С душою прямо гёттингенской

Альберт Бетц в 1930-м за продувкой крыла. Фото из архива
Немецкого Центра авиации и космонавтики в Гёттингене.

В начале XX-го века сложилась парадоксальная ситуация. Инженеры использовали в своей работе расчёты, основанные на последних достижениях науки, которые позволяли сократить путь от идеи до воплощения, избегая долгой последовательности множества проб и ошибок, на бумаге подводя к верному результату. На основе расчётов строились небоскрёбы, двигатели, станки, корабли... На вершине технологического прогресса того времени располагалась авиация. Казалось бы, кому как не ей быть обеспеченной математическим аппаратом, но дело обстояло строго наоборот.

То есть, все необходимые для удовлетворительного расчёта движения воздуха уравнения были написаны ещё в первой половине XIX-го века, но решение их и через сто лет представляло собой не просто трудную, но не мыслимую задачу. Аэродинамические свойства машин определялись опытным путём, как это делал ещё Отто Лилиенталь, не подавший в своей книге даже надежды на будущую возможность точного расчёта движения воздуха. Уравнения были, но на них, по большей части, можно было только любоваться. Некоторые частные и упрощённые задачи удавалось решить, но то была капля в море. Скажу без эпитетов. В 2000-м году Математический институт Клэя назвал семь математических задач будущего тысячелетия. Среди них исследование уравнения Навье-Стокса, того самого, которое, в том числе, описывает движение воздуха.

И всё же, для некоторых проблем находилось простое и точное аналитическое решение. Одна из них представляет интерес для последующего изложения. Примерно в одно и тоже время три разных исследователя сумели ответить на вопрос: какую максимальную мощность может выдать ветряк при известных параметрах? Первым был Фредерик Ланчестер (Frederick W. Lanchester), в 1915-м году. Он тогда был занят важной проблемой -- теорией крыла, где-то между строк у него промелькнуло нечто неоформленное должным образом. Пять лет спустя эту же задачу решил Н.Е.Жуковский и не опубликовал вовремя. Его понять нетрудно; шёл 1920-й год, проблем хватало, да и сама эта работа была им выполнена, чтобы остудить пыл сумасшедшего изобретателя Уфимцева, обещавшего ветряк неслыханной эффективности. Просто так отмахнуться от деятеля революционного подполья и бомбиста было нельзя, пришлось доказывать теорему. Забегая вперёд скажу, что и это не помогло.

И только аккуратный доктор Альберт Бетц из университета  в Гёттингене в том же 1920-м году доказал на основе работы Ланчестера и опубликовал формулу, которая теперь носит название закон Бетца. Статья так и называлась: "Das Maximum der theoretisch möglichen Ausnutzung des Windes durch Windmotoren", "Теоретический предел наилучшего использования ветра ветромотором". Однако, дело этим не закончилось. Понадобилось вмешательство самого Людвига Прандтля (Ludwig Prandtl), чтобы привести закон в удобоваримый вид. Замечу, что все они четверо (Ланчестер, Бетц, Жуковский и Прандтль) были так или иначе друг с другом знакомы, так что нет сомнения в подлинности этой запутанной истории.

Внучатый племянник Владимира Алексеевича Беца, знаменитого киевского анатома, исследователя цитологии головного мозга, тяги к медицине не проявил, но посвятил свою жизнь авиации. Альберт Бетц родился в 1885-м году. Получив высшее техническое образование в Мюнхене, Киле и Берлине, в 1911-м году приезжает в Гёттинген, где работает в местном университете под началом Прандтля. Там он занимается проблемами пропеллера, настолько успешно, что Прандтль смог освободить его от исполнения воинского долга в 1914-м году. В 1916-м разрабатывает и строит аэродинамическую трубу. В 20-х годах переходит к руководящей работе, а в 1947-м занимает директорское место постаревшего Прандтля в подразделении исследования течений в Институте Макса Планка (немецкая академия наук). Умер в 1968-м году.

Ему также приписывают некоторые подвиги, не имевшие непосредственного отношения к основной работе, вроде эвакуации компьютера Z4 из Берлина через советскую оккупационную зону в 1945-м. Но в общем и целом примерный ученик своего блистательного гуру Прандтля. Может быть о нём и вовсе не вспоминали бы, кабы не ветряки. Такая случайная, побочная к пропеллерам задача оказалась главной в жизни. Судьба. Но красиво получилось, поэтому я обязан привести здесь доказательство Бетца, тем более, что в русскоязычной литературе оно как-то скомкано представлено.

Кроме того, что касается родных осин, то я должен сделать ещё одно замечание. Многие, рассказывая о законе Бетца или о теории идеального ветряка Жуковского, что тоже самое, далее ссылаются на работу Г.Х.Сабинина, который якобы усовершенствовал эту теорию. Каждый может найти эту работу Сабинина и убедиться в том, что она представляет собой полотно высокохудожественного текста, изобилующего такими терминами как "вихревой селеноид" и "присоединённая масса". Эти термины не имеют под собой никакого физического смысла. В те времена, когда писалась эта работа, люди, занимающиеся аэродинамикой, вынуждены были оперировать разного рода надёжности теориями, позволяющими приближённо решать практические задачи. Современные компьютерные методы, решающие напрямую уравнение Навье-Стокса, не обнаруживают изъяна в "теории идеального ветряка". Нет ничего дурного в том, что учёные прошлого где-то ошибались, но в наши дни ссылаться на ошибочную работу просто позорно.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Синоптик датский

Поль ля Кур, раскраска фото.
Автор J.C. Schlichtkrull, из музея в Аскове.

Роль личности в истории страны, наверное, зависит не только от величины личности, но и от размеров самой страны тоже. И от размеров истории, ведь истории бывают разные; история ветроэнергетики в Дании несколько меньше истории самой страны, хотя они так переплелись последние пару веков, что их теперь трудно разделить.

Отец датской ветроэнергетики Поль ля Кур (не родственник Флёр Делакур) был урождённым датчанином, несмотря на французское имя (Poul La Cour). Дедушка датской энергетики был фермером, неизвестно как очутившимся в Дании, но прославившийся своим новаторством в области агрикультуры. Видно что-то неспокойное было в генах и оно передалось сыну.

Поль начинает свою автобиографию словами:

Af dem, der kender mig, finder vist mange, at jeg er en sær Blanding af Fysiker og Humanist, af Tænker og Føler.

"Каждому, кто меня знает, хорошо известно, что я странная смесь физика и гуманиста, мыслителя и душевной натуры," -- в этих словах важно не только содержание, но и форма обращения. Автор стремится быть объективным, хотя перед ним поставлена задача написать личный, субъективный текст, это литературная автобиография, а не curriculum vitæ. Здесь мы видим не столько скромность автора, сколько выражение бесконечных противоречий его сложного характера.

Подростком он поступает в латинскую школу, собираясь стать священником, но пренебрегает классическими предметами, увлекаясь математикой и изобретательством. Вместо церкви уходит учиться в Копенгагенский университет, изучает технические науки, а в 1869-м году, в возрасте 23-х лет, защитив магистерскую диссертацию, внезапно становится метеорологом. Имея хорошие связи и крепкую позицию (вице-президент в только что созданном Метеорологическом институте), берётся за решение частной прикладной задачи, далёкой от метеорологии как таковой. В итоге изобретает частотную модуляцию телеграфного сигнала.

Несколько лет уходит на патентные тяжбы в Америке, но всё решает тысяча долларов. Точнее её отсутствие. Впрочем, для какого-то молодого датчанина проиграть самому Беллу не так уж и позорно. В конце концов награда находит героя ещё при жизни, и он становится признанным "датским Эдисоном". Может быть, он так и остался бы телеграфистом-метеорологом, но религиозность его никуда не исчезла, а тут ещё и женитьба...

Поль ля Кур со своей второй женой
Christine Marstrand

Хульда Барфод (Hulda Barfod) занимала активную жизненную позицию. Она придерживалась взглядов Николая Грундтвига (Nikolai Frederik Severin Grundtvig) и даже была знакома с его дочерью. Хульда увлекла своего супруга идеями Грундтвига, которые оказались близки натуре Поля, и супруги взялись претворять их в жизнь. Жизнь Хульды оказалась коротка. Родив Полю троих детей, она умерла в 1878-м году, в том году, когда их семья переселилась в город Асков (Askov).

Наверное, следует рассказать, кто такой Грундтвиг, хотя, казалось бы, какое он имеет отношение к ветроэнергетике? Имеет, как ни странно. Дания в XIX-м веке, как и многие другие, если не сказать все остальные страны Европы, была подвержена националистическим идеям.  Истоки у всех были примерно одинаковы (становление национальной государственности), но результаты немного отличались. Так у южных соседей датчан подобное движение получило название völkisch и привело сами знаете к чему, у нас тоже народники дали неповторимый, к счастью, результат.

К датскому же счастью, маленькая страна, потерпевшая поражение в войне с Пруссией, преимущественно аграрная, бедная ресурсами и населённая небогатым населением, не могла претендовать ни на что, кроме как на возможность самосохранения. Возглавил эту идею Грундтвиг. Его эксперименты в области религии не дали никакой вразумительной доктрины, социальные и культурные тоже, единственное, чего ему удалось добиться в деле укрепления национального духа, так это создание оригинальной образовательной системы. Если национальный дух южных соседей ковался в пивных, то датчане собирались в так называемых "народных университетах" (Folkehøjskole).

Несмотря на полнейшую безалаберность этих учреждений, они оказались живучи и распространились по всей Скандинавии и даже имели некие рефлексы за её пределами. Народные университеты представляли собой некую смесь вечерней школы рабочей молодёжи, общества "Знание" и, таки да, пивной. В народных университетах не было чёткого учебного плана, предметы были преимущественно гуманитарные, оценки не выставлялись, экзамены не проводились, и даже свидетельства об окончании выдавались только по желанию студентов, которое случалось редко. Смысл обучения заключался в том, чтобы дать крестьянам те знания, в которых они сами нуждались, по требованию. Поэтому не было никакой нужды в оценках, колхоз дело добровольное.

В такую школу в Аскове приехал учителем Поль ля Кур, и она оказалась идеально соответствующей его устремлениям, здесь он предаётся своему истинному призванию: гимнастике и ветряными мельницам. Нельзя сказать, что он опять изменил род своей деятельности. В некотором смысле он был постоянен, как ветер в Дании. Он проработал в этой школе до самой своей смерти в 1908-м году. В наши дни в здании школы в Аскове располагается музей Поля ля Кура.

Ветряные мельницы Поля ля Кура в Аскове.

Det blæser muntert i Askov, som ligger godt 200 Fod over Havet og har fuldstændig fri Horizont. »Vi har kun to Dages Vindstille om Aaret,« sagde man. Det er forresten en Overdrivelse. Men sikke Masser af Energi der passerer over Askov, ja, over Landet, næsten fuldstændig toldfrit, mens Landet importerer andre Masser af Energi i Form af Kul og betaler dem i dyre Domme.

"Бодро дует ветер в Аскове, что лежит в 200-х футах над уровнем моря, и вокруг чистый горизонт. "У нас только два безветренных дня в году," -- как говорят. Немного преувеличивают. Но то, что через Асков проходит масса энергии, это да, над землёй, почти совсем беспрепятственно, в то время как страна вынуждена импортировать массу энергии в виде угля и платить за неё баснословный бакшиш," -- пишет в автобиографии Поль ля Кур, вспоминая свои размышления, приведшие его к созданию ветряной электростанции.

Но то были технические причины, ведущей же была причина идеологическая. Как сохранить людей на земле, предотвратить их бегство в город, уничтожающий нацию? -- вот в чём был вопрос датского синоптика. Необходимо облегчить крестьянский труд, а этому может помочь электричество, таков был его ответ. Но для этого нужны распределённые источники электроэнергии на местных ресурсах, ведь первые электростанции выдавали постоянный ток низкого напряжения, который не позволял транспортировать электричество на сколь-либо заметные расстояния из-за высоких потерь в сети, а поставки топлива на каждую ферму было трудно и дорого обеспечить.

В 1891-м году Поль ля Кур строит первую ветряную электростанцию в Аскове. Надо заметить, что ему удалось добиться сочувствия и финансирования со стороны властей. В 1897-м он строит модифицированный вариант ветряка, который проработал 30 лет. Изобретатель от бога, Поль не ограничивается использованием готовых решений. Он строит аэродинамическую трубу, в которой продувает модели ветряных мельниц, чтобы добиться аэродинамически оптимальной формы лопастей ветряной турбины (иначе уже не назвать).

Но и это не всё. Поль работает над проблемой неравномерности отдачи энергии от ветряной электростанции и потребления. Он первый использует электричество от ветряка для производства водорода электролизом. К этой идее вернулись только теперь, первая подобная полупромышленная установка была запущена в прошлом году. Водород он использует для освещения и сварочных работ. Затем ему приходит в голову идея производить удобрения (только прорабатывается на данный момент), но в конце концов приходит к аккумуляторам (популярное решение до сих пор). То есть, он на сотню лет вперёд предвосхитил технические решения проблем ветроэнергетики.

И опять следует вспомнить противоречивость его натуры. Не техникой единой, проявляется гуманитарный аспект его таланта. Поль ля Кур создаёт научную школу ветроэнергетики, у него появляются ученики. Он читает курсы по эксплуатации ветроэнергии, популяризирует идею, пользуясь возможностями народного университета.  Тем самым он обеспечил нынешнее равное положение маленькой Дании среди мировых лидеров ветроэнергетики.

Kort og godt: den, der skriver disse Linier, er en lykkelig Mand. Han har den Lykke at have tjent og fremdeles at tjene forskellige Sager, som han tror er af stor Betydning for vort Folk; og han tror at se alle disse Sagers Fremtid i Lysskær. - Naar han saa tillige har et lykkeligt Hjem med en Hustru og en Flok sunde og gode Børn, kan han saa ønske sig bedre Kaar?

"Короче: тот, кто пишет эти строки, счастливый человек. Он имел счастье послужить и продолжает служить на ниве разных добрых дел, которые, как он считает, имеют большое значение для нашего народа; и он видит в этих делах будущее в розовом цвете. -- Когда он так же счастлив дома, с женой и кучей здоровых и хороших детей, может ли он желать лучшей судьбы?" -- этими строками заканчивается автобиография Поля ля Кура, написанная в 1903-м году.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Спасибо товарищу Троцкому за наш счастливый вторник!

Чому я не сокiл

Отто Лилиенталь в полёте.
Фото П.В.Преображенского, 1895 г.

Как я уже писал, механика сплошных сред вообще и наука о движении тел в воздухе в интересующем нас частном случае начали развиваться в XVIII-м веке, но долгое время это были, в основном, теоретические исследования. Редкие попытки связать практику и теорию не давали никакого результата, оценить их удалось лишь задним числом. Но случались и замечательные работы, дававшие пищу для размышлений современникам.

Отто Лилиенталь (Karl Wilhelm Otto Lilienthal) родился на закате немецкого романтизма, что, на мой взгляд, не случайно. От вздохов и ахов он перешёл к практике. В возрасте 13 лет (как раз когда Халладей снабжал Трансконтинентальную дорогу своими мельницами) он совершил первую попытку полёта. К счастью, не настолько неудачную, чтобы его исследования в области воздухоплавания на том и закончились. Спустя 28 лет, в 1889-м году (когда Браш построил свою электростанцию), он опубликовал книгу "Полёт птиц как основа искусства летать", в которой подытожил многолетний труд, выполненный им совместно с братом Густавом. А ещё 7 лет спустя он погиб, совершив свой очередной полёт. В августе исполняется 120 лет со дня его жертвоприношения. Он сам сказал, умирая: "Жертвоприношение должно быть принесено".

Цитата из книги:

Природа ежедневно показывает нам, что полёт вовсе не так затруднителен. И если мы, совсем обескураженные, готовы были бы отказаться от надежды когда-либо летать, так как вычисления постоянно показывают нам, что для полёта требуется непреодолимая работа, то, с другой стороны, медленный легко прослеживаемый удар крыла летящей большой птицы, каждая кружащая хищная птица, даже каждая парящая ласточка как бы говорят нам: "Вычисление ошибочно, птица, несомненно, не производит той громадной работы; где-нибудь должен скрываться секрет, который одним ударом может разрешить загадку полёта". Перевод Е.С.Федорова

Романтик ли был Отто Лилиенталь? Разумеется, нет. Материалист и практик. Если теория противоречит фактам, то она не верна. Его книга полна рассуждений, образных описаний, наблюдений из жизни птиц, превосходных иллюстраций, Отто даже прибегает к поэзии, но его теоретические изыскания скорее вздор. У меня было желание привести некоторые нелепости, но ни к чему это. Просто предупрежу наивного читателя книги, чтобы он не принимал всерьёз ничего, что выходит за рамки описания опытов, которые провели братья Лилиенталь, и прямых выводов из них. Опыты же сами по себе чудесны, без всякой теории, результатами их пользовались долгие годы множество воздухоплавателей.

Чертёж аиста. М1:1. (Druck -- давление, нем.)
Из книги Отто Лилиенталя.

Описания открытий, совершённых во время экспериментальных работ, наполнены эмоциями:

...при известных углах наклонения сопротивление воздуха вовсе теряет задерживающий характер и, чему мы вначале просто не решались верить, приобретает даже, при известных условиях, такое направление к поверхности, что, вместо задерживающей составляющей, является двигающая, т.е., давление оказывается направленным к нормали поверхности не назад, а вперёд.

Удивительный факт, действительно. О нём, правда, уже знали создатели джонок, а во времена Лилиенталя ходить бейдевинд умели все европейские моряки, но моряки не строили планеров, а Лилиенталь не ходил под парусами. Как тут не вспомнить его "где-нибудь должен скрываться секрет". Цивилизация накопила к XIX-му веку огромный багаж знаний, но знания эти были раскиданы по разным головам. Такое положение дел сохраняется и по сей день, увы.

Раскрывая секрет полёта птиц, Лилиенталь пытается объяснить его самыми общими рассуждениями. Чувствуется, что он понимает что к чему, но рассказать не может. Он действительно понял секрет полёта собственным телом, став, в некотором роде, птицей... Птицы же не умеют говорить. На его рисунке ниже графическая попытка разъяснить причину увеличения  подъёмной силы крыла по сравнению с плоской пластиной.

У братьев Лилиенталь не было средств визуализации течения, поэтому этот рисунок фантазийный, но он близок к действительности. В верхней части рисунка бурление должно наблюдаться, в основном, со стороны пластины, закрытой от ветра. В нижней части линии над выгнутой частью крыла (в отечественной терминологии "спинка") линии разряжаются, а под вогнутой ("корыто") сгущаются. Картинки можно погуглить словами "линии тока профиль крыла".

По мнению Лилиенталя секрет полёта в предотвращении возникновения вихрей, которые крадут полезную работу. Ну, где-то так. Хотя надо понимать, что самолёт полетит и с плоскими крыльями, если у него будет достаточно мощный двигатель. Если же ещё увеличить мощность, то можно и без крыльев вообще. Впрочем, направлению создаваемых воздушных потоков автор тоже отдаёт должное. Для нас важно, что в этой книге впервые экспериментально доказано превосходство выгнуто-вогнутого профиля крыла по сравнению с другими формами.

Что же касается значения его творчества в целом, то он убедил других в том, что воздух необходимо воспринимать как среду со своими собственными законами, не привычными для нас, кто воздух обычно не замечает. Эти законы следует изучать, чтобы использовать для своих целей... Впрочем, и это тоже вздор. Главное, он дал понять, что полёт возможен.

В то время кино только делало свои первые шаги, но было сделано множество фотографий полёта Лилиенталя. Из них голландский художник Johannes Hogebrink склеил фильм. Внезапно, когда я уже заканчивал этот пост, мне подбросили этот фильм в фейсбуке.

Otto Lilienthal's First Film from Johannes Hogebrink on Vimeo.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Для дома, для семьи

Ветряная электростанция Чарльза Браша.

Между первой и второй ветряными электростанциями перерыв совсем небольшой, около полугода. Американец Чарльз Браш (Charles Francis Brush) любил изобретательство как чистое искусство. Первую половину своей восьмидесятилетней жизни он занимался электротехникой, достиг значительных успехов, после чего продал свой бизнес и никогда больше не возвращался к этой теме. Остаток своей плодотворной жизни он посвятил самым разным отраслям знания, от пневматики до гравитации. Очевидно, что ему было без разницы чего изобретать, лишь бы чего-нибудь выдумывать.

Браш создал динамо-машину, аккумулятор, электрическую лампу, всё это своей собственной конструкции, полную систему освещения. В 1880 его система осветила Бродвей, на два года раньше, чем заработала первая в США коммерческая электростанция Эдисона. Неудивительно, что он решил оснастить электричеством свой собственный дом в Кливленде. Это случилось уже после продажи электротехнического бизнеса, так, маленькое развлечение по старой памяти, для дома, для семьи. Здесь он совпал с английским профессором. Но электричества Брашу нужно было больше, его занятия изобретательством требовали больших мощностей, чем маленький токарный станок. В подвале дома Браша была обустроена настоящая научная лаборатория.

В качестве привода для своей электростанции Браш выбрал автоматический ветряк. Если посмотрите на изображение этого ветряка, то, наверное, узнаете в нём водокачку Халладея. Это она и есть, только слегка переразмеренная, диаметр ветряного колеса 17 метров (56 футов). Мельница Халладея сделала ещё один эволюционный шаг, обзаведясь электрическим интерфейсом.

Электростанции Браша и Блита были похожи в том, что обе использовались для домашнего применения. Трудно сказать, какова была их мощность. Мощность ветряка Браша можно оценить по диаметру колеса, но неизвестны прочие параметры, как электротехнические, так и ветровые. С машиной Блита ещё сложнее. Но, плюс-минус, с десяток киловатт. С одной стороны, этого достаточно даже для современного домохозяйства (включая подогрев воды), но... не более того. Для сравнения, механическая мощность упомянутой электростанции Эдисона равнялась примерно 130 киловаттам (175 американских лошадей), а её здание занимало примерно ту же площадь, что и ветряк Браша, который только теоретически мог достигнуть такой мощности при сильном ветре, но его реальная эффективность была много меньше максимально возможной.

Дальше было хуже. Мощность тепловых машин росла, а их ветреные собратья оставались прежними, что и побудило англичан и многих прочих отказаться от использования энергии ветра для производства электроэнергии, внять мудрым доводам лорда Кельвина. С американцами было иначе. Страна большая, плотность населения во многих штатах низкая, потребность в распределённых источниках энергии была всегда, и ветроэнергетика, раз зародившись в США, так там больше и не умирала. Да и в целом не следует говорить, что "ветроэнергетике предстояли десятилетия застоя". Развитие шло очень бурное, хотя, в основном, в смежных областях.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Слуги дьявола на чёртовой мельнице

Первая ветряная электростанция.

Борьба ветра и пара продолжалась. Вспомним, что паровую машину изобрёл всё тот же Герон Александрийский, но судьба этого его детища поначалу складывалась куда хуже, чем у ветряка. Да вообще никак не складывалась, по совести говоря. Может быть поэтому паровые машины взяли такой резкий старт, что к XIX-му веку обогнали по мощности ветряные мельницы. Как по мощности отдельной машины, так и по суммарной выработке. А может тому были какие другие причины, не важно.

В начале тридцатых годов XIX-го века Фарадей открывает электромагнитную индукцию, которая позволяет создавать генераторы электрического тока. Разработка этих устройств началась сразу же и продолжается до сих пор, но уже к семидесятым годам XIX-го века появились образцы, вырабатывающие электричество в промышленных масштабах. Появляется мода на электрическое освещение, а следом спрос на электростанции. Но электростанции нужен привод. Первые приводы были паровыми, потом появились гидроэлектростанции. Ветряные электростанции запаздывали.

Только в 1887-м году шотландский профессор Джеймс Блит (James Blyth) построил первый ветрогенератор в своей родной деревеньке Мэрикерк (Marykirk). Главным достижением в этой машине была, разумеется, электротехническая часть. Генератор постоянного тока собственной разработки профессора заряжал аккумуляторы, а от них уже питались электролампы. Сама мельница была очень простенькой, с вертикальной осью, как первые персидские. Поначалу профессор снабдил её четырьмя парусами, но в последующем заменил их на жёсткие лопасти (фото в начале поста).

Несмотря на простоту конструкции, мельница вполне удовлетворяла потребности сельского домика профессора в освещении и даже питала небольшой токарный станок. Как писал журналист Крис Харди в своей статье о профессоре, тот даже предложил односельчанам освещать мельницей главную улицу деревни, но те отвергли предложение, сославшись на то, что, по их мнению, электричество есть порождение сатаны. Не знаю так ли это, всё-таки время уже было просвещённое, может быть мы имеем здесь дело со знаменитым британским юмором, а селяне просто не хотели из-за одной улицы портить отношения с газовой компанией.

Мельница проработала четверть века, пережив профессора, но ветроэнергетика Великобритании пережить горя не смогла и была похоронена вместе со своим создателем. Хорошие бухгалтеры британцы быстро подсчитали, что энергия из ветра будет обходиться слишком дорого. Так Уильям Томпсон, более известный своим титулом лорд Кельвин, в 1881-м году в переписке с Камий Фор (Camille Alphonse Faure), французским изобретателем и производителем аккумуляторов, на предмет их использования в ветряной электростанции писал:

...ветряные мельницы и поныне слишком дорогие машины; и не представляется возможным чтобы без усовершенствований, которые ещё не произведены, ветер мог бы быть экономно использован для освещения в каких-либо существенных случаях, либо как источник энергии для выполнения работы других видов.

Тут я бы заметил, что барон Кельвин вообще прославился своими экспертными заключениями, сделанными исходя из очень простых соображений, больше, чем своими основными трудами. Совершенно незаслуженно, впрочем. Так и в этом случае он, по большому счёту, был прав. По счастью, его доводы не все слышали, и эстафета ветроэнергетики от Великобритании была принята другими странами.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Эксгуменизм.

Крылья, ноги и хвосты.

Центробежный регулятор

Патент Халладея лежит здесь: http://docsteach.org/documents/4688450/detail. Точнее эскиз к нему. Я позволил себе сделать с него пару выкопировок. Прошло полтора века, патент выдавался на семь лет. Надеюсь, картинки не забанят, как в прошлом посте. Впрочем, это не важно. Схема очень общая, в последующем она воспроизводилась в разных вариантах, мало похожих на оригинал. Только что принцип оставался тот же самый. Картинку кто хочет может посмотреть самостоятельно.

Так в чём же новшество? Как ни странно, но в мельнице Халладея не было ничего нового. Все технические решения, составляющие её основу, уже прежде где-нибудь, да использовались. Вся хитрость была собрать их вместе, чтобы получилась хорошая машина, способная к тому же работать в полностью автономном режиме около месяца (межсервисный интервал).

Автоматизация  мельницы осуществлялась центробежным регулятором, который в словаре Брокгауза и Ефрона назван "колеса Галладая". На самом деле, такой регулятор частоты вращения ведущего вала был установлен ещё на знаменитой паровой машине Джеймса Уатта в конце XVIII-го века. Что интересно, машина Уатта тоже использовалась для перекачки воды. Можно сказать, что тепловой двигатель обогнал ветряной в гонке инноваций, но не тут-то было. Центробежный регулятор был известен ещё до Уатта и применялся... в ветряных мельницах. Правда там он работал несколько иначе. Он менял величину зазора между жёрновами в зависимости от частоты их вращения.

Подпись любопытная. Daniel Halliday.
Вероятно, это поздняя подпись чужой рукой, а не автограф.

В пояснительной записке к патенту лопасти ветряного колеса называются the wings or sails. "Крылья или паруса", терминология меняется, и это не филологический изыск. Меняется конструкция главного рабочего органа машины. На это обстоятельство в рассказах о мельнице Халладея обычно не обращают особого внимания, сосредотачиваясь главным образом на изложении принципа работы центробежного регулятора. Но последний хотя и являет собой хитроумную конструкцию, тем не менее, выполняет второстепенную функцию.

Его роль -- поворачивать крыло, изменяя угол атаки. С этой задачей может справиться и какое-нибудь другое устройство. Главное то, что лопасть теперь работает как жёсткое тело (первые крылья были деревянными, потом их стали изготавливать из металла). Вроде бы здесь нет новшества, мельница Хупера тоже имела поворотные пластинки, но они меняли парусность, а не угол атаки. Это существенная разница. Крылья мельницы Халладея скорей напоминают китайскую мельницу. Опять всё изобрели китайцы.

Другое новшество тоже обычно обходят вниманием, хотя оно такое же заметное, как и крылья. Хвост, разумеется. Хвост, работая как флюгер, устанавливает мельницу точно по ветру, а центробежный регулятор, изменяя угол атаки крыльев, регулирует частоту оборотов мельницы, не позволяя ей пойти в разнос. Вот такая немудрёная автоматика получилась.

Третье усовершенствование -- ферменная конструкция опоры, изобретение незапамятной древности, даже не получившее отражение в патенте, хотя в ветряных мельницах такие опоры прежде не использовались. Ферменная опора придала прочности конструкции при малой стоимости.

Для комплекта следует добавить неплохой насос и получаем ходовой продукт. Благодаря своей автоматике, мельницы Халладея нашли широкое применение не только на железной дороге, но и в сельском хозяйстве. Фермеры, как отмечается, покупали их даже в складчину, не заморачиваясь вопросами управления и техобслуживания. Популярности способствовало и то обстоятельство, что простота конструкции и ограниченность патента позволили работать на рынке конкурирующим фирмам, что удерживало цену на мельницы на низком уровне.

Именно от мельницы Халладея следует вести родословную современных ветряных турбин. По сути дела, далее происходили усовершенствования деталей конструкции. Основа же её, платформа, можно сказать, остаётся неизменной с 1854-го года. Однако, усовершенствование было делом непростым. Нужно было во многом разобраться, ведь создавались ветряные мельницы путём проб и ошибок, без теоретической основы.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Ветер свободы

Ветряные мельницы прибыли в Америку вместе с европейцами. Коренные американцы вообще не очень дружили с колёсами, знаете ли. Поэтому американские мельницы продолжили линию развития своих европейских предков. Так ещё в 1671-м году французы выстроили форт Сенвиль (Fort Senneville) для защиты Монреаля. В качестве сторожевой башни форта выступала... правильно, ветряная мельница. На мельнице размещались мушкетёры и три пушки. Она была столь крепка, что ирокезы, уничтожив форт в 1691-м году, не смогли с ней ничего сделать. С перестройками мельница проработала до конца XVIII-го века.

 A Million Ways to Die in the West

Настал век XIX, век стали и пара. Америка из захолустья так называемого цивилизованного мира постепенно стала выходить в мировые промышленные лидеры. Новые американцы осваивали огромные территории малочисленными силами, им требовалась механизация. Индейцы работать не хотели, афроамериканцы не всем были по карману, а потом их вообще освободили. На машины возлагались большие надежды. Изобретатели работали не покладая рук, нередко "в стол", без расчёта на успех. Впрочем, с изобретателями так всегда бывает, только иногда им везёт.

В 1854-м году 28-летний американец Дэниель Халладей (Daniel Halladay) из Вермонта запатентовал автоматическую ветряную мельницу для перекачки воды. И хотя сам изобретатель сомневался в успехе своего стального детища, мельница Халладея внезапно завоевала Америку. Она разошлась сотнями тысячах копий и проработала целое столетие. Как голландские водяные насосы сформировали голландский ландшафт, так и насос Халладея во многом создал Америку. И то, что эта мельница входит в стандартный набор декораций американского городка из вестерна, вовсе не случайность. Мельница Халладея была куда важней в таком городке, чем, не поверите, церковь и даже салун. Да что там салун... без мельницы не было бы железнодорожной станции.

Гражданская война поставила перед американским обществом задачу объединения страны. Кроме того, в собственность Соединённых Штатов отошли земли на тихоокеанском побережье, прежде принадлежавшие Мексике. Поэтому, на самом высоком уровне было принято решение о строительстве железной дороги, которая связала бы воедино страну от одного океана до другого. Три тысячи километров дороги были построены с 1863-й по 1869-й годы. Перед строителями стаяло множество сложных задач, одну из которых позволили решить ветряные мельницы.

Реплика паровоза "Юпитер".

Единственными локомотивами в то время были паровозы, подобные "Юпитеру" на картинке справа, который участвовал в церемонии забития "золотого костыля" Трансконтинентальной железной дороги. Паровой котёл таких локомотивов работал по "открытому циклу". Отработанный пар не возвращался назад в котёл, а выбрасывался в окружающую среду. Поэтому локомотивы потребляли огромное количество воды, во много раз больше, чем топлива. Обычно этому обстоятельству не придавали особого значения, но дорога к Тихому океану лежала через пустынные прерии. Там не было воды, тем более в промышленных масштабах. На поверхности не было, но вода была в подземных источниках, на большой глубине, в сотнях футах. Её нужно было выкачивать из-под земли. Вот на эту работу и были приняты ветряные мельницы.

Рядом со скважиной устанавливали цистерну для воды, при ней станцию для поезда, ну и всё остальное тоже. Лучшей рекламы для мельниц было не найти, и продажи пошли. Но нельзя одной только рекламой продвинуть негодный продукт. У мельниц Халладея были и другие достоинства, кроме хорошего пиара.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Раззудись, плечо!

В заключение рассказа о голландских мельницах мне бы хотелось упомянуть ещё одну их особенность. Можно даже сказать, что это изобретение, хотя его никто не патентовал. Не все толком понимают его смысл, но многие его замечают. В литературе мне доводилось видеть совершенно дикие попытки объяснить назначение наклона ветряного колеса, поэтому я попробую внести ясность в этот вопрос, а именно, почему ось ветряного колеса голландских мельниц наклонена к горизонту?

Если посмотреть на рис. 4 (внизу), то конструкция мельницы под пунктом а) представляется наиболее простой. Так строили средиземноморские мельницы, так теперь строят ветрогенераторы. Наклонять колесо нет никакого смысла с точки зрения эффективности его работы. Более того, колесо с наклоном работает хуже, оно меньше черпает ветра. Но если башня мельницы имеет коническую форму с широким основанием, как у классических голландских мельниц, тогда появляется смысл наклонить колесо.

Рис. 4. Изгибающая нагрузка на ось ветряного колеса.

Посмотрим на рис. 4 b). На нём нарисована как раз такая башня. Чтобы колесо не задевало крыльями башни, его пришлось вынести намного дальше от башни, чем в случае а). Но это означает, что плечо приложения нагрузки на ось (обозначенное на рисунке синей линией) стало больше. Сама нагрузка, вес колеса, осталась прежней (красная стрелка на рисунке). А это означает, что ось прогнётся на большую величину, ведь угол прогиба балки с защемлённым концом пропорционален квадрату её длины. Но не стану тут излагать сопромат, каждый и так знает из опыта, что к чему. Большой же прогиб оси привёл бы к биению колеса, что опасно для всей мельницы в целом. Правило рычага тоже никто не отменял, так что такое колесо всё бы в башне разворотило.

Если же мы расположим колесо под наклоном, вдоль образующей контур башни линии, как в пункте с) рисунка, то плечо можно не только сохранить прежним, но даже подсократить слегка, учитывая то обстоятельство, что плечо приложения силы к опоре определяется как перпендикуляр из точки опоры к силе. Ось же у нас наклонена, поэтому для определения размера плеча нужно длину свободного конца оси умножить на косинус угла наклона, а это величина, меньшая единицы. И это ещё не все положительные моменты от наклона колеса.

Разберёмся в том, почему башня мельницы имеет такую форму. Вспомним, что ветер не только вращает колесо, но и создает осевое усилие. Эта сила действует вдоль оси колеса и стремится опрокинуть мельницу на спину. На рис. 5 (внизу) осевая сила обозначена синей стрелкой. Она создаёт опрокидывающий момент силы. Мельница может повернуться вокруг точки, обозначенной круговой стрелкой. Опрокинется она или нет зависит от баланса двух моментов; уже упомянутого и момента, прижимающего мельницу к земле. Второй момент создаётся прижимающей силой, обозначенной красной стрелкой. Эта сила ни что иное, как вес мельницы. Если прижимающий момент больше опрокидывающего, то мельница будет стоять, если меньше -- опрокинется.

Рис. 5. Опрокидывающий момент.

Хотя оба момента приложены к одной и той же точке, плечи у них разные. Они обозначены тёмно-синими линиями с точками. Если башня мельницы каменная, она достаточно тяжела, чтобы противостоять опрокидывающей силе ветра даже в конфигурации пункта а) рис. 5. Поэтому каменные мельницы строились цилиндрической формы, иногда с небольшой конусностью, если очень "тонкие". Другое дело деревянная башня, вес которой невелик. Такой башне приходилось "раздвигать ноги пошире", чтобы на них устоять.

Сравним пункт а) и b) рис. 5. Опрокидывающий момент в обоих случаях одинаковый, а прижимающий -- разный, при том, что вес мельницы в обоих случаях принимается одним и тем же (красная стрелка). Момент увеличивается за счёт увеличения плеча, поскольку величина момента равна произведению силы и плеча. Плечо же растёт от того, что точка поворота отодвинулась от вектора действия прижимной силы, который откладывается от центра масс мельницы. Говоря банальным языком, упор отодвинули подальше.

Кстати, об упоре. Основатель марксизма, помнится, говорил, что козловые мельницы были неустойчивыми, пришлось изобрести башенные (голландские). Так вот, козловые мельницы куда проще "упороть", чем башенные. Со стороны, противоположной ветряному колесу, сколько угодно места для упора. Сторону же с колесом можно сделать вертикальной. Именно так и делались козловые ветряные мельницы. Посмотрите на рисунки, коих множество в сети. Другое дело -- башенная мельница. Колесо вращается вокруг её оси, поэтому все её стороны должны быть одинаковы.

Теперь посмотрим на пункт с) рис. 5. Здесь колесо расположено под наклоном. И хотя опрокидывающая сила остаётся прежней, опрокидывающий момент уменьшается, потому что уменьшается плечо его приложения. Уменьшение опрокидывающего момента можно также понять через разложение осевой силы по проекциям. Когда сила направлена строго горизонтально, то всё она "расходуется" на опрокидывание. Если же вектор осевой силы направлен под углом к земле, то его вертикальная проекция работает как прижимная сила, а как опрокидывающая только горизонтальная, которая меньше всей осевой силы в целом. Тем самым, из-за наклона колеса мельница становится ещё более устойчивой.

Конечно, можно было бы сделать мельницу просто тяжелей, но для этого пришлось бы разместить в ней дополнительный груз, что увеличило бы напряжения в конструкции. Увеличение напряжений потребовало бы усиления прочности силовых элементов. Для повышения прочности их потребовалось бы утолстить... Процесс мог оказаться бесконечным.

Плохо также делать башню цилиндрической, но с большим радиусом. Хотя башня расположена за ветряным колесом, она всё же может повлиять на его работу, если окажется слишком большой. Предположим башню бесконечно большой, тогда колесо вовсе не будет вращаться. Ветер просто упрётся в бесконечную стену и перестанет дуть. Большая башня ослабит ветер перед собой. Кроме того, на большой башне и крыша будет большой, её трудно будет ворочать. И перерасход стройматериала тоже не маловажная вещь.

Так что, здесь мы имеем изящное инженерное решение, вызванное тем обстоятельством, что строители мельниц столкнулись с ограничением, наложенным использованием определённого материала, а именно -- дерева. Дерево устарело. Пришла пора его заменить чем-то другим.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Держи ось по ветру

Danish Smock mill from 1895

at Sønderho, Fanø, with fantail

Мельницы стремились быть похожими не только на самолёты, но и на вертолёты тоже. Маленькое ветровое колесо, которое я прежде упоминал, похоже с точностью до наоборот, как говорят математики, на рулевой винт вертолёта. Рулевой винт, устанавливаемый на хвосте одновинтового вертолёта, создаёт воздушный поток, который препятствует вращению вертолёта вокруг оси главного винта. Вертолёт вращает главный, несущий винт в одну сторону, а сам вертолёт, в соответствии с законом сохранения момента импульса, стремится повернуться в другую сторону. Чтобы этого не происходило, на хвосте устанавливают дополнительный маленький винт.

Поворотный винт ветряной мельницы (fantail по-английски), напротив, вращается от воздушного потока и стремится повернуть крышу мельницы с основным ветряным колесом. Винт будет поворачивать мельницу до тех пор, пока ветер дует через его плоскость. Когда направление ветра совпадёт с плоскостью винта, ветер перестанет вращать поворотный винт, он остановится, а за ним и мельница. Поскольку поворотный винт перпендикулярен основному ветряному колесу, при установившемся положении мельницы ветер будет дуть прямо на главное колесо, а мельница сама по себе всегда будет наилучшим образом повёрнута к ветру.

Такое простенькое изобретение было запатентовано Эдмунтом Ли (Edmund Lee) в 1745-м году в Англии. Почему так поздно? Во-первых, конструкция не такая простая, как можно подумать, исходя из её описания. Если вернуться к чертежу из Брокгауза (внизу), то при желании можно рассмотреть, что в ней используется три разных вала с зубчатыми передачами между ними. Все эти элементы требуют точности изготовления и работают под большой нагрузкой (башня тяжёлая), что делает их дорогими.

Второе обстоятельство несколько спорное, и, наверное, поэтому поворотные винты имели ограниченное распространение. Значительная часть голландских мельниц по старинке поворачивалась вручную, с помощью штурвалов (очень похожих на корабельные). В тоже время, поворотные винты всё же устанавливались на некоторые мельницы, особенно за пределами Голландии.

С одной стороны, поворотное колесо избавляет от необходимости ворочать мельницу вручную, но, с другой стороны, оно само поворачивает мельницу слишком часто, даже при незначительном изменении направления ветра. Нужны ли такие повороты? Правильная ориентация по ветру даёт наибольший энергетический выход, но мы ведь помним, что опасен избыточный ветер, а не слабый. Мельницы строились с запасом парусности. Так что, небольшое отклонение направления ветра от оптимального могло быть даже полезным. В любом случае человеку надо было следить за режимом работы мельницы, полностью автономными их нельзя было оставлять.

Более того, поворот мельницы, если изменение направления ветра было кратковременным, мог сократить отдачу от ветра. Причина тому -- всё тот же закон сохранения момента импульса. Дело в том, что в соответствии с ним, вращающееся тело сохраняет не только скорость своего вращения, но и направление оси вращения. Поэтому волчок, забава детства, стоит на столе, не падает, пока не остановится. Для того, чтобы изменить направление оси, нужно приложить силу и потратить энергию.

"Аллигатор"

Ветряное колесо, это волчок, гироскоп, причём массивный, сохраняющий большое количество энергии вращательного движения. Например, поворот колеса на 180° равносилен изменению направления его вращения на противоположное. То есть, на такой поворот надо затратить удвоенную энергию вращения колеса. Остановить колесо, а затем закрутить его в противоположную сторону. Если часто поворачивать массивное колесо, оно и вовсе перестанет вращаться, будет только дёргаться туда-сюда. Поэтому маневренные вертолёты стараются делать двухвинтовыми, хотя такая конструкция намного сложней одновинтовой. Суммарный момент импульса двойного винта нулевой (винты вращаются в противоположных направлениях), и маневр даётся малой силой.

Конечно, всё это можно отрегулировать, поворотное колесо будет работать, но велик ли выигрыш? Вопрос. Кроме того, каждый поворот массивного деревянного сооружения, это удар по его долговечности. Стало быть, надо делать его прочнее, то есть, массивнее. А чем массивней, тем большее усилие к нему надо прилагать, и так далее...

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Вторник с избыточным весом.

Не взлетим, так поплаваем

Ещё одно стороннее изобретение, применённое в крыльях голландских мельниц, происходит из парусного флота. Ветер, как мы все знаем, непостоянен. Причём для ветроэнергетики проблему составляет не слабый ветер, а сильный. При высокой частоте вращения ветряного колеса края крыльев, как мы выяснили, перестают работать на вращение, зато осевое усилие на них сохраняется и возрастает с увеличением скорости ветра. Крылья изгибаются и в какой-то момент времени касаются основания мельницы. На этом её жизнь заканчивается, как это произошло на видео внизу.

Если мельница средиземноморская, то больших разрушений не произойдёт. Деревянные жерди-мачты не повредят каменную башню-основание. Более того, дело вряд ли дойдёт до столкновения, паруса порвутся раньше. Другое дело деревянная мельница голландского типа с массивными крыльями. Если добавить к картине мельницы, бешено размахивающей крыльями, взрыв муки и жёрнов, катящийся вприпрыжку из развалин, то поневоле начнешь сочувствовать селянам, подозревавшим мельника в особых связях с нечистой силой и отказывавшихся селиться неподалёку от мельницы.

Моряки, у которых всегда была та же проблема, решали её за счёт сокращения парусности. При сильном ветре они убирали паруса, а если и это не помогало, то рубили мачты. Крылья голландских мельниц тоже, в некотором роде, снабжались парусами, ведь снаружи деревянного каркаса они были обтянуты парусиной. Поэтому, для снижения забираемой от ветра мощности достаточно было убрать ткань с части крыльев. На рисунках и фотографиях мы часто видим один каркас крыльев без парусины вовсе, это потому что мельницы не работают. Каркас ещё и потому решётчатый, чтобы по нему можно было ползать как по лестнице, как это делают матросы, ставящие паруса.

Кинжальный риф взят

Но в такой регулировке было много неудобства: мельницу приходилось останавливать, а установка или снятие парусины требовала времени, да и работа была опасной. Требовались усовершенствования и они последовали. Изобретений было сделано множество, но начальные этапы прогресса в летописи не попали. Сами изобретения тоже не сохранялись ввиду недолговечности материала. Говоря по существу, предпринимались попытки внедрить решения, сходные с теми, что были найдены на флоте. Кое-что сохранилось на памяти и было воспроизведено в наши дни, как вот этот способ прилаживания паруса на картинке справа, взятой из Википедии. Моряки называют работу по конфигурации парусов "взятие рифов". Риф с картинки по-английски называется Dagger point, "кинжальный укол".

Автор снимка Jim Woodward-Nutt

Начиная с XVIII-го века появляются точные сведения не только о самих новшествах, но и об их авторах. Начинается промышленная революция, и появляется патентное право. Механизация внедряется повсюду, даже там, где в ней не было особой нужды. В 1772 шотландец Эндрю Мейкл (Andrew Meikle) изобретает парус для крыльев ветряной мельницы, основанный на принципе жалюзи. В его конструкции плоскость паруса собрана из деревянных ламелей, которые связаны воедино затворным стержнем. Чтобы изменить парусность на всём крыле достаточно воздействовать на управляющий орган. Примерно так, как мы управляем интерьерными жалюзи. Кстати, жалюзи были впервые запатентованы тремя годами ранее в Лондоне, но поворотный механизм для них только в 1841-м в Америке. Так что, ветряные мельницы были на острие технического прогресса, и не исключено, что мы до сих пор пользуемся изобретением, сделанным при их разработке.

Мельница Хупера
в Ирландии

Однако, для регулирования парусности мельницу по прежнему необходимо было останавливать. Прошло совсем немного времени и в 1789-м году английский изобретатель Стефен Хупер (Stephen Hooper) патентует решение этой проблемы. В его конструкции используется тот же принцип жалюзи, но управляющие органы соединены в один, на который теперь можно воздействовать без остановки мельницы.

Далее изобретений и патентов по регулировке парусности крыльев ветряных мельниц становится так много, что перечислять их нет сил, да и надобности тоже. В заключении хотелось бы отметить ещё одно обстоятельство. Приведённые здесь изобретения предвосхищают инженерные решения, используемые в авиации. Ламели крыльев ветряной мельницы -- прообраз устройств механизации крыла самолёта; всех этих предкрылков, закрылков, интерцепторов и прочих флаперонов. Когда появились первые самолёты, для них уже многое было готово. Крылья первых самолётов были устроены так же, как и крылья средневековых мельниц: деревянный решетчатый каркас, обтянутый тканью. Ветряные мельницы, всегда бравшие пример с парусников, начинают всё больше и больше засматриваться на самолёты. Которых пока ещё нет, заметьте.

Механизм поворота ламелей восьмикрылой мельницы ("паук").
Деревня Хекингтон, Англия, постройка конца XIX века, фото автора.

Назад

К оглавлению

Вперёд

О борьбе с уклонизмом

Поворотное колесо, о котором я прежде писал, изобретение заметное, хитроумное, но не особенно полезное. По крайней мере, без него обходились вплоть до 1745-го года, да и потом использовали не всегда. В истории эмпирического развития ветряных мельниц случались куда более полезные, но менее очевидные для стороннего глаза изобретения.

Если у кикладских (средиземноморских, как их чаще называют) мельниц крылья представляли собой самые настоящие паруса, то крылья атлантических мельниц с самого начала делались из деревянных планок, обтянутых тканью. По форме они представляли собой сильно вытянутый прямоугольник, наклонённый по направлению к ветру.

Крыло атлантической мельницы

Прежде я рисовал схему, на которой объяснялся принцип работы ветрового колеса (Рис. 1). В той схеме я предполагал, что колесо покоится, но это же не так! В левой части рисунка 3 изображена ситуация, когда колесо движется. Синяя стрелка показывает движение частицы ветра, а красная -- перемещение лопасти ветрового колеса за тоже самое время, которое двигалась частица ветра. Если колесо движется достаточно быстро, то частица ветра, достигшая плоскости входной кромки ветрового колеса над лопастью, пройдя весь путь до плоскости выходной кромки так и не встретит саму лопасть. Та успеет отскочить в сторону, уклониться. С точки зрения частицы ветра лопасть колеса повёрнута вдоль направления её движения. Лопасть с точки зрения ветра изображена на рисунке пунктиром. Таким образом реализуется принцип относительности Галилея.

Рис. 3. Угол атаки ветрового колеса

Если вернуться к рисунку 1, то станет ясно, что при таком положении лопасти на неё будет действовать только осевая сила (да и то слабая), окружной не будет вовсе. Стало быть, и колесо не будет ускоряться. Более того, если скорость вращения колеса будет ещё выше, как в правой части рисунка 3, то лопасть как бы уклонится в другую сторону, а колесо начнёт тормозиться.

Поэтому, угол наклона лопасти к ветру, угол атаки, следует выбирать с учётом скорости вращения колеса. Чем большей скорости мы хотим достичь, тем больше нужно делать угол атаки, приближая положение лопасти к перпендикулярному по направлению к ветру. Чтобы лопасть не успела уклониться. Но если мы сделаем угол атаки прямым, то колесо тоже не будет вращаться, превратившись для ветра в простую стенку. Поэтому угол атаки должен быть меньше 90 градусов. Причём, заметно меньше.

Ведь если угол атаки будет большим, то в соответствии с Рис. 1 почти вся сила давления ветра пойдёт на создание никому ненужного осевого усилия. Поэтому создатели лопасти зажаты между Сциллой и Харибдой. Малый угол атаки не позволяет развить большой скорости колеса, а большой сводит всю работу ветра к созданию вредного осевого усилия.

И всё бы ничего, если бы колесо не было бы круглым, а это значит... Скорость перемещения участка крыла (та самая скорость лопасти, которую мы рассматривали) зависит от его расстояния до центра колеса. Это очевидно из рисунка крыла в начале поста. За одно и тоже время участок, расположенный ближе к центру колеса, проходит меньший путь, чем более удалённый. Поэтому, при одной и той же скорости ветра скорость крыла будет разной на разных расстояниях от центра. А это значит, что и угол атаки должен быть разным по длине крыла, ведь он зависит от скорости перемещения лопасти, как мы только что выяснили.

Правильное крыло мельницы закручено. Ближе к центру угол атаки острее, а на краях колеса лопасть располагается почти плашмя к ветру. Художники часто изображают всё крыло под прямым углом к ветру, так им проще, но это неверно. Такая мельница крутиться не будет. Вот у Брокгауза и Ефрона нарисованы правильные мельничные крылья, с закруткой.

Когда строители мельниц научились закручивать им крылья, мы не знаем, но похоже на то, что они так делали с самого начала, с самых первых ветровых мельниц. В противном случае от мельниц не было бы никакого толку. Выходит, закрученные крылья изобрели разом? Как же тогда быть с эволюцией? Ну, иногда что-то получается и с первого раза, но вероятнее выглядит иное предположение. Ключевым для него является эпитет ветровая.

До ветровых мельниц, как мы помним, существовали водяные. Первое упоминание о водяной мельнице относится к III веку до н. э. Причём это была мельница с водяным колесом, расположенным горизонтально. Вода на такое колесо подавалась сверху, а его принцип работы был такой же, как и у ветровой мельницы с вертикальным колесом. Вода куда более плотная среда, чем воздух, и за её течением намного проще наблюдать. Эти наблюдения и могли привести к изобретению принципа закрутки лопасти турбины.

Сколько веков для этого потребовалось, мне не известно, но время было; водяные мельницы с турбиноподобным колесом строились с тех самых пор непрерывно. Такое водяное колесо проще чем вертикальное, оно не требует большого перепада воды, ему не нужен редуктор (жёрнов может быть просто насажен на ось). Если только не беспокоиться об эффективности работы колеса. А если побеспокоиться, то можно сделать такое изобретение, как закрученная лопасть; сделать первый шаг к созданию механики сплошных сред.

И в качестве бонуса видео о том, к каким результатам приводит работа изобретателя, не обременённого излишними познаниями и средствами, но нуждающегося в в быстром результате. Очень поучительно и по теме. Здесь затронута и тема турбин, и тема исторически создающейся прикладной науки. Смеяться не над чем. Оно работает уже два года! Диаметр турбины 65 см. Только настоящие учёные пользуются сантиметрами.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Хотели СССР 2.0, а получили Брежнева 2.0.