЮНЕСКО.

По материалам сайта ru.beautiful-houses.net

Ветряной орган в Ульяновске

Описание первого устройства, которое приводилось в движение силой вера, оставил нам Герон Александрийский –греческий математик и механик первого века нашей эры. Однако это была вовсе не мельница, а музыкальный орган-гидравлос, предназначенный для храмов. Ещё одним предком для мельницы может послужить буддистское молитвенное колесо. Это приспособление представляет собой гладкий или гранёный барабан, который вращается либо от прикосновения руки, либо от дуновения ветра. В барабан вложены специальные молитвы –мантры, которые с вращением молитвенного ветряка постоянно повторяются. Древнейшее приспособление такого рода было описано китайским паломником в начале пятого века нашей эры.

Арабские географы пятого века описывали персидские мельницы, лопасти которых были расположена лопаткам гребного колеса на пароходе. Главным недостатком такой конструкции было то, что работать она может только там, где ветер дует в одну сторону. Другой вид мельниц – с вертикальной осью вращения, был известен в Китае. Конструкция этого ветряка отличается от персидского устройства тем, что в китайском механизме использовалась свободно поворачивающаяся лопасть паруса.

В средневековой Европе потребность в новых источниках энергии постоянно нарастала. Долгое время лидерство прочно удерживали водяные мельницы, а вот ветряные появились в тех областях, где были суровые зимы и реки могли замёрзнуть.

Первые документальные свидетельства о европейском ветряке с горизонтальным ротором относится к 80 годам двенадцатого века. Почти одновременно эти устройства появились в Англии и Нормандии. Некоторые исследователи полагают, что ветряки привезли с востока крестоносцы. Следующий, 13 век, стал подлинным столетием ветряков. В Европе заработали первые мельницы, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру. Они значительно увеличились в размере. Размах крыльев достигал девяти метров, а мощность таких мельниц равнялась силе двадцати пяти лошадей, или трёхсот человек.

В землях, где быстро росло производство, соответственно, увеличивалось и число ветряков. Более всего преуспели в этом деле Англия и Фландрия. Один только город Ипр обзавёлся 120 мельницами. Особенно эффективны были ветряные мельницы там, где сохранялось постоянство ветров. Например, на приморских просторах Голландии. Мельницы стали неотъемлемой приметой голландского пейзажа, а также частью истории и культуры этой страны. Голландские мельницы перетирали древесину для производства бумаги, дробили дубовую кору, потребляемую кожевенным производством, мололи пряности, привозимые кораблями с востока, но конечно же главным назначением этих ветряков была откачка воды с низменных территорий. Этой работой было занято девяносто процентов всех мельниц. Крылья их вертелись и днём, и ночью.

С приходом эпохи пара, а затем и электричества, спрос на энергию ветра резко понизился. Мельницы постепенно стали исчезать.
В южной Европе ветряное нововведение приживалось гораздо медленнее. Ещё со времён Римской империи там существовала практика применения водяных мельниц. Реки там не замерзали, и в ветряках не было необходимости.

Вертикальные мельницы сильно зависят от направления ветра, поэтому вскоре придумали мельницу на козлах, или столбовки. Такие мельницы покоились на столбе, подпёртом палками, что позволяло поворачивать весь мельничный амбар, устанавливая тын его против ветра. Но вращающаяся целиком мельница не могла быть очень большой и тяжёлой. Тогда на свет появилась другая конструкция – неподвижная башня с вращающейся крышей. Её верхушка поворачивалась, чтобы подставлять лопасти ветрам, дующим с разных сторон. Именно эта техническая инновация могла придать мельнице вид грозного великана, машущего руками, какой её увидел Дон кихот…

Вскоре мельничный прогресс пошёл ещё дальше – в 1772 году шотландский изобретатель Эндрю Мэйкл заменил паруса на автоматически открывающиеся и закрывающиеся щитики, похожие на жалюзи. Обзаведясь вращающимися крышами и саморегулирующимися крыльями, мельницы достигли вершины технического совершенства к концу 19 века. Однако при всей своей прогрессивности, у мельниц была странная репутация. В деревнях они ставились, как правило, за околицей, за пределами маленького человеческого мира, а это порождало подозрения в отношении мельников в сношениях с нечистой силой. В 1779 году в Петербурге была поставлена комическая опера «Мельник, колдун, обманщик и сват» по либретто писателя Александра Облесимова. Уже в первом монологе герой-мельник объясняет публике, что на каждой мельнице должно быть по колдуну.

Пушкин, как мы помним, поместил мельницу среди иных фантазмов из сна Татьяны. Эта мельница «Вприсядку пляшет, и крыльями трещит и машет»…

Став в позднем средневековье символом технического прогресса, мельница стала жертвой этого прогресса в начале двадцатого века. Однако к концу прошлого столетия ветряной двигатель вновь возродился, только теперь он преобразует свободную энергию ветра в энергию электрическую. Весьма успешно и по всему миру.

17. МЕЛЬНИЦА

Первыми инструментами для измельчения зерна в муку были каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Люди очень скоро убедились, что при перетирании мука получается гораздо лучше. Однако это также была крайне утомительная работа. Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Пестик сменился плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. От камня, который перетирает зерно, было уже легко перейти к жернову, то есть заставить один камень скользить при вращении по другому. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку. Эта ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием мельницы служил камень, выпуклый посередине. На его вершине располагался железный штифт. Второй, вращающийся камень имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собирались у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел. С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Не случайно, именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице. Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель.

Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались 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 воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками. 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.

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 ободом 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.

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.