Водяное колесо для мельницы (из книги Марка Витрувия, I век до н. Э.)

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 засыпалось 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, которой достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.

В эпоху Карла Великого, в 340 году заимствованная из Рима  водяная мельница появилась в Германии, на реке Мозель.

В это же время возникли первые водяные мельницы в Галии (Франция). Во Франции к концу XI века при численности населения 5 миллионов человек было 20 тысяч мельниц. К XII веку благодаря мельницам Франция получила энергетический эквивалент 600 тысяч рабочих рук.

В 1086 году в 34 графствах Англии было 5624 водяные мельницы, то есть одна мельница приходилась, примерно, на 250 жителей.

К XV веку водяной двигатель (гидросиловая установка) получил широкое распространение в Европе при переработке сельскохозяйственной продукции (мукомольные мельницы, маслобойни, сукновальни), в горном деле (подъем воды из шахт), в металлургии (молоты, сверлильные станы, воздуходувки). Общее число водяных мельниц в Европе увеличилось с 300 тысяч в конце XVI века до 500 тысяч в конце XVIII века, а их общая мощность возросла с 600 тысяч лошадиных сил до 2225 тысяч лошадиных сил.

В XVII – XVIII веках водяные двигатели успешно работали на шведских, французских, германских рудниках.

Схема установки для дробления и обогащения руды (отделения руды от грунта) приведена в «Энциклопедии» Дидро и Д'Аламбера, 1751–1776 годы (рис). Здесь колесо приводит во вращение примитивный кулачковый вал. Выступы на валу удерживают при подъеме тяжелые брусья, которые, срываясь с них, падают и ударяют по кускам руды.

Водяная мельница, Бельгия (XII век)

Несколько способов использования энергии воды имеются в записках Леонардо да Винчи. Изучая гидродинамику, Леонардо пытался найти наиболее эффективный способ применения силы и энергии воды при помощи больших колес. Одно из них изображено на его рисунке.

Леонардо предложил конструкцию гидравлической пилы. Поток воды приводил в движение колесо, которое, в свою очередь, двигало вертикальную пилу и тележку со стволом дерева. Таким образом1) В психологии - субъективная картина мира, включающая самого субъекта, других людей, пространственное окружение и временную последовательность событий. Это одна из форм отображения объективной реальности. В психологии понятие «Образ» используется в нескольких значениях. Существует традиция, связывающая с образом преимущественно..., весь процесс распиливания становился автоматизированным.

Леонардо также предложил множество вариантов и способов использования энергии воды: от фонтанов до водоснабжения, от водных игр до осушения болот:

Толчея (дробилка) для руды с приводом от водяного колеса

(из «Энциклопедии» Дидро и Д'Аламбера, 1751 – 1776 годы)

Одним из выдающихся примеров гидросиловых установок была построенная на реке Сене в 1682 году установка для подачи воды к дворцам и фонтанам пригородов Парижа – Версаля, Трианона, Марли. На участке от города Безона до Порт-Марли река Сена разделена на два рукава. На одном из них была построена плотина, поддерживавшая напор 1,65 м. Из водохранилища перед плотиной вода подавалась на четырнадцать нижнебойных колес диаметром по 12 м каждое. От них приводились в действие:

• в общей сложности 221 насос;

• приводы при помощи кривошипов малых тяг шатунов общим протяжением 1430 м;

• подъем воды через два промежуточных водохранилища на общую высоту 162,15 м.

Отсюда вода поступала в акведук, подававший воду к дворцам и фонтанам Версаля, Марли, Трианона. Установка была рассчитана на подачу около 5000 м³ воды в сутки и развивала мощность 92 кВт.

* * *

На Руси уже в IX веке в письменных источниках встречаются слова «мельник», «мельница». В ярлыке хана Менгу-Темира, освобождающем православную церковь от поборов, записано: «ни вод, ни огородов, ни мельниц» (Львовская летопись, 1267 год). В дальнейшем в русских исторических документах сведения о водяных мельницах встречаются постоянно.

По-видимому, в самом начале использования водяных колес на Руси они устанавливались на водяных мельницах, предназначенных для размалывания зерна. Такие мельницы на Руси назывались «хлебными» или «мучными». В Ярославовом Уставе (XI век), вошедшем в состав «Русской правды», говорилось о том, что мельницу может построить любой желающий, однако специально оговаривалось, что работа мельницы не должна наносить ущерб другим людям и приводить к затоплению окружающей местности, иначе «…да упразднится мельница».

17 марта 1375 года подольский князь Александр Корпатович дал жалованную грамоту Смотрицко-Доминиканскому монастырю, подтверждающую права монастыря на водяную мельницу. Великий князь Дмитрий Донской в 1389 году завещал мельницу на реке Яузе своей жене. В духовной грамоте князя Владимира Андреевича в 1410 году упомянуты «… Поповское на Коломенке с мельницею, Колычево на Неглимне мельница, … Курьясов с Луги до на устьи Мьстицы мельница, Косино с тремя езеры да мельница на усть Яузы».

Самое раннее упоминание о мельницах в Новгородской республике встречено в берестяной грамоте № 167, обнаруженной в археологическом слое конца XIV века. Указанная в этой грамоте мельница находилась в Злостьице и принадлежала крупному боярину Юрию Онцифировичу. По всей вероятности, в грамоте идет речь о водяной мельнице.

В источниках XVI века неоднократно встречаются сведения о водяных мельницах в Новгородских землях. Водяная мельница упомянута в Переписной оброчной книге Водской пятины 1500 года, где среди архиепископских владений в Никольском погосте Новгородского уезда указана деревня на Мельнице на речке Вятке, в которой находится «двор владычен мелник Огофонко без пашни».

Из документов Софийского дома известно, что в 1547 – 1548 годы мельницы, очевидно водяные, находились в деревнях Марково и Мельнице.

В Новгородской второй летописи сообщается о водяных мельницах на реке Мете под 1558 годом и на реке Веряже под 1569 годом, принадлежавших Юрьеву монастырю.

Большой интерес представляют собой летописные сообщения начала XVI века о первой попытке освоить энергию такой большой реки, как Волхов. Понятно, что это стало возможным лишь тогда, когда устройство водяных мельниц было уже делом привычным. Об этом событии обстоятельно рассказывают Новгородская четвертая и Псковская первая летописи.

Строительство мельницы на Волхове происходит при новгородском архиепископе Макарии в 1528 году. Летописи сообщают, что к Макарию, который хотел «украсите Великий Новград», «приде некий хитрец от Псковские страны... и возрев на Волхов реку, и нача говорити: „аще бы мне кто повелел здел(ал) бы есми на сей реце мелницу"». Имя строителя мельницы «муж Невежа Псковитин, Снетогорского мелника человек». Место будущей мельницы было выбрано на Софийской стороне ниже моста, «идеже баня стоит на релке, а ту релку изначала звали Крюк, а на ней преже жили нарочитые дворяне владычня двора».

К работам по сооружению мельницы были привлечены все концы города и монастыри. Летописец рисует довольно подробную картину строительства: «И нача от тоя рельки и делати срубы великий, и вести в верх по реце ко владычню берегу, и топити те срубы камением великим на дно Волхва, чтобы ему отняти часть у Волхова, куце быстринам водным течи; таже ограду здела, и колесо постави, и камень жерновныи постави, и камень нача и вертетися...». Ряжи («срубы великие») подвозили, очевидно, на плаву к месту их установки.

В Псковской летописи говорится, что «мужик Невежа нача проуды делати». Новгородцы возили «в судех камень валень» (валуны), чтобы «сыпати в проуды, и возведоша проуд сверх воды, и угрузиша дно проуда». На основании летописных сообщений, В. В. Данилевский пришел к выводу, что плотина проходила не через всю реку, а только отняла часть ее у берега с наиболее быстрым течением. Он высказал предположение, что на глубоких местах наращивали срубы-ряжи по мере их затопления. По мнению этого автора, плотина Псковитина, «преграждающая часть русла реки, представляла собой конструкцию, известную впоследствии под названием буна».

Мельница Псковитина, действующая сначала успешно, была разрушена при первом же паводке. Весной лед начал разрушать «древие и срубы», а сильный паводок уничтожил плотину и «рознесе и самое то место, идеже жернов стоя». От всего сооружения «толико мало срубов осталося да камение в воде». Еще до постройки мельницы некоторые скептически настроенные новгородцы говорили: «Волхов наша с молода не молола, ачи на старость оучнеть молоть?». Когда же плотина была разрушена, то, естественно, полностью был обвинен мастер Псковитин, которого летописец называет «вконец безумным». Из остатков срубов повелел архиепископ Макарий для Софийского дома «конюшни срубити». Псковитин же, увидев разрушение своего детища и боясь расправы, бежал из города неведомо куда и «до ныне погибе».

И все же, несмотря на то, что первая попытка создать мельничную плотину на Волхове окончилась неудачей, следует отметить смелость и талант, опиравшиеся на технические знания, мастера Невежи Псковитина, который сумел построить такое сложное гидротехническое сооружение в XVI веке.

На равнинных реках необходимый для работы мельницы напор воды обеспечивался плотинами. Мельницы строились с наливным верхнебойным колесом. Передаточный механизм от горизонтального вала водяного колеса к вертикальному валу жернова представлял собой цевочную (зубчатую) деревянную передачу. На рубеже XIV – XV веков появились мутовчатые мельницы с горизонтально расположенным колесом на вертикальном валу (прообраз турбины).

На первых порах водяные мельницы строились для переработки продуктов сельского хозяйства – помола зерна, крупы, валяния сукна, изготовления масла (маслобойни). Однако область применения мельниц вскоре неизмеримо расширилась: до изобретения паровой машины водяное колесо было единственным двигателем, приводившим в действие различные механические устройства на железоделательных, стекольных и пороховых заводах, сукновальных и бумажных фабриках, в рудниках и на лесопилках. Кстати, с этим связано и само название «завод», то есть стоящий «за водой», «у заводи».

Уже в середине XVI века на реках Парха и Цна под Москвой работали бумажные мельницы, на реке Лахоме в бассейне Вычегды к водяному колесу приспособили кузнечный молот – получился «самоков». В 1655 году на реке Яузе по указу царя Алексея Михайловича были построены две мельницы, «в которых толкут порох водою».

В 1651 году на реке Беляне, притоке Истры (примерно в 50 км от Москвы) в селе Павловском боярин Борис Иванович Морозов построил «мельницу водой железо ковать», то есть металлургический завод, который выпускал не только железо, но и пушки. На заводе работало до десяти водяных колес.

В 1652-58 годы по замыслу патриарха Никона (при котором произошел раскол русской православной церкви) в месте впадения реки Пахры в Москву реку была построена бумажная мельница. В большой ступе с помощью вертикальных деревянных стержней, обитых железом, растиралась бумажная масса. Стержни перемещались при помощи специальных цепных приводов от «бумажного» водяного колеса.

О количестве водяных мельниц на Руси свидетельствуют переписные книги 1666 года, охватывающие 14 малых рек – левобережных притоков Днепра. На них были учтены 50 плотин и 300 водяных колес, которые использовались для работы 159 мукомольных мельниц, 48 крупорушек, двух сукновален и др.