Водяное колесо

Все древние механизмы приводились в действие мышечной силой людей или животных. Парусные корабли использовали энергию ветра, а примерно с 80 г. до н. э., когда появились первые водяные колеса, стало возможным использовать и энергию воды.

Водяное колесо - это простейшее механическое устройство, применявшееся в древности в качестве двигателя. Представляет собой колесо, по ободу которого укреплено множество лопаток, или лопастей, приходящих в движение под напором воды. Колесо насаживали на вал, а от него вращение передавалось дальше к той машине, которую хотели привести в действие. Наиболее древнее и подробное описание водяных колес, используемых на соляных заводах, для орошения садов и помола зерна, содержится в книге римского архитектора Марка Витрувия Поллиона.

Первые водяные колеса делали горизонтальными: их помещали в проточную воду, а на вертикальной оси (вале) устанавливали мельничный жернов. Мукомольные мельницы с горизонтальными водяными колесами еще и сейчас можно иногда увидеть в Норвегии.

Позже водяные колеса стали устанавливать вертикально, а вращаемый ими вал - горизонтально. В зависимости от того, как колеса размещались относительно потока воды, их делили на подливные (нижнебойные), наливные (верхнебойные) и среднебойные. В подливных колесах вода проходила под ними и ударяла в лопасти снизу. Для беспрерывной работы этих устройств реки часто перегораживали плотинами и создавали водохранилища, получившие название мельничных быстротоков или подводящих каналов. Вода из них вытекала только через специально устроенные отверстия, благодаря чему скорость потока была постоянной. Коэффициент полезного действия подливных колес был невысок - всего лишь 35 %, что заставляло древних инженеров задумываться о том, как более эффективно использовать энергию воды. В результате были изобретены среднебойные водяные колеса. Их устанавливали в местах с небольшим перепадом уровня воды так, чтобы она ударяла на лопасти чуть сверху, действуя не только своей силой, но и весом. Коэффициент полезного действия таких водяных колес составлял уже 75 %. В ходе дальнейшего усовершенствования были созданы наливные (верхне-бойные) колеса, приводимые в движение падающей сверху водой. Они оказались самыми мощными и производили энергии значительно больше других. Например, наливное колесо диаметром 2 м позволяло получать 3 л. с, а подливное такого же размера - только 0, 5 л. с. Коэффициент полезного действия составлял при этом почти 85 %.

Самый большой комплекс водяных колес, построенных римлянами, находился рядом с городом Барбегаль (юг совр. Франции). Вода из реки Дюранс поступала в акведук, спускавшийся вниз с крутого холма в виде перил огромной лестницы. На этой «лестнице» было 8 широких ступеней, или выступов, по бокам которых находилось по 2 наливных водяных колеса, связанных с мельничными жерновами. Согласно расчетам ученых, ежедневно на этой мельнице могли перемалывать около 25 т зерна, обеспечивая мукой не только жителей Барбегаля, но и находящегося неподалеку Арля.

В Средние века в Европе водяные колеса устанавливали не только на мукомольных мельницах, но и на лесопилках и в каменоломнях, где с их помощью распиливали крупные деревья и строительные камни. В странах Ближнего Востока большое распространение получили подливные водяные колеса, называемые нориями. Часто у них вместо лопаток по ободу колеса укрепляли ковши, чтобы легче было зачерпывать воду и поднимать ее наверх, подавая затем на поля. Средневековые китайские ученые и Син и Су Сун использовали водяные колеса при создании сложных астрономических приборов, совмещавших в себе подвижный небесный глобус, армиллярную сферу и часы.

Наливное водяное колесо. Сила напора и вес воды, падающей сверху, заставляют колесо вращаться. Подливное водяное колесо. Оно устанавливается непосредственно в потоке воды и приводится в движение только под ее напором.

В Нории, или подливные водяные колеса с большим количеством лопаток, оставались практически неизменными в течение многих веков. Эти две нории установлены на реке Оронт в г. Хама (совр. Сирия). Их размер можно оценить, сравнив с фигурой человека, стоящего у центра правого колеса.