Vattenkvarn: upptäcktsvärde, omfattning, anordning och funktionsprincip

2024 Författare: Henry Conors | [email protected]. Senast ändrad: 2024-02-12 12:57

Uppfinnandet av vattenkvarnen var av stor betydelse för teknikens historia och utveckling. De första sådana strukturerna användes för att svämma över vatten i antikens Rom, senare började de användas för att skaffa mjöl och för andra industriella ändamål.

Invention Story

Vattenhjulet uppfanns av människor i antiken, tack vare vilket en person fick en pålitlig och enkel motor, vars användning har utökats varje år. Redan under det första århundradet f. Kr. beskrev den romerske vetenskapsmannen Vitruvius en sådan struktur i sin avhandling "10 böcker om arkitektur". Dess verkan var baserad på rotationen av hjulet från påverkan av vattenflödet på dess blad. Och den första praktiska tillämpningen av denna upptäckt var möjligheten att mala korn.

Kvarnarnas historia går tillbaka till de första kvarnstenarna som användes av forntida människor för att få mjöl. Sådana anordningar var först manuella, sedan började de använda den fysiska styrkan hos slavar eller djur som vände på mjölhjulet.

Historien om vattenkvarnen började med användningen av designen av ett hjul som drivs av kraften från ett flodflöde för att utföraprocessen att mala spannmål till mjöl, och grunden för detta var skapandet av den första motorn. Forntida maskiner utvecklades från bevattningsanordningar som kallas chadufons, som användes för att få upp vatten från en flod för att bevattna mark och åkrar. Sådana anordningar bestod av flera skopor monterade på en kant: under rotation sänktes de ned i vatten, öste upp det och efter att ha lyft upp det välte de ner det i en ränna.

Arrangemang av gamla väderkvarnar

Med tiden började folk bygga vattenkvarnar och använda vattenkraften för att producera mjöl. Dessutom, i de platta områdena, med låg hastighet av flödet av floder, anordnades dammar för att öka trycket och därigenom säkerställa en höjning av vattennivån. För att överföra rörelse till kvarnanordningen uppfanns växelmotorer, som tillverkades av två hjul i kontakt med fälgar.

Med hjälp av ett system av hjul med olika diametrar, vars rotationsaxlar var parallella, kunde de gamla uppfinnarna överföra och omvandla rörelser som kunde riktas till människors fördel. Dessutom måste det större hjulet göra färre varv så många gånger som dess diameter överstiger det andra, lilla. De första hjulväxelsystemen började användas för 2 tusen år sedan. Sedan dess har uppfinnare och mekaniker kunnat komma på många varianter av växlar, med inte bara två, utan fler hjul.

Anordningen för forntidens vattenkvarn, beskrivenVitruvius, innehöll 3 huvuddelar:

En motor som består av ett vertik alt hjul med blad som roteras av vatten.
Transmissionsmekanismen är ett andra vertik alt tandat hjul (växellåda) som vrider ett tredje horisontellt som kallas ett kugghjul.
Manövermekanism som består av två kvarnstenar: den övre drivs av ett kugghjul och monteras på dess vertikala axel. Spannmål till mjöl hälldes i en hink-tratt ovanför den övre kvarnstenen.

Vattenhjul installerades i flera lägen i förhållande till vattenflödet: nedströms - på floder med hög flödeshastighet. De vanligaste var "hängande" strukturer, installerade på ett fritt flöde, nedsänkta i vatten av de nedre bladen. Därefter började de använda medel- och topppiercing typer av vattenhjul.

Den maximala möjliga effektiviteten (effektivitet=75 %) gavs av arbetet med överliggande eller bulktyper, som användes i stor utsträckning vid konstruktionen av "kanot" flytande kvarnar som gick på stora floder: Dnepr, Kura, etc.

Betydningen av upptäckten av vattenkvarnen var att den första antika mekanismen uppfanns, som senare kunde användas för industriell produktion, vilket blev ett viktigt skede i teknikens utvecklingshistoria.

Medeltida hydrauliska strukturer

De första vattenkvarnarna i Europa, enligt historiska uppgifter, dök upp under Karl den Stores regeringstid (340 e. Kr.) i Tyskland ochlånades av romarna. Samtidigt byggdes sådana mekanismer på floderna i Frankrike, där i slutet av 1000-talet. redan fanns det cirka 20 tusen kvarnar. Samtidigt fanns det redan mer än 5,5 tusen av dem i England.

Vattenkvarnar under medeltiden var utbredda över hela Europa, de användes för att bearbeta jordbruksprodukter (mjölkvarnar, oljekvarnar, fyllare), för att lyfta vatten från gruvor och i metallurgisk produktion. I slutet av 1500-talet det fanns redan 300 tusen av dem, och på 1700-talet. - 500 tusen. Samtidigt skedde deras tekniska förbättring och ökning av effekttillväxt (från 600 till 2220 hästkrafter).

Den berömda konstnären och uppfinnaren Leonardo da Vinci försökte i sina anteckningar också komma på nya sätt att använda vattnets energi och kraft med hjälp av hjul. Han föreslog till exempel designen av en vertikal såg, som sattes i rörelse av en ström av vatten som tillfördes hjulet, det vill säga processen blev automatiserad. Leonardo gjorde också ritningar av flera alternativ för att använda hydrauliska strukturer: fontäner, sätt att dränera träsk, etc.

Ett slående exempel på ett vattenkraftverk var vattenförsörjningsmekanismen för fontäner och vattenförsörjning av palats i Versailles, Trianon och Marly (Frankrike), för vilken en damm byggdes speciellt vid floden. Not. Från reservoaren tillfördes vatten under tryck till 14 bottengenomträngande hjul på 12 m. De lyfte det med hjälp av 221 pumpar till en höjd av 162 m till akvedukten, varifrån det rann till palats och fontäner. Den dagliga mängden vatten som tillfördes var 5 tusen m3^3.

Så fungerar en vattenkvarn

Utformningen av en sådan kvarn har förblivit oförändrad i många århundraden. Huvudmaterialet för konstruktionen var trä, från vilket ladugården byggdes, hjul och schakt tillverkades. Metall användes endast i vissa delar: axlar, fästelement, konsoler. Då och då byggdes ladugården av sten.

Typer av kvarnar som använde vattenenergi:

Wurled - byggd på snabbt strömmande bergsfloder. Till sin konstruktion liknar de moderna turbiner: blad tillverkades på ett vertik alt hjul i vinkel mot basen, när vattenflödet föll skedde en rotation, varifrån kvarnstenen rörde sig.
Hjul, där själva "vattenhjulet" roterade. Två typer byggdes - med en nedre och en övre strid.

Vattnet kom från dammen till kvarnen, sedan leddes det längs rännan till hjulet med diken, som roterade under sin tyngd. Vid användning av den nedre kampen används en design med blad, som sätts i rörelse när de sänks ned i en vattenström. För att förbättra arbetseffektiviteten användes ofta en damm som blockerade bara en del av floden, kallad välsignelsen.

Figuren nedan visar enheten för en typisk trävattenkvarn: rotationsrörelsen kommer från den nedre drivningen (hjulet) [6], längst upp finns en hink (bunker) [1] för spannmål och en rännan [2], matar den till kvarnstenarna [3]. Det resulterande mjölet föll ner i brickan [4] och rann sedan ut i kistan eller påsen [5].

Justering av spannmålsförsörjningen utfördes med en dispenser, en speciell låda med ett hål som påverkade finheten hos malning av mjöl. Efter att ha tagit emot det var det nödvändigt att sålla igenom en speciell sikt installerad ovanför bröstet, som svängde med hjälp av en liten mekanism.

Vissa vattenkvarnar användes inte bara för att mala spannmål, utan också för att skala hirs, bovete eller havre, från vilka spannmål tillverkades. Sådana maskiner kallades crouper. Entreprenörsägare använde kvarnstrukturer för att slå släp, för att tova hemspunnet tyg, för att kamma ull, etc.

Bygga kvarnar i Ryssland

I de gamla ryska krönikorna förekommer omnämnandet av vattenhjul och kvarnar från 900-talet. Till en början användes de uteslutande för att mala spannmål, för vilket de fick smeknamnet "mjöl" och "bröd". År 1375 gav prins Podolskij Korpatovich Dominikanerklostret rätten att bygga en spannmålskvarn genom en charter. Och 1389 lämnades en sådan byggnad till prins Dmitrij Donskojs hustru genom testamente.

I Veliky Novgorod går ett björkbarkdokument som nämner byggandet av en kvarn från 1300-talet. Pskov krönikor av 1500-talet. berätta om byggandet av en sådan struktur vid Volkhovfloden, som hela lokalbefolkningen var involverad i. En damm byggdes som blockerade en del av floden, men den kollapsade på grund av kraftiga översvämningar.

I den plana terrängen byggdes vattenkvarnar i Ryssland med ett påfyllningshjul. Under 14-15 århundradena. ringlade enheter började dyka upp i vilkahjulet placerades horisontellt på en vertikal axel.

De här designerna byggdes av självlärda mästare utan några ritningar och diagram. Dessutom kopierade de inte bara de redan uppförda strukturerna, utan lade varje gång till sina egna innovationer till sin enhet. Även under Peter den stores tid började mästare från europeiska länder komma till Ryssland, som visade sina färdigheter och kunskaper på detta område.

En av Peters medarbetare, den berömda ingenjören William Genin, som byggde 12 stora anläggningar i Ural, kunde säkerställa deras drift från hydrauliska kraftverk. Därefter användes vattenenergi i stor utsträckning av specialister på konstruktion av gruv- och metallbearbetningsföretag i hela Ryssland.

I början av 1700-talet verkade omkring 3 tusen fabriker över hela territoriet, som använde hydrauliska installationer för att produktionen skulle fungera. Dessa var metallurgiska, sågverk, papper, vävning och andra företag.

Det mest kända och unika komplexet för att tillhandahålla energi till gruv- och smältverket byggdes 1787 av ingenjören K. D. Frolov vid Zmeinogorskgruvan, som inte hade några analoger i världen. Det inkluderade en damm, vattenintagsstrukturer, från vilka vatten passerade genom underjordiska öppningar in i en öppen kanal (535 m lång) till en kvarn, där sågverkshjulet roterade. Vidare strömmade vatten genom nästa underjordiska kanal till maskinens hydrohjul för att lyfta malm från gruvan, sedan till den tredje och fjärde. I slutet rann den genom en mer än 1 km lång adit tillbaka i floden nedanför dammen, dess totala väg var mer än 2 km,diametern på det största hjulet är 17 m. Alla strukturer byggdes av lokala material: lera, trä, sten och järn. Komplexet har varit framgångsrikt i drift i mer än 100 år, men endast dammen till Zmeinogorsky-gruvan har överlevt till denna dag.

Forskning inom området hydraulik utfördes också av den berömda vetenskapsmannen M. V. Lomonosov, som omsatte sina vetenskapliga tankar i praktiken, och deltog i skapandet av ett färgat glasföretag baserat på driften av en hydraulisk installation med tre hjul. Verken av ytterligare två ryska akademiker - D. Bernoulli och L. Euler - fick världslig betydelse i användningen av lagarna för hydrodynamik och vattenteknik och lade den teoretiska grunden för dessa vetenskaper.

Använda vattenenergi i öst

Användningen av vattenhjul i Kina beskrevs först i detalj i Sunn Yingxings bok 1637. Den beskriver hur de används för metallurgisk produktion. Kinesiska strukturer var vanligtvis horisontella, men deras kapacitet var tillräckligt hög för att producera mjöl och metall.

Användningen av vattenenergi började redan på 30-talet. n. t.ex. efter en kinesisk tjänstemans uppfinning av en fram- och återgående mekanism baserad på vattenhjul.

I det gamla Kina byggdes flera hundra kvarnar, belägna längs floderna, men på 900-talet. regeringen började förbjuda dem på grund av hinder för flodnavigering. Byggandet av kvarnar utökades gradvis i grannländerna: Japan och Indien, i Tibet.

Vattenhjul i islamiska länder

LänderÖstern, där människor bekänner sig till den islamiska religionen, är för det mesta ett territorium med ett mycket varmt klimat. Sedan urminnes tider har regelbunden vattenförsörjning varit mycket viktig. Akvedukter byggdes för att förse städerna med vatten och för att lyfta det från floden byggdes kvarnar som de kallade "norias".

Enligt historiker uppfördes de första sådana strukturerna för 5 tusen år sedan i Syrien och andra länder. På Orontesfloden, en av de djupaste i landet, var byggandet av hissar utbrett i form av enorma hjul av vattenkvarnar, som öste upp vatten med många blad och försörjde det till akvedukten.

Ett levande exempel på en sådan struktur är hissarna i staden Hama, som har överlevt till vår tid, vars konstruktion går tillbaka till 1200-talet. De fortsätter att arbeta än i dag och är både en prydnad och ett landmärke för staden.

Användning av vattenkraft i olika industrier

Förutom att få mjöl utvidgades omfattningen av vattenkvarnar till följande typer av industrier:

för att förbättra och ge vatten till grödor på fälten;
ett sågverk som använde vattenkraft för att bearbeta trä;
metallurgi och metallbearbetning;
vid gruvdrift för bearbetning av stenar eller andra stenar;
i väv- och yllefabriker;
för att lyfta vatten från gruvan, etc.

Ett av de äldsta exemplen på användningvattenkraft - ett sågverk i Hierapolis (Turkiet), dess mekanismer upptäcktes under utgrävningar och daterades till 600-talet. n. e.

I vissa europeiska länder har arkeologer upptäckt resterna av gamla kvarnar från antikens Rom, som användes för att krossa kvarts som innehåller guld som utvunnits i gruvor.

Det största komplexet med vattenkraft byggdes, enligt historiska data, på 1:a århundradet. i södra Frankrike under namnet Barbegal, som hade 16 vattenhjul som levererade energi till 16 mjölkvarnar och på så sätt försåg den närliggande staden Alert med bröd. Varje dag producerades 4,5 ton mjöl här.

Ett liknande brukskomplex på Janiculum Hill levererade förnödenheter på 300-talet. staden Rom, som uppskattades av kejsar Aurelianus.

Skapa en vattenstruktur med egna händer

Ett arkitektoniskt element som ett vattenhjul har vunnit popularitet tillsammans med pooler, kaskader eller fontäner. Naturligtvis utför sådana strukturer en dekorativ snarare än en praktisk funktion. Varje ägare som har kompetens att arbeta med trädelar kan bygga en vattenkvarn med sina egna händer.

Det rekommenderas att välja en hjulstorlek på minst 1,5 m, men inte mer än 10 m, beroende på området på platsen. Kvarnhuset väljs också ut efter dess framtida syfte: en byggnad för förvaring av inventarier, en lekplats för barn och dekoration av territoriet.

Tillverkning av delar:

som grund för ett vattenhjul kan man ta en cykel eller ett omkullkastat träd, på vilket bladen är fästa; i mittenden ska ha ett rör som den roterar runt;
den färdiga produkten är monterad på lager på 2 stöd, som är gjorda av ekbalkar, metallhörn, tegelstenar;
till toppen av hjulet ska passa rännan genom vilken vatten rinner på bladen; den hämtas antingen från en slang med en pump, eller så kommer den efter regn;
alla delar rekommenderas att bearbetas för att öka livslängden: trä - lackerad, metall - målad mot korrosion;
för att dränera vatten, lägg kanaler i riktning mot sängarna eller till en annan behållare;
i slutskedet är byggnaden dekorerad med dekorativa element.

Att sätta upp en dekorativ vattenkvarn på landsbygden kommer att vara ett fantastiskt estetiskt tillskott till landskapet.

Kända historiska väderkvarnar

Den största operativa vattenkvarnen "Lady Isabella" ligger nära byn Lexie på Isle of Man i Irländska sjön. Denna struktur byggdes 1854 av den självlärde ingenjören Robert Casement för att hedra den lokala generalguvernörens hustru, och syftet med dess konstruktion var att pumpa grundvatten från en lokal gruva för utvinning av naturresurser (zink, bly, etc.).).

Kanaler anlades speciellt, genom vilka vatten från bergsfloder passerade genom bron och matades för att rotera ett hjul med en diameter på 22 m, vilket fortfarande anses vara det största i världen, tack vare vilket många turister har redan haft framgångår.

En av Frankrikes ursprungliga sevärdheter är en gammal vattenkvarn som ligger nära staden Vernon (Frankrike). Dess unika ligger i det faktum att den vilar på 2 pelare av en gammal stenbro som en gång förenade Seines strand. Det exakta datumet för dess konstruktion är okänt, men enligt vissa källor byggdes den under perioden av motstånd mot Richard Lejonhjärta och var av strategisk betydelse. 1883 förevigade den berömda konstnären Claude Monet henne på en av sina dukar.

Skapandet av vattenkvarnen är ett viktigt steg i teknikutvecklingens historia, eftersom det anses vara den första designen som kunde användas för olika ändamål för bearbetning av jordbruksprodukter och andra produkter, vilket var det första steget mot maskin produktion i världen.