Свободнопоточная поплавковая установка байдачного типа с водяным подливным колесом старинной конструкции
Поплавковые установки могут работать и в половодье, чего иногда не в состоянии сделать гидроустановки обычного плотинного типа. Кроме того, байдачные водяные колеса могут использовать большую ширину потока при относительно малой глубине погружения лопаток. Однако недостатком старинных конструкций свободнопоточных установок являются их чрезмерная громоздкость и тихоходность рабочего колеса (10-16 об/мин).
Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. Водяные колеса использовались при устройстве водяных мельниц. Первое упоминание о таких мельницах обнаружено у древнегреческого поэта круга Цицерона Антипарта. В стихотворении, датированном 98 – 90 годами до н. э., Антипарт приветствует появление первых мельниц: «Дайте отдых своим рукам, о работницы, и спите безмятежно! Напрасно будет петух возвещать вам о наступлении утра! Дэо поручила работу девушек нимфам, и они легко теперь прыгают по колесам, так что сотрясаемые оси вертятся вместе со своими спицами и заставляют вращаться тяжелый жернов».
В «Географии» древнегреческого историка и географа Страбона (64–63 годы до н. э. – 23 – 24 годы н. э.) описаны первые водяные мельницы в городе Кайбера на реке Лика, во дворце Понтийского царя Митриада VI Евпатора (120 – 63 годы до н. э) – его именем названа гора Митридат около Керчи. Кабейра находится недалеко от современного турецкого города Никсара. Митридат VI развивал в Малой Азии торговлю и ремесла, что способствовало возникновению водяных мельниц.
Понтийские мельницы с горизонтальным водяным колесом на одном валу во времена царствования Тиграна II, зятя Митридата I, заимствованы армянами. Подобный тип мельниц еще совсем недавно встречался в быстрых армянских реках.
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.
Изобретение водяного колеса как 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 сможем 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, зубцами 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. Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, и появилась водяная мельница. Ее детальное устройство и описал древнеримский механик и архитектор Витрувий.
В 64 году до н. э. Митридат VI был разгромлен римлянами и бежал в Крым, а из Малой Азии в Рим наряду с богатыми трофеями была вывезена идея соединения водяного колеса с жерновом. Взяв вертикальное колесо, используемое для водоподъема, и соединив его зубчатой передачей с жерновом, римляне создали свою конструкцию водяной мельницы – подливную. Именно ее описание приведено Витрувием в десятой книге трактата об архитектуре (16 – 13 годы до н. э.).
